DE1563754C - Schaltungsanordnung zur elektronischen Sicherung eines Lastkreises - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum automatischen Schutz eines Transistors gegen Überlastung, der von einer Oszillatorsclialtung mit gleichgerichteter Wechselspannung abwechselnd in.den leitenden und gesperrten Zustand gesteuert wird und eine an der Schaltstrecke anliegende Spannung im leitenden Zustand an die Ausgangslast diirchschaltet, indem durch eine Steuerspannung die Wechselspannung des Oszillators abwechselnd freigegeben oder gesperrt wird und dabei an einer ersten Übertragerwicklung die den Transistor steuernde Wechselspannung entsteht.

In der Nachrichtentechnik werden elektronische Schalter verwendet, die oft sehr niederohmig hohe Spannungen durchschalten. Dabei muß beachtet werden, daß die elektronischen Schalter durch zu große Ströme nicht überlastet werden, die bei Kurzschlüssen im Lastkreis oder durch an den Ausgang angelegte Fremdspannungen auftreten. Da in der Nachrichtentechnik in steigendem Maße raumsparende Bauelemente Anwendung finden, deren Überlastbarkeit niedrig ist, müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um diese Bauelemente vor der Zerstörung zu schützen. Bei einer bekannten Anordnung wird der Lastkreis mit Hilfe einer thermischen oder elektronischen Sicherung aufgetrennt. Nach dem Verschwinden der Störung kann sich jedoch die Schaltung nicht wieder selbsttätig in den Betriebszustand stellen. Die Verwendung magnetischer Schutzschalter im Lastkreis ist ebenfalls nicht günstig, da diese zu träge sind. Eine Strombegrenzung durch Widerstände oder Sicherungslampen scheidet aus, da dann der Vorteil des niedrigen Innenwiderstandes Cz^ Schaltelementes verlorengeht. Außerdem wäre bei hohen Betriebsspannungen die von den Schutzelementen aufzunehmende Leistung so groß, daß die entstehende Wärme nur sehr schwer abzuführen ist.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 084 82.0) mit einem Begrenzungstransistor und einem parallelgeschalteten ÄC-Glied. Bei einem Kurzschluß steigt die Spannung am i?C-Glied an, und bei einem bestimmten Wert kippt eine bistabile Kippschaltung um und sperrt den Stabilisierungstransistor, so daß der Kurzschlußstrom abgeschaltet ist. Aus dieser Lage kehrt jedoch die Kurzschlußschaltung nicht mehr selbsttätig in die Eingangslage zurück. Es muß von Hand ein Kontakt betätigt werden, der bewirkt, daß die Kippschaltung wieder in die Eingangslage zurückkippt und Spannung an die Ausgangslast gelangt. ' .

Es ist weiterhin eine Überspannungsschutzeinrichtung für einen Verbraucherkreis mit Transistoren bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 097 539), der mit Überspannungen gespeist wird. Diese Anordnung enthält einen auf Überspannungen ansprechenden Kreis, der zwischen der Spannungsquelle und dem . Verbraucherkreis liegt und so geschaltet ist, daß er normalerweise voll leitend ist, bei Überspannung in der Spannungsquelle jedoch nicht leitend wird. Die Schaltung unterbricht den Strom durch den Lastwiderstand. Eine Begrenzung auf einen bestimmten Stromwert ist nicht möglich. Die Anordnung spricht auch auf kurzzeitige Stromspitzen an, die kapazitiv oder induktiv in den Lastkreis gelangen und die den Ausgangstransistor nicht gefährden würden. Die Schutzschaltung besitzt eine Trägheit beim Ansprechen, da sie nicht entsprechend niederohmig die Spannungsquelle an die Ausgangslast durchschaltet. Die verwendeten Vorwiderstände sind hochohmig, so daß ein erhöhter Innenwiderstand des Ausgangstransistors und damit verbunden eine hohe Leistungsaufnahme besteht. .' .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Überstromsicherung anzugeben, die einen elektronischen Schalter, der niederohmig eine Spannung an die Belastung schaltet, vor der Zerstörung bei Kurz-

ίο schluß oder bei ausgangsseitigem Anlegen von Fremdspannungen schützt. Durch den Einsatz elektronischer Bauelemente soll ein sicheres, schnelles Abschalten eines Überstromes gewährleistet sein, so daß keine Beschädigung des Schalters eintritt. Dabei soll der elektronische Schalter bei Überstrombelastung . in einer Zeit unter 50 μβ abgeschaltet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß in Serie mit der Schaltstrecke des zu schützenden Transistors ein Widerstand mit sehr kleinem Widerstandswert in an sich bekannter Weise eingeschaltet ist, daß der Spannungsabfall an.dem Widerstand am Steuereingang eines elektronischen Schalters anliegt, dessen Schaltstrecke parallel zu einer Gleichrichteranordnung liegt, die eine vom Oszillator über eine zweite Wicklung abgegebene Wechselspannung gleichrichtet, so daß eine Dämpfung bzw.. Unterdrückung der Oszillatorschwingung eintritt.

