DE19641187A1 - Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von elektronischen Auslöseeinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Energie­ versorgung von elektronischen Auslöseeinrichtungen, insbeson­ dere für Überstromauslöser von Niederspannungsschaltern, mit einer Stromwandlereinrichtung, deren Ausgangsspannung gleich­ gerichtet ist und mittels eines Schaltransistors über eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Bürden-Widerstand, einer Diode, einem Lade-Kondensator zugeführt ist derart, daß mit­ tels einer Komparatorschaltung die Spannung am Lade-Kondensa­ tor beim Überschreiten eines Grenzwertes verringert und beim Unterschreiten eines weiteren Grenzwertes vergrößert ist.

Die oben definierte Schaltungsanordnung stellt ein bekanntes Schaltprinzip für die Energieversorgung der Auslöseeinrich­ tungen dar. Die Spannung am Lade-Kondensator wird praktisch durch einen Zweipunktregler zwischen zwei Spannungsgrenzen geregelt. Überschreitet die Spannung am Lade-Kondensator die obere Grenze, so wird die Diode durch den leitend geschalte­ ten Schalttransistor kurzgeschlossen, so daß die Spannung der Stromwandlereinrichtung nur auf den Bürden-Widerstand ein­ wirkt. Unterschreitet dagegen die Spannung am Lade-Kondensa­ tor die untere Grenze, so wird der Kurzschluß der Diode auf­ gehoben und der Sekundärstrom fließt über den Lade-Kondensa­ tor und den Bürden-Widerstand. Damit erhöht sich die Bürde an der Stromwandlereinrichtung, so daß diese gleichzeitig eine höhere Energie an die elektronische Auslöseeinrichtung ab­ gibt. Dieser Vorgang belastet also die Stromwandlereinrich­ tung zusätzlich. Darüber hinaus kann es bei bestimmten Be­ triebsbedingungen dazu kommen, daß, insbesondere bei einpha­ sigen Laststrom, nur aus jeder zweiten Halbwelle die Versor­ gung mit Energie für die Auslöseeinrichtungen entnommen wird. Dies hat zur Folge, daß in der Stromwandlereinrichtung ein Gleichstrom fließt, der die Stromwandlereinrichtung einseitig in den Sättigungsbereich bringt. Das Stromübertragungsverhal­ ten wird dadurch verfälscht und führt zu Falschauslösungen. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das Auftreten von Gleichgliedern, die maßgeblich zur Bildung die­ ser unerwünschten Gleichströme beitragen, auch im Zusammen­ hang mit einphasigen Lastströmen gänzlich zu vermeiden, um Falschauslösungen auszuschließen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale

• 1.1 die Schaltungsanordnung ist mit einer invertierenden Dif­ ferentiereinrichtung ausgestattet, der ein auf Masse be­ zogenes negatives Ausgangssignal des Bürden-Widerstands zuführbar ist,
• 1.2 der invertierenden Differentiereinrichtung ist eine wei­ tere Komparatorschaltung nachgeschaltet, die derart be­ messen ist, daß mit dem Erreichen des Scheitelwertes der Spannung am Lade-Kondensator an dem Ausgang derselben ei­ ne positive Signalflanke erzeugt ist,
• 1.3 die weitere Komparatorschaltung steht mit einer ersten Komparatorschaltung derart in Verbindung, daß mit der Er­ höhung seiner Referenzspannung durch die positive Signalflanke einer zweiten Komparatorschaltung der Schalt­ transistor gesperrt ist,

erreicht.

Mit der Verwendung der Differentiereinrichtung ist in Verbin­ dung mit der weiteren Komparatorschaltung in einfacher Weise ein Zweipunktregler realisiert, mit dem in jedem Spannungsma­ ximum am Bürden-Widerstand derart getriggert wird, daß in je­ der Halbwelle mindestens eine kurzzeitige Nachladung des La­ de-Kondensators erfolgt.

