DE1638140B2 - Schaltungsanordnung zur selbsttaetigen kurzschluss- und ueberstromabschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Kurzschluß- und Überstromabschallung von elektrischen Verbrauchern, bei der zwischen einem Pol der Betriebsspannungsquelle und einem Anschluß des Verbrauchers ein Meßwiderstand und die Kollektor-Emitterstrecke eines ;tls Abschaltmittel dienenden Schaltlransistors in Reihe geschaltet sind und bei der ein Steuertransistor vorgesehen ist, dessen Kollcktor-Emitterstrecke der Emiller-Basisstrecke des Schalttransistors parallel geschaltet ist.

Zum Schutz elektronisch geregelter Netzgeräte gegen Überlastung und Kurzschluß ist es im allgemeinen nicht möglich, Schmelzsicherungen zu verwenden. Der Grund dafür ist vor allem die verhältnismäßig lange Abschaltzeit, die zudem von der Größe des Überstromes stark abhängig ist. Dieses bewirkt, daß bei Stromversorgungsgeräten ein einwandfreies Abschalten eines Verbrauchers, der einen Überstrom auslöst, ohne kritischen Spannungseinbruch für parallelliegende Verbraucher nicht gewährleistet ist. Eine Verkürzung der Abschaltzeiten kann nur durch Verwendung von Schmelzsicherungen mit unzulässig hohem Innenwiderstand erreicht werden. Als weitere Nachteile sind die starke Streuung der Abschaltströme und die Vorratshaltung von Ersatzsicherungen anzusehen. Bei der Dimensionierung von

ίο Schaltreglern für Stromversorgungsgeräte mit hohen Schaltfrequenzen muß zum Abschmelzen der einzelnen Verbrauchersicherungen ein großer Kondensator als Energiespeicher am Ausgang des Stromversorgungsgerätes zur Verfügung stehen, damit die erhöhte

Abschaltenergie nicht dem Stromversorgungsgerät entnommen wird. Andernfalls würde die Strombegrenzung ansprechen und dadurch die Spannungsversoigung der parallelliegenden Verbraucher gefährden. Dazu sind je nach Sicherungsgröße verhält-

nismäßig sehr große Kapazitäten erforderlich, die in

dieser Größe für die Siebung nicht benötigt werden.

Es sind bereits verschiedene als elektronische

Sicherung arbeitende Schutzschaltungsanordnungen bekannt, die gegenüber den Schmelzsicherungen Vorteile aufweisen. Eine dieser Schaltungsanordnungen verwendet im Laststromkreis einen Strombegrenzungstransistor, der so gesteuert wird, daß der Laststrom einen vorgeschriebenen Wert nicht überschreiten kann. Ein Nachteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß bei einem fortdauernden Kurzschluß der Begrenzungstransistor überlastet wird. In diesem Fall ist es daher erforderlich, den Laststromkreis z. B. durch eine Schmelzsicherung mit träger Ansprechcharakteristik zu unterbrechen. Um auch hier die Verwendung einer Schmelzsicherung zu umgehen, ist es bereits bekannt, bei Kurzschluß mittels einer als bistabile Flip-Flop-Schaltungsanordnun» ausgebildeten Steuerschaltungsanordnung einen ebenfalls im Laststromkreis befindlichen Stabilisicrungstransistor zu sperren und damit den Kurzschlußstrom zu unterbrechen. Der Aufwand, den diese Schutzschaltungsanordnung erfordert, ist verhältnismäßig groß und verbietet daher die Anwendung wenigstens in einfacheren Stromversorgungsgeräten (S.W. Wag-η er: Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte, R. v. Decker's Verlag G. Schenck. Hamburg 1964, S. 475, Bild 7.2/44).

Eine andere aufwendige Schutzschaltungsanordnung arbeitet mit einer Tunneldiode und einer sogenannten Rückwärtsdiode, die in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an einem vom Laststrom durchflossenen Meßwiderstand über einen Transistorverstärker unter Verwendung eines Relais oder eines Schalttransistors als Abschaltmittel den Laststromkreis bei Überstrom unterbrechen (deutsche Auslege schrift 1 253 760).