Fließt in einem Lastkreis durch eine Fehlschaltung ein zu hoher Stroni, so wird dieser durch eine elektronische Einrichtung unterbrochen. An einem niederohmigen Hilfswiderstand im Lastkreis wird eine Spannung abgenommen, die einen elektronischen Schalter steuert. Beim Überschreiten eines bestimmten Spannungswertes wird der elektronische Schalter leitend und beeinflußt die Steuerspannung, beispielsweise eines Schalttransistors, derart, daß er sie teilweise oder vollständig kurzschließt. Im ersteren Fall wird der Strom durch den Schalttransistor auf einen zulässigen Wert begrenzt, während im zweiten Fall der Schalttransistor gesperrt wird, so daß die durchschaltende Spannung von den Ausgangsklemmen abgetrennt ist. Erfolgt die Ansteuerung des Schalttransistors mit gleichgerichteter Wechselspannung, so läßt sich eine Sperrung durch Kurzschluß der Sekun-, därwicklung eines gemeinsamen Übertragers erreichen. Durch die induktive Kopplung kann die Sicherungseinrichtung vom Schalttransistor getrennt • und an jeder beliebigen Stelle des Lastkreises eingeschaltet werden. Der Ansprechstrom der Sicherung läßt sich auf sehr einfache Weise einstellen. Zusätzliche Bauelemente verhindern, daß die Schaltung auf kurzfristige Stromspitzen anspricht, die durch eine kapazitive Komponente im Lastkreis hervorgerufen werden. Einzelheiten der Erfindung werden an Hand zweier vorteilhafter Ausführungsbeispiele, die in den Figuren dargestellt sind, erläutert.

Fig. 1 zeigt eine elektronische Tastschaltung mit der erfindungsgemäßen Sicherungseinrichtung,, die eine Überstromabschaltung durchführt;

F i g. 2 zeigt eine elektronische Tastschaltung mit der erfindungsgemäßen Sicherungseinrichtung, die eine Überstrombegrenzung ermöglicht.

In F i g. 1 ist eine elektronische Tastschaltung dargestellt, die durch ein Eingangssignal mit zwei verschiedenen Spannungs- oder Stromzuständen gesteuert wird. Das am Eingang E angelegte Steuersignal wird durch den Tiefpaß TP abgeflacht und den beiden Sperrwandlern SPl und SP 2 zugeführt. Je