Diese Schaltungsanordnung arbeitet im Bereich der normalen Auslösungen und auch im Kurzschlußfall zufriedenstellend. Al­ lerdings ist es mit der Einführung der Funktion der Phasen­ ausfallempfindlichkeit bei derartigen Messungen erforderlich, daß die Auslöseeinrichtungen auch noch im Bereich von 80% der bisherigen Stromgrößen sicher funktionieren und ausgelöst werden müssen. In diesen unteren Strombereichen kommt es je­ doch wegen der unterschiedlichen Energieentnahmen pro Halb­ welle trotz der Synchronisation mit der weiteren Komparator­ schaltung zur Bildung störender Gleichglieder und der damit verbundenen Gleichströme in den Stromwandlereinrichtungen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils im unteren Strombereich sind gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Merkmale

• 2.1 die Schaltungsanordnung weist eine Impulsgeneratorein­ richtung auf,
• 2.2 die Impulsgeneratoreinrichtung wirkt derart auf die Kom­ paratorschaltung ein, daß innerhalb einer Halbwelle der Spannung des Lade-Kondensators mehr als ein Impuls eine Sperrung des Schalttransistors bewirkt,
• 2.3 die Impulsfolge der Impulsgeneratoreinrichtung ist derart gewählt, daß pro Halbwelle eine annähernd symmetrische Verteilung der Impulse erfolgt,

vorgesehen.

Mit dem Vorsehen der Impulsgeneratoreinrichtung ist erreicht, daß der Zweipunktregler, repräsentiert durch die Komparator­ schaltung, veranlaßt wird, den Schalttransistor mehrmals in­ nerhalb einer Halbwelle zu sperren. Dabei ist die Impulsfolge vorteilhafter Weise so gewählt, daß die Energieentnahme zur Steuerung der Auslöseeinrichtungen praktisch in Paketbereiche aufgeteilt und symmetrisch über die Halbwellen verteilt sind. Allerdings ist diese Maßnahme in dem Strombereich, bei dem der Strom der Stromwandlereinrichtung die Stromaufnahme der elektrischen Auslöseeinrichtungen gerade überschreitet, bzw. der Zeipunktregler mit seinem Regelvorgang einsetzt, nicht ausreichend. Denn es kommt auch hier, trotz der Paketierung, wieder zur Bildung von Gleichgliedern. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in diesem Zu­ sammenhang das Merkmal

• 3.1 der Schalttransistor steht derart unter dem Steuereinfluß einer Impulskomparatorschaltung, daß mit dem Zuschalten eines über eine Zenerdiode wirksamen Zusatzlast-Widerstands das Regelverhalten der Komparatorschaltung in höhere Strombereiche verlagert ist,

vorgesehen, so daß mit dem schaltbaren Zusatzlast-Widerstand im unteren Strombereich eine Begrenzung der Spannung zur Re­ gelung der Komparatorschaltung durch den Spannungsabfall an der Zener-Diode gegeben ist. Steigt der Strom in der Strom­ wandlereinrichtung an, so setzt die Zweipunktregelung der Komparatorschaltung bei entsprechend höherem Spannungsniveau ein und der Zusatzlast-Widersztand wird unwirksam geschaltet.

Durch diese Maßnahme wird also die Regelung der Komparator­ schaltung vom unsicheren Bereich in unmittelbarer Nähe des Regeleinsatzes in den stabilen Bereich verschoben, in dem der Regelvorgang verstärkt wirksam ist.

Beim Absinken des Stromes in der Stromwandlereinrichtung ist der Zusatzlast-Widerstand zunächst nicht wirksam. Sobald aber der Regelvorgang in den kritischen Bereich gelangt, wird der Zusatzlast-Widerstand zugeschaltet und mit der dadurch entstehenden Spannungsabsenkung der Regelvorgang der Kompara­ torschaltung unterbunden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Merkmale

• 4.1 der Schalttransistor steht unter dem Steuereinfluß einer Rechteckimpulse erzeugenden Pulsweitenmodulatorschaltung,
• 4.2 die Pulsweitenmodulatorschaltung ist mit einer Integra­ torschaltung zur Anpassung der Spannung am Last-Wider­ stand an eine erste Referenzspannung (u ref1) verbunden,

vorgesehen.

