DE1513287C - Überstromschutzschaltung für elektronisch stabilisierte Spannungsquellen - Google Patents

Description

Elektronisch stabilisierte Spannungsquellen weisen im allgemeinen ein Stellglied auf, das zwischen eine ungeregelte Spannungsquelle und einen Verbraucher geschaltet ist. An diesem Stellglied fällt die überschüssige Spannung ab. Hierbei wird die. Leistung, die sich aus dem Produkt dieser Spannung und dem Strom durch den Verbraucher ergibt, in Wärme umgesetzt. Solche elektronischen Serien-Regelsysteme müssen im allgemeinen vor Überlastungen durch zu hohe Stromentnahme geschützt werden. Besteht das Stellglied aus Transistoren, so muß der Überlastschutz sehr schnell ansprechen, da wegen der geringen Wärmekapazität der Halbleiter schon sehr kurzzeitige Überlastungen des Stellgliedes gefährlich sind. Elektromechanische Überlastschutzeinrichtungen sind im allgemeinen für diese Zwecke zu träge.

Es sind Anordnungen bekannt, die rein elektronisch arbeiten, indem sie bei Überlastung das Stellglied sperren. Hierzu wird in den Lastkreis des Reglers ein Widerstand geiegt, an dem eine dem Belastungsstrom proportionale Spannung entsteht. Diese Spannung wird z. B. einer bistabilen Kippschaltung so zugeführt, daß diese bei Überschreitung eines gewissen' Schwellenwertes zum Ansprechen gebracht wird und das Stellglied sperrt. Auf diese Weise wird ein sicherer Schutz des gesamten Reglers, insbesondere aber des empfindlichen Stellgliedes erreicht. Ein solches System hat folgende Nachteile:

Um bei Kurzschlüssen am Ausgang des Reglers einen sicheren Schutz des Stellgliedes zu erreichen, muß das Einsetzen des elektronischen Überlastschutzes unverzögert erfolgen. Das bedeutet aber, daß bereits sehr kurzzeitige Überlastungen des Reglers (z. B. beim Aufschalten auf eine kapazitive Last) zum Ansprechen des Überlastschutzes führen. Da der Überlastschutz sehr schnell ansprechen muß, ist er gegen eingestreute Störspannungen sehr empfindlich. Erfahrungsgemäß müssen besondere Maßnahmen zur Abschirmung und Entstörung ergriffen werden, um zu verhindern, daß Störspannungen aus benachbarten Schaltanlagen nicht zu einem Ansprechen des elektronischen Überlastschutzes führen.

Man versucht diese Schwierigkeiten dadurch, zu umgehen, daß statt der. bistabilen Schaltung ein Schwellenwertverstärker benutzt wird. Sobald die dem Belastungsstrom proportionale Spannung an einem Widerstand den Schwellenwert des Verstärkers überschreitet, wird das Stellglied mit einem elektrischen Signal so beaufschlagt; daß der Belastungsstrom begrenzt wird. Eine solche elektronische Überstrombegrenzung bewrrkt einen sicheren Schutz des Reglers bei allen Belastungsfällen. Die Anordnung ist sicher gegen eingestreute Störspannungen und gestattet wegen der Begrenzung des Belastungsstromes auch das Aufschalten des Reglers auf kapazitive Lasten. Das Prinzip des Überlastschutzes durch Strombegrenzung hat jedoch den Nachteil, daß.im Falle eines Kurzschlusses an den Ausgangsklemmen des Reglers die gesamte von der ungeregelten Spannungsquelle gelieferte Leistung am Stellglied in Wärme umgesetzt wird. Diese Leistung liegt aber bei dem doppelten bis dreifachen Wert der Verlustleistung, die im Normalbetrieb auftritt. Das Stellglied muß demzufolge bei dieser Anordnung für wesentlich höhere Verlustleistungen ausgelegt werden. Wird ein derartiger elektronischer Spannungsregler mit Strombegrenzung zum Überlastschutz für die Speisung umfangreicher.elektronischer Anlagen benutzt, so wird die Spannungsversorgung der einzelnen Funktiönsgruppen im allgemeinen über relativ dünne Zuleitungsdrähte sternförmig vom elektroni-' sehen Regler her vorgenommen. Beim Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb einer Funktionsgruppe fließt dann über die Spannungsversorgungsleitung dieser Funktionsgruppe praktisch der gesamte Strom, der durch die Überstrombegrenzung des Reglers vor- ' gegeben ist. Durch thermische Überlastungen können