nachdem, ob ein positives oder negatives Potential schaltet; ist der Kurzschluß oder die am Ausgang angelegt ist, wird der eine Sperrwandler SP 2 oder auftretende Fremdspannung noch vorhanden, so wird der andere Sperrwandler 5Pl schwingen. Es kann der Laststromkreis in der oben beschriebenen Art somit jeweils nur ein Sperrwandler schwingen. Jeder ; und Weise wieder unterbrochen. Da die Überstrom-Sperrwandler besitzt zwei Ausgangswicklungen 1 5 abschaltung in einer Zeit von etwa 20 μβ erfolgt, ist und 2, an der im schwingenden Zustand eine Wech- die vom Schalttransistor aufzunehmende Energie so selspannung auftritt. Die an der Wicklung 1 auf- gering, daß keine unzulässige Erwärmung auftritt, tretende Wechselspannung wird gleichgerichtet, ge- Schließt man an die Ausgangsklemmen A eine Besiebt und dem dazugehörigen Schalttransistor Tl ' lastung mit einer kapazitiven Komponente, so lassen bzw. T 2 zugeführt, der die Spannung U an den Aus- io die Ladeströme der kapazitiven Belastung die Übergang-4 durchschaltet. Der Schalttransistor Γ1 schal- Stromauslösung ansprechen. Durch ein Abflachglied,, tet ins leitenden Zustand den negativen Pol (—17) das aus einem Widerstand·/?3 und einem"KondensaderSpannung an den Ausgang, während der Schalt- tor Cl besteht, wird eine Abflachung der Impulse transistor Γ2 den positiven Pol (+U) der Spannung erreicht, so daß der Thyristor TyI erst bei langer an den Ausgang/ί schaltet; die Mitte der Spannungs- 15 dauernden Stromimpulsen zündet. Die Ladeimpulse quelle U liegt an Erde. Jeder dieser beiden Schalt- sind jedoch bei großer kapazitiver Last, beispielstransistoren wird durch die erfindungsgemäße Siehe- weise bei einem langen Kabel, so lang, daß bei Kurzrungseinrichtung vor Zerstörung geschützt. Durch Schluß des Lastkreises der Schalttransistor überlastet den Tiefpaß TP wird erreicht, daß die beiden Sperr- wird, wenn die Ansprechverzögerung der Überwandler 5Pl und 5P2 eine zeitliche Verzögerung 20 wachung entsprechend groß gewählt wird. Deshalb zwischen Stoppen des einen und Starten des anderen wird mit dem Verzögerungsglied R3, C2 nur eine aufweisen. Dieser Umstand gewährleistet, daß bei der kleine Zeitverzögerung eingestellt. Die Schutzeinrich-Umschaltung des einen Schalttransistors vom leiten- tung prüft aber grundsätzlich, ob an den Ausgangsden in den gesperrten Zustand und des anderen klemmen ein Kurzschluß vorliegt. Ist dies der Fall, Schalttransistors vom gesperrten in den leitenden 25 so spricht die Sicherungseinrichtung mit der gegebe-Zustand die beiden Schalttransistoren nicht gleich- nen Verzögerungszeit an und der Thyristor zündet, zeitig leitend sind und einen Kurzschluß der Span- liegt jedoch kein Kurzschluß vor, so wird die Übernungsquelle U verursachen. wachungseinrichtung für die Dauer des Stromimpul-Befindet sich der Sperrwandler SP1 im Schwing- ses blockiert, d. h. die Zündstrecke des Thyristors zustand, so wird mit der an der Wicklung 1 des Über- 30 TyI gesperrt. Diese Wirkung wird durch einen kapatragers.ÜI abgenommenen und gleichgerichteten Wech- zitiven Spannungsteiler erreicht, der aus dem Verselspannung der Schalttransistor Γ1 leitend gesteuert. zögerungskondensator C2 und dem Kondensator C 4 Über die Schaltstrecke des Transistors fließt bei an- besteht und über die Widerstände R 3 und R1 pargeschlossener Belastung an den Klemmen A ein zu- allel an den Ausgangsklemmen A liegt. Bei einem lässiger Belastungsstrom. In Serie mit der Schalt- 35 Polaritätswechsel erhält die Zündstrecke des Thystrecke des Transistoren Hegt im Lastkreis ein ristorsTy 1 entsprechend dem Verhältnis der beiden niederohmiger Hilfswiderstand Al — der Wider-· Kapazitätswerte den am KondensatorC2 abfallenden standswert beträgt 1 bis 2 Ohm —, an dem ein Span- TeU der Ausgangsspannungsänderung als Sperrspannungsabfall auftritt, der parallel zur Zündstrecke des nung, so daß im Augenblick des Polaritätswechsels Thyristors TyI liegt. Dieser Spannungsabfall vermag 4° kein Ansprechen des Thyristors und damit des Überden Thyristor nicht zu zünden, solange der vor- Stromschutzes möglich ist. Solange der Sparinungsbestimmte Laststrom fließt. Parallel zur Schaltstrecke sprung an den Ausgangsklemmen A andauert, zündet des Thyristors JyI liegt eine Gleichspannung, die der Thyristor TyI nicht. Da bei einem Kurzschluß dadurch entsteht, daß vom Übertrager UI an einer an den Ausgangsklemmen/1 jedoch keine Spannung weiteren Ausgangswicklung 2 eine Spannung abge- 45 anliegt, fehlt die Sperrspannung für die Zündnommen wird, die gleichgerichtet und gesiebt wurde. elektrode des Thyristors, und der Thyristor zündet Solange der Thyristor nicht gezündet ist, bleibt die mit der kurzen Verzögerung. Somit ist auch ein Spannung an der Anoden-Kathoden-Strecke bestehen. sicherer Betrieb bei kapazitiver Belastung an den Bei Überschreiten des höchstzulässigen Laststromes Ausgangsklemmen gegeben.

