DE19634447A1 - Spannungsregler zur Unterdrückung starker Schwankungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler zur Unterdrückung starker Schwankungen einer Eingangsspannung an einem Ausgang. Für derartige Spannungsregler gibt es viel­ fältige Anwendungen, wobei unter starken Schwankungen hier Schwankungen der Größenordnung von 1 : 10 verstanden werden.

Schutzeinrichtungen gegen Fehlerströme in der Ausführung als Differenzstromschutzschalter oder als sogenannte DI-Zusätze benötigen als Bordnetzspannung in der Regel eine Gleichspan­ nung, die auf einem bestimmten Wert, beispielsweise 12 oder 24 V, bis auf 10 oder 20% genau einzuhalten ist. Diese Toleranz muß über den gesamten Bereich der auftretenden Netz­ spannungsschwankungen, Laststromschwankungen und Temperatur­ schwankungen eingehalten werden. Netzteile für Differenz­ stromschutzschalter, nachstehend auch DI-Schutzschalter genannt, und DI-Zusätze werden aus Zuverlässigkeitsgründen gern aus allen drei Außenleitern und dem Neutralleiter ver­ sorgt. Da auch die Auslösung bei lediglich zwei Außenleitern sichergestellt sein muß, auch bei Unterspannung, ergeben sich bei typischen Außenleiterbeschaltungen von 400 V bzw. 480 V sehr große Eingangsspannungsbereiche und damit verbunden Verlustleistungsprobleme. Bei Versorgung aus drei Außenleitern und dem Neutralleiter ergeben sich bei 480 V Außenleiter-Nennspannung bei 10% Überspannung am Ausgang einer Drehstrombrückenschaltung eine Spitzenspannung von 747 V_spitze, indessen sich bei Versorgung aus zwei Leitern mit 50 V eine Spitzenspannung von 71 V_spitze ergibt. Die zu erwar­ tenden Spannungen stehen in einem Verhältnis von 1 : 10. Da der Einsatz eines Glättungskondensators am Ausgang der Gleich­ richterschaltung aufgrund der hohen Spannungen in der Regel nicht in Betracht kommt, tritt andererseits bei einer Notver­ sorgung aus nur zwei Leitern eine pulsierende Gleichspannung auf, die insbesondere im Unterspannungsfall nur schwer auszu­ regeln ist. Die Stabilisierung durch Zenerdioden ist wegen der anfallenden hohen Verlustleistung bei großen Schwankungen der Eingangsspannung ungeeignet.

Zur Spannungsregelung werden allgemein auch Schaltungen auf der Basis des Emitterfolgers verwandt. Bei starken Schwan­ kungen der Eingangsspannung sind dann bipolare Transistoren mit hoher Kollektor-Emitter-Sperrspannung zu verwenden, die nur eine niedrige Stromverstärkung aufweisen. Eine niedrige Stromverstärkung ist bei einem großen Eingangs Spannungs­ bereich hinsichtlich des zur Verfügung zu stellenden Steuer­ leistungsbedarfs problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungs­ regler zur Unterdrückung starker Schwankungen einer Eingangs­ spannung an einem Ausgang zu entwickeln, der die geschilder­ ten Nachteile nicht aufweist.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt durch einen Spannungsregler nach Anspruch 1. Parallel zum Eingang ist einerseits ein spannungsgesteuerter Transistor geschaltet, der in Reihe mit einem Referenzelement und einem Ladespan­ nungssensor, nachstehend auch kurz Spannungssensor genannt, liegt und andererseits ein als Bypass dienendes Ventil, das in Reihe zu einem Widerstand angeordnet ist. Der Ladespan­ nungssensor erfaßt die Ladespannung des ausgangsseitigen Glättungskondensators. Das Bypass-Ventil ist über einen Widerstand mit dem Gate des spannungsgesteuerten Transistors verbunden. Der spannungsgesteuerte Transistor wird vorteil­ hafterweise mit hoher Drain Source-Spannung im Fall eines FETs oder hoher Kollektor-Emitter-Spannung bei einem IGBT gewählt. Der Spannungsregler weist den Vorteil einer leistungslosen Transistorsteuerung auf, es werden Eingangs­ spannungsschwankungen unterdrückt im Sinne einer "Line Regulation". Außerdem erfolgt eine gute Ausregelung von Laststromschwankungen im Sinne einer "Load Rejection". Im Anwendungsfall bei Differenzstromschutzschaltern lassen sich im Fehlerfall kurze Auslösezeiten realisieren und beim Wiedereinschalten des Schutzschalters erzielt man reduzierte Einschwingzeiten des Netzteils. Der Spannungsregler ist auch allgemein bei Auslöseeinrichtungen mit hohem Strombedarf, die im Auslösefall an Betriebsspannung gelegt werden, vorteilhaft.