Mit der Pulsweitweitenmodulatorschaltung werden Rechteckim­ pulse mit variabler Zeitdauer erzeugt, die die paketweise Energieentnahme zur Steuerung der elektronischen Auslöseein­ richtungen entsprechend beeinflußt. Die Ansteuerung der Puls­ weitenmodulatorschaltung erfolgt über die Integratorschal­ tung, die eine Abweichung zur ersten Referenzspannung aus­ gleicht. Der Ausgang der Integratorschaltung, der gleichzei­ tig den Eingang der Pulsweitenmodulatorschaltung bildet, re­ gelt bei zu hoher Spannung am Last-Widerstand die Rechteckim­ pulse langsam auf kleinere Zeitwerte, so daß mit der Pulswei­ tenmodulatorschaltung an dem Schalttransistor eine langsame Vergrößerung des Pulsweitenverhältnisses bewirkt ist. Die Spannung am Last-Widerstand wird also bis zum Erreichen der ersten Referenzspannung heruntergeregelt. Unterschreitet die Spannung am Last-Widerstand den Wert der ersten Referenzspan­ nung, so wirkt sich der Regelvorgang entgegengesetzt aus. Das bedeutet, das sich die Spannung am Lastwiderstand auf den Wert der ersten Referenzspannung einstellt. Durch den relativ langsam ablaufenden Regelvorgang treten hierbei keine soge­ nannten Regelschwingungen auf, die unter anderem ebenfalls zum Auftreten von Gleichgliedern führen können.

In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Merkmal

• 5.1 die Pulsweitenmodulatorschaltung ist mit der Netzfrequenz der Stromwandlereinrichtung synchronisiert,

vorgesehen, mit der auch über die gesamte Periodenlänge eine symmetrische Ansteuerung des Schalttransistors gegeben ist.

Eine weitergehende vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Merkmale

• 6.1 die Schaltungsanordnung ist mit einer Schnellschutz akti­ vierenden Komparatorschaltung ausgestattet,
• 6.2 die Komparatorschaltung wirkt auf den Schalttransistor mit einer zweiten Referenzspannung ein, die größer ist als die erste Referenzspannung,

vor. Damit ist sichergestellt, daß auch bei schnellen Span­ nungsanstiegen, die beim plötzlichen Kurzschluß auftreten, keine verzögernden Regelvorgänge ein schnelles Wirksamschal­ ten der Auslöseeinrichtungen verhindern. Da die zweite Refe­ renzspannung größer als die erste Referenzspannung ist, wird diese Schaltmaßnahme relativ selten erfolgen.

Die Erfindung wird durch drei in den Fig. 1, 2 und 3 darge­ stellte Ausführungsbeispiele näher erläutert, in denen ledig­ lich die zum Verständnis der Erfindung wesentliche Schaltein­ richtungen im Blockschaltbild dargestellt sind.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Schal­ tungsanordnung zur Energieversorgung von elektronischen Aus­ löseeinrichtungen mit der Stromwandlereinrichtung SW, deren Strom durch die Gleichrichtereinrichtung GE und der nachge­ schalteten Diode DI gleichgerichtet und über die Reihenschal­ tung des Bürden-Widerstands RB mit dem Lade-Kondensator CL geführt ist. Des weiteren ist die erste Komparatorschaltung KO1 mit ihrer ersten Referenzspannung u ref 1 vorgesehen, die den Schalttransistor TR unter Einwirkung der von der inver­ tierenden Differentiereinrichtung DE an die zweite Kompara­ torschaltung KO2 übertragenden Signalflanke beim Erreichen des Scheitelwertes der Spannung am Bürden-Widerstand RB mit der erzeugten zweiten Referenzspannung u ref2, die der ersten Referenzspannung u ref1 zugeschaltet wird, sperrt. Mit der Sperrung des Schalttransistors TR erfolgt die Aufladung des Lade-Kondensators CL. Durch diesen Schaltvorgang wird jedoch die obere Schaltschwelle der ersten Komparatorschaltung KO1 nicht beeinflußt, so daß die Spannung am Lade-Kondensator CL den vorgesehenen Wert nicht überschreitet. Die erste und die zweite Komparatorschaltung KO1 und KO2 bilden also einen so­ genannten Zweipunktregler, der in jedem maximalen Spannungs­ wert am Bürden-Widerstand RB getriggert ist und damit in je­ der Halbwelle mindestens eine kurzzeitige Nachladung des La­ de-Kondensators CL bewirkt.