ist der Spannungsabfall am Hilfswiderständ R1 so 50 Befindet sich der Sperrwandler SP 2 im Schwinggroß, daß der Thyristor zündet und die Anoden- zustand, so wird der Transistor Γ2 durchgeschaltet, Kathoden-Strecke leitet. Die an der Schaltstrecke lie- und die Schutzeinrichtung mit dem Thyristor Tv 2 gende Gleichspannung bricht zusammen und damit arbeitet analog zu der beim Schalttransistor Tl erauch die von der Wicklung 2 abgegebene Wechsel- läuterten Einrichtung. .
spannung. Der Sperrwandler wird bedämpft und da- 55 Die in Serie mit den Schaltstrecken angeordneten durch auch die an der Wicklung 1 abgegebene Span- Dioden Dl und D2 sollen die Schalttransistoren danung erniedrigt. Damit erniedrigt sich auch die vor schützen, daß sie im gesperrten Zustand beim Gleichspannung, die bisher den Ausgangstransistor Auftreten von Störimpulsen an den Ausgangsklem-Tl leitend gesteuert hat, so daß dessen Basis- men überlastet werden; die Dioden können auch Schwellspannung weit unterschritten wird. Der Schalt- 60 parallel zur Schaltstrecke der Transistoren liegen, transistor Tl schaltet ab und unterbricht den Strom- Fig. 2 zeigt die gleiche Tastschaltung wie Fig. 1, fluß im Lastkreis. Der Sperrwandler arbeitet jedoch wobei die erfindungsgemäße Sicherungseinrichtung weiter, indem er jetzt seine Energie an den Thyristor den Laststrom auf einen bestimmten Wert begrenzt, abgibt. Dieser Zustand bleibt so lange bestehen, bis Geschützt werden in dieser Schaltungsanordnung wie der Sperrwandler5Pl zu schwingen aufhört und der 65 in Fig. 1 die beiden Schalttransistoren Tl und T2. Thyristor TyI dadurch löscht. Beim erneuten An- An Stelle der Thyristoren TyI und Ty2 in Fig. 2 schwingen des Sperrwandlers SP1 wird der Schalt- werden in dieser Schaltungsanordnung die Transistotransistor Tl wieder in den leitenden Zustand ge- ren T3 und TA verwendet.

Befindet sich der Sperrwandler SP1 im Schwingzustand, so wird an der Wicklung 1 des Übertragers Vl eine Wechselspannung abgenommen, die gleichgerichtet und gesiebt wird und als Steuersignal für den Schalttransistor Tl wirkt. Der Transistor Tl wird dadurch leitend gesteuert und die Spannungspolarität — U an die Ausgangsklemmen A geschaltet. Es fließt der bei der vorbestimmten Last zulässige Laststrom. Am Hilfswiderstand Al entsteht ein Spannungsabfall, der dem Überwachungstransistor T3 zugeführt wird. Dem-Transistor Γ 3 wird einerseits eine laststromabhängige Komponente, andererseits eine ausgangsspannungsabhängige Komponente zugeführt. Der laststromabhängige Spannungsabfall am Hilfswiderstand Rl steuert den Transistor Γ3 leitend, während die ausgangsspannungsabhängige Komponente den Transistor sperrt. Die ausgangsspannungsabhängige Komponente wird an einem Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R'5 und R 3, abgenommen, der über die Diode D S und den Hilfswiderstand R1 an den Ausgangsklemmen A liegt. Dabei liegt die Spannung an Widerstand R 3 in Serie mit der Spannung am Hilfswiderstand R1, so daß die Differenz dieser beiden Spannungsabfälle den Überwachungstransistor Γ3 steuert. Bei einem Kurzschluß an den Ausgangsklemmen A vermag deshalb schon ein kleiner Ausgangsstrom, wegen aufgehobener Sperrwirkung der Ausgangsspannung, den Transistor T 3 leitend zu steuern. Der leitende Überwachungstransistor bedämpft mit seiner Basis-Kollektor-Strecke den SperrwandlerSPl, wodurch sich auch die Steuerspannung für den Schalttransistor Γ1 verringert. Der Lastkreis wird dabei jedoch nicht völlig unterbrochen, sondern es bleibt ein geringer Kurzschlußstrom bestehen. Nach dem Wegfall des Kurzschlusses oder einer am Ausgang anliegenden Fremdspannung liegt am Überwachungstransistor wieder Sperrspannung, und die Schaltung ist voll betriebsfähig.