ίο hierbei in der Verdrahtung der Anlage schwere Zerstörungen hervorgerufen werden. Wird der Regler zu hoch belastet, so'geht er über die Strombegrenzungsanordnung der Spannungsreglung in die Stromreglung über. Seine Ausgangsspannung erniedrigt sich, wodurch die Funktion der gespeisten Anordnung gefährdet wird. '·.'"-■""■

Die Erfindung betrifft eine Uberstromschutzschaltung für elektronisch stabilisierte Spannungsquellen, bei denen zur Regelung der einem Verbraucher zu-

ao geführten Spannung ein elektronisches Stellglied mit einer ungeregelten Spannuhgsquelle, einem Widerstand und dem Verbraucher in Reihe liegt und bei -~ denen eine dem Verbraucherstrom proportionale"^ Spannung an dem Widerstand abgegriffen und einem.

Schwellenwertverstärker zugeführt wird, der nach Überschreiten eines bestimmten Eingangsschwellenwertes ein auf das elektronische Stellglied in strombegrenzendem Sinne einwirkendes Signal abgibt. Die Erfindung besteht bei dieser -Überstromschutzschaltung darin, daß das Ausgangssignal des· .Schwellenwertverstärkers zusätzlich einem Verzögerungsglied zugeführt ist, dessen Ausgangssignarmitkoppelnd auf den Eingang des Schwellenwertyerstärkers rückgeführt ist.

Das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes kann einen weiteren Schwellenwertverstärker beaufschlagen, der auf den ersten Schwellenwertverstärker rückgekoppelt ist und diesen aussteuert., · '-■■■< ■ Gemäß einer besonderen/Ausbildungsform der Er- * findung bestehen die Schwellenwertverstäricer jeweils aus komplementären Transistoren, deren" von einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeiste Emitter-Kollektor-Kreise einerseits unmittelbar, andererseits über einen Widerstand miteinander verbunden sind,-.

an dem eine Spannung abfällt, die dem Verbraucher^ ~ strom proportional ist. Die Basis eines dieser Transistoren liegt so in dem Emitter-Kollektor-Kreis des komplementären Transistors, daß das Leitendwerden eines Transistors auch ^as 'Leitendwerden des komplementären Transistors bewirkt. Durch die Rückkopplung bleibt dieser Schaltzustand erhalten,

.".auch, wenn die den ersten Transistor aussteuernde

·'"-■ Spannung wieder unter die Ansprechschwelle gesunken ist, ' .·..'!".'

Ist der Transistor, der von der dem Verbraucher-/ strom proportionalen Spannung beaufschlagt wird, z. B. vom npn-Typ, so kann er das aus einem Transi-.. stör des gleichen Typs bestehende Stellglied dadurch in einfacher Weise beeinflussen, daß zwischen seinem Kollektor und der Basis des Steilgliedtransistors eine Diode geschaltet ist, die nach dem verzögerten Leitendwerden des rückgekoppelten Transistors ebenfalls leitend wird und dabei das Basispotential des Stellgliedtransistors in sperrendem Sinne erniedrigt. Zur

65. Verzögerung der Aussteuerung des rückgekoppelten Transistors dient zweckmäßig eine ÄC-Kombination. Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schutzschaltung, . .,....·■ -J--;^ · - ;-Fig. 2 eine Aüsführungsform.

In F i g. 1 gelangt die ungeregelte Spannung einer Spannungsquelle U über ein Stellglied S auf Ausgangsklemmen A und B des Spannungsregelsystems, an das ein Verbraucher angeschlossen wird. Die Ausgangsspannung wird in der Funktionsgruppe D mit der Sollspannung verglichen und die verstärkte Regelabweichung so auf das Stellglied 5 geführt, daß die Abweichung der Ausgangsspannung von dem eingestellten Nennwert möglichst gering ist. Dies ist das Prinzip des Spannungsreglers mit Serienstellglied.