Es ist außerdem eine Anordnung zur selbsttätigen Abschaltung der Betriebsspannung bei schädlichen Überlastungen bekannt, die einen als Abschaltmiltel dienenden Schalttransistor und einen Steucrtransistor verwendet, dessen Emitter-Kollektorstrecke der Steuerstrecke des SchalUransistor parallel geschaltet ist. Bei langsamem Stromanstieg verläßt der Schalttransistor im Überstromfall den Sättigungsbereich und nimmt Spannung auf, bevor die Sperrung eintritt. Wenn die Abschaltung nur bei schnellem Stromanstieg ausgelöst werden soll, ist in die Emitterleitung des Schaltlransistors eine Drosselspule ein-

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oeschaltet. Auch in dieser abgewandelten Schaltungs- Meßwiderstand Λ1 und der Emitter-Kollektorstrecke anordnung bleibt der Schalttransistor im über- eines npn-Schalttransistors TsL wobei der Kollektor stromfall zunächst im Bereich der Verlustspannung. den Ausgang der Schaltungsanordnung bildet. Über Bei weiter ansteigendem Strom erfolgt die Stromkraft seinen Basiswiderstand R 2 ist die Basis des Schaltder Sperrung erst dann, wenn der Schalttransistor 5 transistors Ts 1 mit dem positiven Pol der Schaltun^sden SSttiüimgsbereich verlassen hat. Der Nachteil bei anordnung verbunden. Der Kollektor des npn-Steuerdieser Schaltungsanordnung begeht darin, daß der transistors TsI ist mit der Basis des Schalttransistors Schalttransistor Leistung aufnehmen muß, die zu TsI und dessen Emitter mit dem eingangsseitigen einer unerwünschten Erwärmung führt (deutsche Ende des Meßwiderstandes R1 verbunden. Die Basis Auslegeschrift 1 109 258). io des Steuertransistors TsI liegt über einen Widerstand

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Λ 3 am Kollektor des Schalttransistors Ts 1, so daß verbesserte betriebssichere Schaltungsanordnung zur sich im Steuerkreis des Steuertransistors Ts2 außer Kurzschluß- und Überstromabschaltung anzugeben, dem Widerstand R3 die Emitter-Kollektorstrecke des bei der die Leistungsverluste im Schalttransistor da- Schalttransistors TsI und der Meßwiderstand R1 bedurch klein gehalten werden, daß dieser vom Sätti- 15 finden. Parallel zur Emitter-Basisstrecke des Steuerounnszustanci unmittelbar in der. gesperrten Zustand transistors Ts 2 ist über einen Schalter T ein Kondenüber«cht. sator C geschaltet, der durch Betätigung des Schal-

ofcse Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch ters T an einen Entladewiderstand R4 gelegt werden gelöst, '.iaß der Basisstrom des Schalttransisiors so kann. Der an den Ausgang A anzuschließende Veibemessen ist. daß dieser bei lancsam und bei schnell 20 braucher ist durch einen Kondensator Q und einen anstehendem Überstrom mindestens bis zum Ab- Widerstand R_L in Parallelschaltung angedeutet. schalK.ivm im Zustand der Sättigung gehalten wird Zur Wirkungsweise der Schaltungsanordnung wird

und daß der Basis-Emitterstrecke des Steuertran- folgendes ausgeführt: Es wird davon ausgegangen, sistors. die über einen Widerstand direkt an die daß der Schalttransistor Ts 1 im Sättigungsbereich Reihenschaltung des Meßwiderstandes und der KoI- 25 arbeitet, also leitend gesteuert ist. Sein Kollcktorlektor-Fmitterstrecke des Schalttransistors, und zwar strom ist dann gleich dem Verbraucherstrom. Der an der Verbraucherseite, angeschlossen ist, ein Kon- erforderliche Basisstrom (ließt über den Basiswiderdensatnr über einen Schalter parallel iieschaltet ist stand R 2 und seine Basis-Emittcr-Diodc. Bei erhoh- und daß ferner der Kondensator in einer zweiten tem Verbraucherstrom entsteht am Meßwiderstand Kl Schaustellung des Schalters an einen Entladewidcr- 3" ein erhöhter Spannungsabfall, der in Verbindung mit stand anschaitbar ist, der an die Betriebsspannung- der Sättigungsspannung am Schalttransistor Ts ίdie scitc der Reihenschaltung aus Meßwiderstand und Basis-Emittcr-Schwellc des Steuertransistors Is-Kollektor-Emittcrstrccke des Schaittransislors anuc- überschreitet und den Steuertransistor TsI durchflossen ist. " schaltet. Damit wird plötzlich der Basisstrom des