Als spannungsgesteuerter Transistor kann ein FET oder ein IGBT dienen. Der Spannungssensor kann im einfachsten Fall ein Widerstand sein. Durch das Einschalten von Kondensatoren nach den Ansprüchen 5 und 6 können hochfrequente Störsignale abge­ leitet werden. Die Beschaltung mit einem Kondensator nach Anspruch 5 ergibt elektromagnetische Verträglichkeit, EMV-Festigkeit, hinsichtlich leitungsgebundener und auch hin­ sichtlich nicht an Leitungen gebundener Störeinflüsse.

Auf weitere vorteilhafte Beschaltungen beziehen sich die Ansprüche 7 bis 10.

Es ist besonders vorteilhaft, den Spannungsregler in einem Netzteil für Differenzstromschutzschalter sowie für Zusätze von Differenzstromschutzschaltern einzusetzen.

Die Erfindung soll nun anhand eines in der Zeichnung grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist eine Schaltung als Ausführungsbeispiel für den Spannungsregler wiedergegeben, wobei auch Ausgestaltungen veranschaulicht sind.

In Fig. 2 ist ein Anwendungsbeispiel für den Spannungsregler dargestellt.

Der Spannungsregler nach Fig. 1 weist parallel zu seinem Ein­ gang 1 einen spannungsgesteuerten Transistor 2 auf, im Aus­ führungsbeispiel ein MOS FET. In Reihe mit dem Spannungs­ gesteuerten Transistor 2 ist ein Referenzelement 3, im Aus­ führungsbeispiel eine Zenerdiode, und ein Ladespannungssensor bzw. Spannungssensor 4, im Ausführungsbeispiel ein Wider­ stand, geschaltet. Parallel zum Eingang 1 ist weiter ein Ventil 5 geschaltet, das als gesteuerter Bypass zum Referenz­ element 3 und zum Spannungssensor 4 dient. Das Bypass-Ventil 5, im Ausführungsbeispiel ein leistungsarmer Bipolartransis­ tor, liegt in Reihe zu einem Widerstand 6, wobei das Bypass-Ventil 5 über einen Widerstand 7 mit dem Gate 8 des span­ nungsgesteuerten Transistors 2 verbunden ist. Wenn der spannungsgesteuerte Transistor 2 nicht als FET mit Source 9 und Drain 10 ausgeführt ist, sondern als IGBT, tritt an die Stelle von Source 9 der Emitter und an die Stelle von Drain 10 der Kollektor. Der jeweilige Anschluß für das Gate 8 bleibt unverändert.

Vom spannungsgesteuerten Transistor 2 ist von seinem Gate 8 der Wirkung nach zu einer negativen Schaltungsbasis 11 ein Kondensator 12 als Entstörkondensator eingeschaltet, wodurch elektromagnetische Verträglichkeit, EMV, hinsichtlich lei­ tungsgebundener und hinsichtlich nicht an Leitungen gebundene Störeinflüsse erzielt wird.

Zum Ventil 5 an seiner Basis und zur Reihenschaltung aus Referenzelement 3 und Stromsensor 4 besteht zwischen diesen eine Verbindung mit einem Widerstand 13, wobei zwischen dieser Verbindung und der negativen Schaltungsbasis 11 ein Kondensator 14 als allgemeiner Entstörkondensator geschaltet ist.

Am spannungsgesteuerten Transistor 2 ist zwischen seiner Source 9 und seinem Gate 8 eine Zenerdiode 15 geschaltet, die für Gate-Source-Spannung sorgt.

Am Ausgang 16 ist zwischen der Source 9 des spannungsgesteu­ erten Transistors 2 und der negativen Schaltungsbasis 11 ein Kondensator 17 als Glättungskondensator eingeschaltet.

An der Schaltung nach Fig. 1 steht am Eingang 1 die Eingangs­ spannung 19 und am Ausgang 16 die Ausgangsspannung 20 an. Es kann zweckmäßig sein, zwischen dem Widerstand 6 und der nega­ tiven Schaltungsbasis 11 eine weitere Zenerdiode 21 vorzu­ sehen.