Mit der Meßeinrichtung ME wird in bekannter Weise die sich in der Stromwandlereinrichtung einstellende Stromgröße gemessen und beim Vorhandensein eines sogenannten Überstromes mit dem Auslösesignal das Wirksamschalten der nicht dargestellten Auslöseeinrichtungen veranlaßt.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Rea­ lisierung einer Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von elektronischen Auslöseeinrichtungen dargestellt. Auch hier wird der von der Stromwandlereinrichtung SW erzeugte Strom mit der Gleichrichtereinrichtung GE im Zusammenwirken mit der Diode DI gleichgerichtet und ebenfalls der Reihenschaltung, gebildet aus dem Bürden-Widerstand RB und dem Lade-Konden­ sator TR, zugeführt. Der Ladevorgang für den Lade-Kondensator CL wird ebenfalls durch die Komparatorschaltung KO bestimmt, die jedoch im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel durch die Impulsgeneratoreinrichtung IG gesteuert wird. Die Impulsgeneratoreinrichtung IG veranlaßt die Komparatorschal­ tung KO den Schalttransistor TR mehrmals pro Halbwelle zu sperren, um damit eine gleichmäßige Energieentnahme zur Steuerung der Auslöseeinrichtungen sicherzustellen. Die Ener­ gieentnahme erfolgt praktisch in paketierter Form und ist im Mittel symmetrisch auf die Halbwellen verteilt. Allerdings kommt es, wie bereits schon früher erwähnt, in dem Strombe­ reich, in dem der Regelungsvorgang durch die Komparatorschal­ tung gerade einsetzt, trotz Paketierung bei der Entnahme der Energie zur Bildung von Gleichgliedern, die die unerwünschte Gleichstrombelastung der Stromwandlereinrichtungen SW bewir­ ken. Um diesen Strombereich, bei dem der Regelvorgang ein­ setzt, zu erhöhen, wird über die Zener-Diode ZD ein schaltba­ rer Zusatzlast-Widerstand RZ in Verbindung mit der Impulskom­ paratorschaltung IK wirksam geschaltet. Sobald der Strom in der Stromwandlereinrichtung SW über den kritischen Bereich hinaus ansteigt, wird der Zweipunktregelvorgang in den stabi­ len Bereich überführt und dort verstärkt wirksam.

Beim nachfolgenden Absinken des Stromes in der Stromwand­ lereinrichtung SW ist der Zusatzlast-Widerstand RZ zunächst nicht wirksam. Sobald die Stromabsenkung wieder in den kriti­ schen Bereich fällt, wird der Zusatzlast-Widerstand RZ und damit die Zenerspannung an der Zenerdiode ZD wirksam, so daß der Zweipunktregelvorgang der Komparatorschaltung KO durch die Spannungsverminderung unterbunden ist.

Die Meßeinrichtung ME überwacht, wie auch im ersten Ausfüh­ rungsbeispiel erwähnt, in gleicher Weise den Stromfluß in der Stromwandlereinrichtung SW und erzeugt im Falle eines Kurz­ schlußstromes das Auslösesignal AS zum Wirksamschalten der entsprechenden Auslöseeinrichtung.