Der Überlastungsschutz wird mit Hilfe der Gruppen Z, Vl, V 2 und eines Shunts R bewirkt. Die dem Belastungsstrom proportionale Spannung am Shunt R wird einem Schwellenwertverstärker Vl zugeführt. Bei Überschreitung des Schwellenwertes fin- " det ein solcher steuernder Eingriff auf das Stellglied S statt, daß dessen Ausgangsstrom begrenzt wird. Spricht infolge Überlastung der. Schwellenwertverstär- ker Vl an, so gelangt auf den Eingang eines Verzögerungsgliedes Z eine Spannung. Diese erscheint ; verzögert am Eingang eines Rückkopplungsverstärkers V2, der gleichfalls Schwellenwertcharakter aufweist. Überschreitet seine Eingangsspannung einen Schwellenwert, so setzt zwischen den Verstärkern Vl und Vl ein solcher Rückkopplungsprozeß ein, ' daß Vl voll ausgesteuert wird und das Stellglieds sperrt. Damit ist die Stromzufuhr zum Verbraucher unterbrochen, Regler und Last sind vor Beschädigungen geschützt. ■ , ' '

Durch die Rückkopplung über die Verstärker V1 und V2 bleibt Verstärker Vl auch dann voll ausgesteuert, wenn infolge Sperrung des Stellgliedes S die Spannung am Shunt R zu Null wird. Die Regeneration des Reglers kann z.B. durch kurzzeitige Abschaltung der Energiezufuhr von der ungeregelten Spannungsquelle U erfolgen oder durch steuernden Eingriff in den Rückkopplungskreis zwischen Vl und V 2. Die Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes Z wird so gewählt, daß bei Kurzschlüssen einige Millisekunden lang die Anordnung als Überstrombegrenzer arbeitet und- die Abschaltung erfolgt, bevor eine thermische Überlastung des Stellgliedes S auftritt. Diese Zeitspanne ist so groß, daß beim Aufschalten des Spannungsreglers auf große Kapazitäten noch keine Auslösung erfolgt. Die Anordnung ist außerdem gegen eingestreute Störimpulse völlig unempfindlich, da die Zeitdauer dieser Impulse im allgemeinen um mehrere Zehnerpotenzen unter der Ansprechzeit des Rückkopplungskreises liegt.

Trotz dieser wesentlichen Vorteile ist der erforder-. liehe Aufwand für die erfindungsgemäße Schutzschaltung nicht größer als bei bekannten Anordnungen, die z. B. mit bistabilem Schaltkreis arbeiten.

In F i g. 2 sind die Elemente für den überlastungsschutz durch die gestrichelt gezeichnete Umrandung US hervorgehoben. Die Schaltung ist durch Verwendung von zwei komplementären Transistoren P1 und P 2 für den Rückkopplungskreis besonders einfach. Werden Siliziumtransistoren vorgesehen, so kann die Anlaufspannung der Basis-Emitter-Sperrschicht zur Schwellenwertbildung unmittelbar benutzt werden. Die Emitter-Kollektor-Kreise der komplementären Transistoren, die von der gemeinsamen Spannungsquelle E gespeist werden, sind einmal unmittelbar, andererseits über den Shunt R miteinander verbunden. Die Basis eines Transistors liegt dabei so in dem Emitter-Kollektor-Kreis des anderen Transistors,' daß bei Aussteuerung (Leitendwerden) eines Transistors auch der andere Transistor ausgesteuert wird. Das Stellglieds besteht aus den Transistoren P31, P32 und,-P33 vom npn-Typ in Emitterfolgeschaltüng. Zum Soll-Ist-Wertvergleich dient die Schaltgruppe D, deren Wirkungsweise an sich bekannt ist und hier nicht weiter erläutert zu werden braucht. .