Um bei dieser Schaltung ein Ansprechen der Überwachung bei kapazitiven Ladeströmen zu verhindern, ist der Spannungsteiler für die Sperrspannung durch einen kleinen Kondensator C 4 mit dem Spannungspol — U verbunden. Da dieser in der Sperrphase des zugehörigen Schalttransistors auf die volle Spannung U aufgeladen ist, liefert er für den Überwachungstransistor T3 bei Polaritätswcchsel eine erhöhte Sperrspannung. Die Umladung der Lastkapazität kann so ungestört in kurzer Zeit erfolgen, da die Überwachungsschaltung zum Umladezeitpunkt nicht anspricht. So ist hier auch ein sicherer Betrieb an einer kapazitiven Last gewährleistet. ■ ■ ·.

Die Diode D 3 soll die Schwellspannung der Basis-Emitter-Diode und den Temperaturgang des Transistors T3 kompensieren, und die Diode D 7 schützt den Transistor vor zu hoher Sperrspannung. Die Diode Dl schützt den Transistor 71 im gesperrten Zustand vor Spannungsspitzen, die an den Ausgangsklemmen auftreten und den Transistor leitend steuern wurden; die Diode, kann auch parallel zur Schaltstreckc des Transistors Tl liegen.

Die dem Schalttransistor T2 zugeteilte Sicherungseinrichtung mit dem ÜberwachungstransistorT4 arbeitet analog wie die oben beschriebene Einrichtung.

Claims (11)

65 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum automatischen Schutz eines Transistors gegen Überlastung, der von einer Oszillatorschaltung mit gleichgerichteter Wechselspannung abwechselnd in den leitenden und gesperrten Zustand gesteuert wird und eine an der Schaltstrecke anliegende Spannung im leitenden Zustand an die Ausgangslast durchschaltet, indem durch eine Steuerspannung die Wechselspannung des Oszillators abwechselnd freigegeben oder gesperrt wird und dabei an einer ersten Übertragerwicklung die den Transistor -steuernde Wechselspannung entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit der Schaltstrecke des zu schützenden Transistors (Tl bzw. Tl) ein Widerstand (Al) mit sehr kleinem Widerstandswert in an sich bekannter Weise eingeschaltet ist, daß der Spannungsabfall an dem Widerstand am Steuereingang eines elektronischen Schalters (TyI bzw. Ty 2, Γ 3 bzw. Γ 4) anliegt, dessen Schaltstrecke parallel zu einer Gleichrichterschaltung liegt, die eine vom Oszillator über eine zweite Wicklung (2) abgegebene Wechselspannung gleichrichtet, so daß eine Dämpfung bzw. Unterdrückung der Oszillatorschwingung eintritt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung des ersten elektronischen Schalters durch weitere Schalteinrichtungen begrenzt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter elektrönischer Schalter ein Thyristor angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Widerstand (Rl) ein Verzögerungsglied angeordnet ist und daß der Ausgang des Verzögerungsgliedes parallel zur Zündstrecke des Thyristors liegt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsglied ein ÄC-GIied (R3, Rl bzw. R4, C3) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein kapazitiver Spannungsteiler (C 1, CA bzw. C3, C5) angeordnet ist,, der über einen Widerstand (R 1) und das Verzögerungsglied parallel zu den Ausgangsklemmen (A) liegt, wobei ein Kondensator (Cl bzw. C 3) parallel zur Zündstrecke des Thyristors liegt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,'da-. durch gekennzeichnet, daß als zweiter elektronischer Schalter ein Transistor angeordnet ist, daß zwischen der Steuerelektrode des Transistors und dem Hilfswiderstand (Rl) ein Widerstand (R 3) eingeschaltet ist und daß am Verbindungspunkt der Steuerelektrode und des Widerstandes (R 3) ein weiterer Widerstand (RS) über eine Diode (D 5), die wie die Basis-Emitter-Diode des Transsistors (T 3) gepolt ist, mit einer der Ausgangsklemmen (A) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstandes (R S) und der Diode (D 5) ein Kondensator (C 4) gegen den vom Schalttransistor durchzuschaltenden Spannungspol (— U) angeordnet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß antiparallel zur Basis-Emitter-Diode des Transistors (T 3) eine Diode (D 7) liegt und daß zwischen den beiden Wider-

ständen (R 1, R3) in Serie mit der Schaltstrecke des ersten elektronischen Schalters (Tl) eine Diode (D3) eingeschaltet ist, die wie die Basis-Emitter-Diode des Transistors (T 3) gepolt ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit der Schaltstrecke des Transistors (Jl) eine Diode

(Dl), die die gleiche Polung wie die Basis-Emitter-Diode des Transistors (Tl) aufweist, angeschlossen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (Dl) parallel zur Schaltstrecke des Transistors (Tl) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109641/142