Der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Schaltungsan­ ordnung der eingangs definierten Art zu entnehmen, das in gleicher Weise, wie bereits zu den vorangegangenen Ausfüh­ rungsbeispielen beschrieben, den von der Stromwandlereinrich­ tung SW gleichgerichteten Strom zur Aufladung des Lade-Kondensators CL über den Bürden-Widerstand RB nutzt. Auch hier wird zur Beeinflussung des Regelvorganges ein Zwei­ punktregler, gebildet aus der von der Integratorschaltung IE beeinflußten Pulsweitenmodulatorschaltung PW, eingesetzt, der den Schalttransistor TR durch kurzschließen der Diode DI steuert. Die Pulsweitenmodulatorschaltung PW erzeugt dazu ein Rechtecksignal, dessen Breite von der Integratorschaltung IE annähernd auf den Wert der ersten Referenzspannung u ref1 ge­ halten wird. Bei zu hoher Ausgangsspannung am Last-Widerstand RL regelt der Ausgang der Integratorschaltung IE langsam auf kleinere Werte und bewirkt so über die Pulsweitenmodulator­ schaltung PW einen langsamen Anstieg des Pulsweitenverhält­ nisses am Schalttransistor TR. Die Spannung am Last-Widerstand RB wird also bis zum Wert der ersten Referenzspan­ nung u ref1 heruntergeregelt.

Unterschreitet die Spannung am Last-Widerstand den Wert der ersten Referenzspannung u ref1, so kehrt sich das Regelver­ halten um, d. h., die Spannung am Last-Widerstand nimmt län­ gerfristig gesehen den Wert der ersten Referenzspannung u ref1 an. Dadurch daß das Pulsweitenverhältnis nur sehr lang­ sam aber stetig geregelt ist, treten keine Regelspannungen auf, die u. a. auch zur unerwünschten Gleichstrombelastung der Stromwandlereinrichtung führen.

Wird die Pulsweitenmodulatorschaltung PW noch mit der Netz­ frequenz synchronisiert, so ist sichergestellt, daß über die gesamte Periodendauer die symmetrische Ansteuerung des Schalttransistors TR erfolgt.

Zur Vermeidung von im Kurzschlußfall zu langsam ablaufenden Regelvorgängen ist die Komparatorschaltung KO mit einer ge­ ringfügig über den Wert der ersten Referenzspannung u ref1 liegenden zweiten Referenzspannung u Reff versehen und akti­ viert dadurch einen sogenannten Schnellschutz, der im Kurz­ schlußfall zum sofortigen Wirksamschalten der Auslöseeinrich­ tung führt.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von elektroni­ schen Auslöseeinrichtungen, insbesondere für Überstromauslö­ ser von Niederspannungsschaltern, mit einer Stromwandlerein­ richtung, deren Ausgangsspannung gleichgerichtet ist und mit­ tels eines Schaltransistors über eine Reihenschaltung, beste­ hend aus einem Bürden-Widerstand, einer Diode, einem Lade-Kondensator zugeführt ist derart, daß mittels einer Kompara­ torschaltung die Spannung am Lade-Kondensator beim Über­ schreiten eines Grenzwertes verringert und beim Unterschrei­ ten eines weiteren Grenzwertes vergrößert ist, gekennzeichnet durch die Merkmale

• 1.1 die Schaltungsanordnung ist mit einer invertierenden Dif­ ferentiereinrichtung (DE) ausgestattet, der ein auf Masse bezogenes negatives Ausgangssignal des Bürden-Widerstands (RB) zuführbar ist,
• 1.2 der invertierenden Differentiereinrichtung (DE) ist eine weitere Komparatorschaltung (KO2) nachgeschaltet, die derart bemessen ist, daß mit dem Erreichen des Scheitel­ wertes der Spannung am Lade-Kondensator (CL) an dem Aus­ gang derselben eine positive Signalflanke erzeugt ist,
• 1.3 die weitere Komparatorschaltung (KO2) steht mit einer er­ sten Komparatorschaltung (KO1) derart in Verbindung, daß mit der Erhöhung seiner Referenzspannung durch die posi­ tive Signalflanke einer zweiten Komparatorschaltung (KO2) der Schalttransistor (TR) gesperrt ist.

2. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von elektroni­ schen Auslöseeinrichtungen, insbesondere für Überstromauslö­ ser von Niederspannungsschaltern, mit einer Stromwandlerein­ richtung, deren Ausgangsspannung gleichgerichtet ist und mit­ tels eines Schaltransistors über eine Reihenschaltung, beste­ hend aus einem Bürden-Widerstand, einer Diode, einem Lade-Kondensator zugeführt ist derart, daß mittels einer Kompara­ torschaltung die Spannung am Lade-Kondensator beim Über­ schreiten eines Grenzwertes verringert und beim Unterschrei­ ten eines weiteren Grenzwertes vergrößert ist, gekennzeichnet durch die Merkmale

• 2.1 die Schaltungsanordnung weist eine Impulsgeneratorein­ richtung (IG) auf,
• 2.2 die Impulsgeneratoreinrichtung (IG) wirkt derart auf die Komparatorschaltung (KO) ein, daß innerhalb einer Halb­ welle der Spannung des Lade-Kondensators (CL) mehr als ein Impuls eine Sperrung des Schalttransistors (TR) be­ wirkt,
• 2.3 die Impulsfolge der Impulsgeneratoreinrichtung (IG) ist derart gewählt, daß pro Halbwelle eine annähernd symme­ trische Verteilung der Impulse erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Merkmal

• 3.1 der Schalttransistor (TR) steht derart unter dem Steuer­ einfluß einer Impulskomparatorschaltung (IK), daß mit dem Zuschalten eines über eine Zenerdiode (ZD) wirksamen Zu­ satzlast-Widerstands (RZ) das Regelverhalten der Kompara­ torschaltung (KO) in höhere Strombereiche verlagert ist.

4. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von elektroni­ schen Auslöseeinrichtungen, insbesondere für Überstromauslö­ ser von Niederspannungsschaltern, mit einer Stromwandlerein­ richtung, deren Ausgangsspannung gleichgerichtet ist und mit­ tels eines Schaltransistors über eine Reihenschaltung, beste­ hend aus einem Bürden-Widerstand, einer Diode, einem Lade-Kondensator zugeführt ist derart, daß mittels einer Kompara­ torschaltung die Spannung am Lade-Kondensator beim Über­ schreiten eines Grenzwertes verringert und beim Unterschrei­ ten eines weiteren Grenzwertes vergrößert ist, gekennzeichnet durch die Merkmale

• 4.1 der Schalttransistor (TR) steht unter dem Steuereinfluß einer Rechteckimpulse erzeugenden Pulsweitenmodulator­ schaltung (PW),
• 4.2 die Pulsweitenmodulatorschaltung (PW) ist mit einer Inte­ gratorschaltung (IE) zur Anpassung der Spannung am Last-Widerstand (RL) an eine erste Referenzspannung (u ref1) verbunden.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch das Merkmal

• 5.1 die Pulsweitenmodulatorschaltung (PW) ist mit der Netz­ frequenz der Stromwandlereinrichtung (SW) synchronisiert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Merkmale

• 6.1 die Schaltungsanordnung ist mit einer Schnellschutz akti­ vierenden Komparatorschaltung (KO) ausgestattet,
• 6.2 die Komparatorschaltung (KO) wirkt auf den Schalttransi­ stor (TR) mit einer zweiten Referenzspannung (u ref2) ein, die größer ist als die erste Referenzspannung (u ref1).