Die Einschaltspannung für den Steuertransistor 35 Schalttransistors TsI über den Steuertransistor 7.y2 setzt sich additiv aus dem vom Laststrom abhängigen abgeleitet, so daß der Schalttransistor Ts 1 sprungnalt veränderbaren Spannungsabfall am Meßwiderstand sperrt. Der zur Aufrechterhaltung dieses Zustandes und der Sältigungsspannunn am Schaltlransistor zu- erforderliche Haltebasisstrom des Steucrtransistois sammen. Bei richtiger Bemessung des Basiswider- Ti 2 wird über den Widerstand R 3 von der Betriebsstandes des Schalttransistors wird erreicht, daß der 4" spannungsvolle nachgeliefert.

Schalltransistor auch bei Verminderung seiner Schalt- Nach Aufhebung eines Kurzschluß- oder Ubci-

stromvcrstärkiing im Kurzschluß-oder Übcrstromfall siromcs kann der Schalttransistor TsI durch den an seiner Emitter-Kollektorstrecke keine über tue Schalter T wieder leitend gemacht werden. Durch Sättinuniisspannum» anwachsende Spannung aufneh- Betätigung des Schallers 7 wird der Kondensate» t ΓηειΓηπϊβ und daher keiner kritischen Überlastung 45 über den Widerstand «4 entladen. Sobad der Schaausgesetzt isl ter T in seine Ausgangsstellung zurückgekehrt ist,

Fin besonderer Vorteil der c-findungsgcmäßeii wird der Kondensator C wieder zwischen Emitter Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Wieder- und Basis des Steucrtransistois 7*2_ angelegt. v, <uicinschaltung auch bei kapazitiver Belastung möalich rend des Aufladevorgangs des Kondensators ist el ei ist voraus.'csel/t. daß im normalen Lastbereich die 5» Sleucrtransislor 7.v2 geperrt. Hat sich in diesel /.eil Aufladezeit dieses Kondensators über den Basiswider- ein normaler Betriebszustand eingestellt (normalei stand des Stcucrtransistors so groß bemessen ist. daß l.aststrom). bleibt der Sieucrlransistor TsZ weiterhin des Ladestrom des am Ausgang der Schallungsanord- im nichtleitenden Zustand, da sich am Kondensator nun» Heuenden, die kapazitive Belastung bildenden eine unterhalb der Schwellcnspannung des ^eiier-Kondciisators bei einem Einschalt- oder Wieder- 55 transistors Ts2 hegende Spannung eingestellt hat cinschiillvori'üim die Kur/.schluß- und Überstrom- Der Strom durch den Widerstand R- HiClM jetzt abschaltung nicht auslöst. Nach vorüberuehendem wieder über die Basis-fimittcrstrcckc ces Sciiai-Ausfall der r.in«aniisspaniHiim stellt sich der nomrile transistors V.v 1 und halt diesen im leitenden /Aislanci. Betriebszustand"selbsttätig wieder ein. Weist der Lastslrom eine große kapazitive Kompo-

Weitere Einzelheiten der I^:.dindung werden an 6., nenn.· auf, dann ist der kondensator C so zu nc-I land eines in der Fimir dargestellten ^Ausführunus messen, daß der beim Einschalten entstehende starke beispieis näher beschrieben. Ladestrom im wesentlichen abgeklungen ist, bevor