Der Spannungsregler arbeitet wie folgt:
Beim Einschalten, wenn Eingangsspannung 19 angelegt wird, gelangt positives Potential über die Widerstände 6 und 7 an das Gate 8 des spannungsgesteuerten Transistors 2, so daß der Transistor 2 leitend wird. Die Zenerdiode 15, beispielsweise mit einer Zenerspannung von 15 V, begrenzt die Gate-Source-Spannung zum Schutz des Transistors 2. Erreicht die Ladespannung am Kondensator 17 die Ansprechspannung des Referenzelementes 3, setzt ein Stromfluß über den Spannungssensor 4 ein. Der Spannungsfall des als Widerstand ausgeführten Spannungssensors bewirkt, daß das als gesteuerter Bypass dienende Ventil 5 entsprechend geöffnet wird. Dadurch gelangt relativ negativeres Potential an den spannungsgesteuerten Transistor 2, so daß dieser stärker gesperrt wird. Es wird dadurch verhindert, daß die Spannung am Kondensator 17 über die Summe der Ansprechspannungen des Referenzelementes 3 und des Ventils 5 ansteigt. Die Ladespan­ nung des Kondensators 17 wird durch den Spannungssensor 4 erfaßt, und über das Ventil 5 wird die Leitfähigkeit des Regeltransistors 2 so gesteuert, daß die Spannung am Ausgang 20 praktisch konstant bleibt und Schwankungen am Eingang 1 nicht zum Ausgang 16 gelangen. Die Zenerdiode 21 dient als Schutzelement für das Bypass-Ventil 5. Sie schützt vor Über­ spannungen. Die Drain Source-Spannung bei einem FET bzw. der Kollektor-Emitter-Spannung bei einem IGBT als spannungsge­ steuerten Transistors 2 sollte unter Berücksichtigung der maximal möglichen Betriebsspannung am Eingang 1 ausgewählt werden. Vorteilhafterweise können vor dem Spannungsregler geläufige Schutzmaßnahmen gegen transiente Überspannungen vorgesehen werden. Die Drain-Source-Spannung bzw. die Kollektor-Emitter-Spannung kann dann hinsichtlich der maximal auftretenden Stoß-Ansprechspannung der Schutzschaltung unter Berücksichtigung der Bauteilezuverlässigkeit ausgewählt werden.

Wenn der Glättungskondensator 17 entladen ist, begrenzt die Zenerdiode 15 die Gate-Source-Spannung des spannungsgesteuer­ ten Transistors 2 beim Zuschalten der Eingangsspannung. Die Zenerspannung der Zenerdiode 15 ist daher so zu wählen, daß der maximal zulässige Spannungswert des spannungsgesteuerten Transistors 2 nicht überschritten wird. Durch den Spannungs­ fall an der Zenerdiode 15 wird der Transistor 2 leitend und der Kondensator 17 geladen. Eine eigene Ladestrombegrenzung für den Kondensator 17 ist dann nicht erforderlich, wenn übliche Schutzwiderstände vor einem dem Spannungsregler vor­ zuschaltenden Gleichrichter vorgesehen sind.

Die Ausgangsspannung 20 setzt sich zusammen aus dem Span­ nungsfall am Referenzelement 3 und aus der Basis-Emitter-Spannung des Ventils 5. Die Ausgangsspannung wird durch die Wahl des Referenzelementes festgelegt. Die Basis-Emitter-Spannung des Ventils 5 kann bei Betriebsspannungen größer als 12 V vernachlässigt werden. Wenn die Spannung am Kondensator 17 den Spannungsfall am Referenzelement 3 erreicht, fließt Strom über den spannungsgesteuerten Transistor 2, das Refe­ renzelement 3 und den Spannungssensor 4. Durch den Spannungs­ fall am Spannungssensor 4 wird das Ventil 5 geöffnet. Das Ventil steuert die Spannung am Gate 8 des spannungsgesteuer­ ten Transistors 2 durch Gegenkopplung so, daß der Ausgang 16 auf der Ausgangsspannung 20 bzw. auf der Betriebsspannung gehalten wird. Diese Betrachtung ergänzt die zuvor gegebene unter einem anderen Blickwinkel.

Aufgrund des Einsatzes eines spannungsgesteuerten Transistors 2 benötigt man auch für das Bypass-Ventil 5 nur eine vernach­ lässigbar geringe Steuerleistung. Der Strom durch die Reihen­ schaltung aus Referenzelement und Spannungssensor sollte aus Gründen der Verlustleistung vorteilhaft auf den Wert von 1µA begrenzt werden, was durch einen entsprechend hochohmigen Widerstand des Stromsensors 4 zu erzielen ist. Der Widerstand 6 begrenzt den Stromfluß über die als Ventil dienende Zenerdiode 15 im Einschaltmoment, wenn Eingangsspannung 19 angelegt wird. Der Widerstand 6 begrenzt auch den Stromfluß über das Bypass-Ventil 5. Er muß entsprechend spannungsfest sein, da an ihm die Spannung Eingangsspannung 19 minus Spannungsfall am Bypass-Ventil 21 abfällt.

