DE19743238A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Trennen einer Spannungsquelle von einem Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wie im Oberbegriff ange­ gebene Schaltungsanordnung und Verfahren zum Trennen einer Spannungsquelle von einem Verbraucher.

Elektronische Bauteile oder Baugruppen werden durch flinke Sicherungen, insbesondere durch elektronische Sicherungen, vor zu hohen Strömen geschützt. Die elektronischen Sicherun­ gen bringen aufgrund ihrer schnellen Auslösemechanismen den Nachteil mit sich, daß ein Verbraucher wegen systembedingten Stromschwankungen oder Spannungsschwankungen von der Span­ nungsquelle abgetrennt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung und ein Verfahren zum Trennen einer Spannungsquelle von einem Verbraucher anzugeben, die/das erst bei einem Kurz­ schluß sicher den Verbraucher von der Spannungsquelle trennt.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der Pa­ tentansprüche 1 und 11.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß ein zur Zer­ störung des Verbrauchers führender hoher Strom sofort erkannt und den Verbraucher bleibend von der Spannungsquelle trennt.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß zeitweilig auftretende Spannungsschwankungen und dadurch verursachte Stromspitzen erkannt werden und die elektronische Sicherung erst bei einem Kurzschlußstrom durch den Verbraucher von der Spannungsquelle bleibend getrennt wird.

Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die elektronische Sicherung mit wenigen Bauteilen einen wirksamen Schutz vor den Folgen eines Kurzschlusses im Verbraucher bie­ tet.

Weitere Besonderheiten sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Schaltungsanordnung und das Verfahren der elektronischen Sicherung werden in einer nachfolgenden näheren Erläuterung zu Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer elektronischen Sicherung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung einer elektronischen Sicherung und

Fig. 3 eine Ausgestaltung der elektronischen Sicherung.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer elektronischen Sicherung SO gezeigt. Die wesentlichen Elemente des Block­ schaltbildes für die elektronische Sicherung SO sind eine Hilfsspannungsquelle UH, eine erste Entscheidereinheit S1, eine zweite Entscheidereinheit S2, eine erste Überspannungs­ schutzeinheit US1, eine zweite Überspannungsschutzeinheit US2, eine Meßwerteinheit M, eine erste Einheit RI zur Ist- Spannungsreduzierung an einem ersten Eingang der ersten Ent­ scheidereinheit S1, eine zweite Einheit RS zur Sollspan­ nungsanhebung an einem zweiten Eingang der ersten Entschei­ dereinheit S1 und eine Trenneinheit A.

Die elektronische Sicherung SO ist zwischen einer Spannungs­ quelle UE und einem Verbraucher L angeordnet. Der Verbraucher L kann beispielsweise ein Gleichspannungs/Gleichspan­ nungs-(DC-DC) Umrichter sein.

Ein durch den Verbraucher L fließender Strom wird durch die Meßwerteinheit M erfaßt. Die Meßeinheit M setzt den gemessenen Strom in einen Spannungswert um und legt diesen an den ersten Eingang der ersten Entscheidereinheit S1 an. Im Kurzschlußfall wird die am ersten Eingang der ersten Ent­ scheidereinheit S1 anliegende erste Spannung größer als die, die am zweiten Eingang der ersten Entscheidereinheit S1 an­ liegende zweite Spannung. Am Ausgang der ersten Entschei­ dereinheit S1 liegt dann ein Spannungspotential für ein Steu­ ersignal an, das einen in der Trenneinheit A angeordneten Schalttransistor M1 derart ansteuert, daß die mit dem Ver­ braucher L verbundene Spannungsquelle UE von diesem abge­ trennt wird. Aufgrund der Unterbrechung in der Verbindung zwischen der Spannungsquelle UE und dem Verbraucher L wird über den Kurzschluß im Verbraucher L das an einem ersten An­ schluß der Spannungsquelle UE anliegende Spannungspotential an einen zweiten Eingang der zweiten Entscheidereinheit S2 angelegt. Die zweite Entscheidereinheit S2 schaltet durch und beeinflußt durch die an seinem Ausgang anliegende Spannung das Spannungspotential am ersten Eingang der ersten Entschei­ dereinheit S1. Die am ersten Eingang der ersten Entschei­ dereinheit S1 anliegende Spannung wird angehoben, und die er­ ste Entscheidereinheit S1 bleibt durchgeschaltet.