Solange der Überlastungsschutz nicht angesprochen hat, sind die Transistoren P1 (npn-Typ) und P 2 (pnp-Typ) stromlos. Daher sperrt die Kopplungsdiode F, so daß auf das Steilglied S kein Einfluß ausgeübt wird. Bei Überlastung überschreitet die Spannung am Shunt/? die Anlaufspannung der Basis-Emitter-Sperrschicht des Transistors Pl; dieser wird leitend, und sein Kollektorpotential sinkt ab. Damit wird auch die Kopplungsdiode F leitend, die das Basispotential des Steuertransistors P31 und damit der übrigen Transistoren des Stellgliedes S so weit absenkt, daß eine Strombegrenzung eintritt. -

Das Absinken der Kollektorspannung des Transi- storsPl setzt sich verzögerfüber das Verzögerungs- ~~~ glied A4, Cl an der Basis des Transistors P2 fort. " Wird die Ansprechschwelle der Basis-Emitter-Sperrschicht von P 2 überschritten, so wird P 2 leitend. Hierdurch fließt ein zusätzlicher Strom über Widerstände R2 und Al, wodurch das" Basispotential des' Transistors Pl ansteigt. .Hierdurch setzt die Rückkopplung ein, die ein schnelles Ansteigen des KoI-, lektorstromes des Transistors P 2 bewirkt, so daß Pl auch dann leitend bleibt, wenn infolge Sperrung des Stellgliedes S die Spannung am Shunt R verschwindet. · '

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Überstromschutzschaltung für elektronisch /v. stabilisierte Sparinungsquellen, bei denen zur ,Regelung der einem Verbraucher zugeführten · Spannung ein elektronisches Stellglied .mit einer ungeregelten Spannuhgsquelle, einem Widerstand und dem Verbraucher in Reihe liegt und bei denen eine dem Verbraucherstrom proportionale Spannung an dem Widerstand abgegriffen und ■-.". einem Schwellenwertverstärker zugeführt wird,"" ■ der nach Überschreiten eines bestimmten Eingangsschwellenwertes ein auf das elektronische Stellglied in strombegrenzendem Sinne einwirkendes Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Schwel- _; . lenwertverstärkers (Vl) zusätzlich einem Verzögerungsglied (Z) zugeführt ist, dessen Aus-ganpsignai mitkoppeind auf den Eingang des Schwellenwertverstärkers (Vl) rückgeführt ist.;

2. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes (Z) einem weiteren auf den Eingang des Schwellenwertverstärkers (Fl) rückgekoppelten und diesen mitkoppelnd aussteuernden Schwellenwertverstärker (V2) zugeführt ist. _ ,

3. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwellenwertverstärker (Vl, V 2) von einer gemeinsamen Spannungsquelle (E) gespeiste komplementäre Transistoren (Pl, P 2) vorgesehen sind und daß im Emitter-Basis-Kreis des einen Transistors (Pl) der vom Laststrom durchflossene Widerstand

(R) angeordnet ist und daß die Basiselektroden' --der Transistoren derart im Emitter-Kollektor-Kreis des jeweils anderen Transistors liegen, daß das Leitendwerden eines Transistors das dauernde Leitendwerden auch des anderen Transistors bewirkt. " "■ '■■■■■"' ''■'■■

4. Uberstromschutzschaltung nach Anspruch 3, ' dadurch gekennzeichnet, daß der von der dem Ver-' braucherstrom proportionalen Spannung beaufschlagte Transistor (Pl) ein npn-Transistor ist, mit dessen Kollektor die Kathode einer Diode (F) verbunden ist, deren Anode mit der Basis eines

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als Stellglied wirkenden oder dieses aussteuere ".'. den npn-Tränsistors (P31) verbunden ist,'derart, daß bei Leitendwerden des'Transistors (Pl) der als Stellglied wirkende Transistor (P 31) zunehmend sperrt. V .'.'.''"';'", ,."'.'"' ' ".'. '^V,''^.!. ■■ "''""'S. Uberstromschutzschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsglied (Z) eine ÜC-Kombihation '^; vorgesehen ist, die das Leitendwerderi des auf den • Eingang des von der dem Verbraucherstrom proportionalen Spannung ausgesteuerten Transistor (Pl) rückgekoppelten Transistors (P 2) verzögert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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