Bei Einsatz des Spannungsreglers bei Differenzstromschutzein­ richtungen ist der Widerstand 6 auch so zu dimensionieren, daß bei Versorgung aus lediglich zwei Leitern und im Unter­ spannungsfall ausreichend Strom über die weitere Zenerdiode 21 fließt. Die weitere Zenerdiode 21 begrenzt parallel zur Zenerdiode 15 als gesteuertes Ventil und zum Referenzelement 3 die Spannung am Bypass-Ventil 5.

Bei einer Außenleiter-Nennspannung von 690 V ergibt sich bei 1,1-facher Nennspannung am Ausgang eines dem Spannungsregler vorgeschalteten Gleichrichters eine Spitzenspannung von 1070 V_spitze. Diese Spannung fällt vermindert um die Ausgangs­ spannung 20 als Spannungsfall an Drain Source eines FETs oder an Kollektor-Emitter eines IGBT als spannungsgesteuerten Transistors 2 ab. Bei derartig hohen Spannungen ist es vorteilhaft, zwei Spannungsregler hintereinander zu schalten, wobei die Ausgangsspannung 20 der ersten Stufe zweckmäßiger­ weise auf das 0,2 bis 0,5-fache der maximalen Spannung am Ausgang eines vorgeschalteten Gleichrichters eingestellt wird. Dadurch wird der Spannungsfall am spannungsgesteuerten Transistor 2 der ersten Stufe und somit auch die Verlust­ leistung reduziert. Das kann bedeutsam sein, da die maximale Drain-Source-Spannung bei MOS FETs üblicherweise 1000 V beträgt und eine verminderte Spannung sich auf die Lebens­ dauer der Bauteile günstig auswirkt.

In Fig. 2 wird ein Anwendungsbeispiel des Spannungsreglers nach Fig. 1, des Spannungsreglers 33, veranschaulicht. Der Spannungsregler 33 ist vor einem Auslösekreis 34 einer Differenzstromschutzeinrichtung bzw. eines Bauteils hierfür vorgeschaltet. Außenleiter L1 bis L3 und ein Neutralleiter sind über eine Überspannungs-Schutzbeschaltung 31 gegen transiente Überspannungen an einer Gleichrichterschaltung 32 angeschlossen. Die Gleichrichterschaltung 32 ist über den Spannungsregler 33 mit dem Auslösekreis 34 verbunden. Die Vorteile des Spannungsreglers 33 kommen bei Differenzstrom­ schutzeinrichtungen besonders zum Tragen.

Claims (10)

1. Spannungsregler zur Unterdrückung starker Schwankungen einer Eingangsspannung (19) an einem Ausgang (16), dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Eingang (1)

• - ein spannungsgesteuerter Transistor (2) geschaltet ist, der in Reihe mit einem Referenzelement (3) und einem Spannungs­ sensor (4) liegt,
• - und ein als Bypass dienendes Ventil (5), in Reihe zu einem Widerstand (6) angeordnet ist, wobei das Bypass-Ventil (5) über einen Widerstand (7) mit dem Gate (8) des spannungsgesteuerten Transistors (2) verbunden ist.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als spannungsgesteuerter Transistor (2) ein FET dient.

3. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als spannungsgesteuerter Transistor (2) ein IGBT dient, wobei dessen Emitter der Source (9) und dessen Kollektor der Drain (10) entspricht.

4. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungssensor (4) ein Widerstand dient.

5. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom spannungsgesteuerten Transistor (2) der Wirkung nach zwischen seinem Gate (8) und der negativen Schaltungsbasis (11) ein Kondensator (12) eingeschaltet ist.

6. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bypass-Ventil (5) an seiner Basis und zur Reihen­ schaltung aus Referenzelement (3) und Stromsensor (4) zwischen diesen, eine Verbindung mit einem Widerstand (13) besteht, wobei zwischen dieser Verbindung und der negativen Schaltungsbasis (11) ein Kondensator (14) geschaltet ist.

7. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am spannungsgesteuerten Transistor (2) zwischen seiner Source (9) und seinem Gate (8) ein gesteuertes Ventil, ins­ besondere eine Zenerdiode (15), geschaltet ist.

8. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Bypass-Ventil (5) eine Zenerdiode (21) geschaltet ist.

9. Spannungsregler nach Anspruch 1 und einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang (16) zwischen der Source (9) des spannungs­ gesteuerten Transistors (2) und der negativen Schaltungsbasis (11) ein Kondensator (17) als Glättungskondensator geschaltet ist.

10. Verwendung eines Spannungsreglers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in einem Netzteil für Differenzstrom­ schutzschalter oder für Zusätze von Differenzstromsschutz­ schaltern.