Während eine der Eingangsklemmeii. an denen die der Ladevorgang des Kondensator C im Meueikieis BetriebsspaiiiHiimsiiuelle^neeschaltet wird, zum Aus- des Steuerlransistors 7v2 beendet ist uane/J widerstandslos durchschallet isl. befindet 65 Der MeBwidersland K 1 ist so zu dimensionieren. sich" im anderen I.änuszweic' der als elektronische daß dessen Spannungsabfall beim Abschaltlaststrom Sicherung arbeitendcir KurzschluC, und Überstrom- einschließlich der dazugehörigen Satt.gungsspanninig schaltunosanordiHinti die Reihcnschalluna aus einem am Schalttransistor Ts i über den Widerstand Ki

einen Strom zur Folge hat, der den Steuertransistor 7.S-2 leitend steuert. Der Basiswiderstand RZ bestimmt den Basisstrom des Schalttransislors Ts 1. Er berechnet sich aus

Rl =

U-B
Tl"

Darin bedeuten U = Eingangsspannung, B = Schaltstromverstärkung des Schalttransistors TsI und J₁ = Abschaltlaststrom, bei dem die Schaltungsanordnung ansprechen soll. Bei der Berechnung ist es vorteilhaft, nur etwa 7O°/o des J5-Wertes bei dem entsprechenden Laststrom einzusetzen. Es wird dadurch erreicht, daß bei einem über den Nennstrom ansteigenden Laststrom der Schalttransistor Ts 1 im Sättigungsbereich bleibt und daß zeitliche Verminderungen des ß-Wcrtes unwirksam bleiben. Der Widerstand/? 3 bestimmt den Basisstrom des Steuertransistors Ts 2.

Eine Signalisierung über den Schaltzustand dci Schaltungsanordnung kann z. B. über eine kleine Signallampe parallel zum Schalttransistor ΓλΊ oder über eine Signalleitung erfolgen, die am Ausgang angeschlossen wird. Die unbedeutende Temperaturabhängigkeit der Schaltungsanordnung kann durch

ίο eine entsprechende Ausführung des Meßwiderstandes Rl oder durch Parallelschalten eines temperaturabhängigen Widerstandes (z. B. Heißleiter) an einem Teilabgriff des Meßwiderstandes Rl kompensiert werden.

Bei umgekehrter Polarität der Eingangsspannung werden an Stelle der npn-Transistoren pnp-Transistoren verwendet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Kurzschluß- und Überstromabschaltung von elektrischen Verbrauchern, bei der zwischen einem Pol der Betriebsspannungsquelle und einem Anschluß des Verbrauchers ein Meßwiderstand und die Kollektor-Emitterstrecke eines als Abschaltmittel dienenden Schalttransistors in Reihe geschaltet sind und bei der ein Steuertransistor vorgesehen ist, dessen Kollektor-Emitterstrecke der Emitter-Basisstrecke des Schalttransistors parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom des Schalttransistors (TsI) so bemessen ist, daß dieser bei langsam und bei schnell ansteigendem Überstrom mindestens bis zum Abschaltlaststrom im Zustand der Sättigung gehalten wird, und daß der Basis-Emitterstrecke des Steuertransistors (7s2), die über einen Widerstand (R3) direkt an die Reihenschaltung des Meßwiderstandes (R 1) und der Kollektor-Emitterstrecke des Schalttransistors (Tsi), und zwar an der Verbraucherscite, angeschlossen ist, ein Kondensator (C) über einen Schaller (T) parallel geschaltet ist und daß ferner der Kondensator (C) in einer zweiten Schaltstellung des Schalters (T) an einen Entladewiderstand (A4) anschaltbar ist. der an die Betriebsspannungsseite der Reihenschaltung aus Meßwiderstand (Rl) und Kollektor-Emitterstrecke des Schalttransistors (Tsi) angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Kurzschluß- und Überstromabschaltung von elektrischen Verbrauchern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im normalen Lastbereich die Aufladezeit des Kondensators (C) über den Widerstand (R 3) des Steuertransistors (Ts2) bis zur Einschaltbereitschaft des Steuertransistors (Ti 2) so groß bemessen ist, daß der Ladestrom eines am Ausgang der Schaltungsanordnung liegenden Kondensators (C₁) bei einem Einschaltoder Wiedereinschaltvorgang die Überstromabschaltung nicht auslöst.