Eine parallel zur Spannungsquelle UE angeordnete Hilfsspan­ nungsquelle UH erzeugt die für das Betreiben der aktiven Ein­ heiten der elektronischen Sicherung SO nötige Spannungspoten­ tiale.

Zur Ausblendung der aufgrund von Spannungsschwankungen her­ vorgerufenen Stromspitzen ist der erste Eingang der ersten Sicherungseinheit S1 über die erste Einheit RI mit dem ersten Spannungspotential des ersten Anschlusses der Spannungsquelle UE und der zweite Eingang der ersten Entscheidereinheit S1 über die zweite Einheit RS mit dem zweiten Spannungspotential des zweiten Anschlusses der Spannungsquelle UE verbunden. Ein Eingang der ersten Einheit RI ist zudem noch mit einem Aus­ gang der Hilfsspannungsquelle UH verbunden
Die erste Überspannungsschutzeinheit US1 zur Vermeidung von Überspannungen am zweiten Eingang der ersten Entscheiderein­ heit S1 ist mit diesem und der Hilfsspannungsquelle UH und die zweite Überspannungsschutzeinheit US2 ist zwischen dem Ausgang des Verbrauchers L und dem ersten Eingang der zweiten Entscheidereinheit S2 angeordnet.

In der Fig. 2 ist der Stromlaufplan des in Fig. 1 darge­ stellten Blockschaltbildes wiedergegeben. An dem Eingang der elektronischen Sicherung SO ist die Hilfsspannungsquelle UH, die aus einem Widerstand Rl und aus einer Zenerdiode D1 ge­ bildet ist, angeordnet. Zur Glättung der Ausgangsspannung der Hilfsspannungsquelle UH ist parallel zur Zenerdiode D1 eine Kapazität C1 angeschlossen. Die Ausgangsspannung der Hilfs­ spannungsquelle UH wird über einen Spannungsteiler, gebildet aus den Widerständen R2 und R3, aufgeteilt. Die am Widerstand R3 anliegende Spannung bildet die zweite Spannung einen Soll- Spannungswert der am zweiten Eingang der im Wesentlichen mit einem ersten Operationsverstärker OP1 gebildeten ersten Ent­ scheidereinheit S1. Der erste Operationsverstärker OP1 ist vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildet. Ein erster Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist über einen Wider­ stand R4 mit einem Anschluß des in der Meßeinheit M angeord­ neten Meßwiderstandes RM verbunden. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP1 ist mit dem Steuereingang G eines Schaltelementes M1, das in der Trenneinheit A angeordnet ist, verbunden. Das Schaltelement M1 ist vorzugsweise als MOSFET-Tran­ sistor ausgebildet. Die Regelstrecke SD des Schaltelemen­ tes M1 verbindet den Meßwiderstand RM mit einem Anschluß des Verbrauchers L. Der Steuereingang G des Schaltelements M1 ist über einen Widerstand R5 mit dem am zweiten Anschluß der Spannungsquelle UE anliegenden zweiten Spannungspotential verbunden. Eine parallel zum Eingang S der Regelstrecke SD und zum Steuereingang G des Schaltelementes M1 angeordnete Diode D4 begrenzt die Durchschaltespannung für das Schalt­ element M1 auf einen zulässigen Wert.

Die zweite Entscheidereinheit S2 wird im Wesentlichen durch einen zweiten Operationsverstärker OP2 gebildet. Ein erster Eingang des zweiten Operationsverstärkers OP2 ist mit einem Abgriffspunkt eines parallel zu den Ausgängen der Hilfsspan­ nungsquelle UH angeordneten Spannungsteilers, gebildet aus den Widerständen R7 und R8, verbunden. Ein zweiter Eingang des zweiten Operationsverstärkers OP2, der vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildet ist, ist über einen Wider­ stand R6 mit dem Ausgang D der Regelstrecke SD des Schalt­ elementes M1 verbunden. Der Ausgang des zweiten Operations­ verstärkers OP2 ist über eine Diode D2 mit dem ersten Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 der ersten Entschei­ dereinheit S1 verbunden.

Zum Überspannungsschutz für den ersten Operationsverstärker OP1 ist die aus einer Diode D6 gebildete erste Überspannungs­ schutzeinheit US1 zwischen dem zweiten Eingang des Operati­ onsverstärkers OP1 und der Kathode der Zenerdiode D1 angeord­ net.

Zum Überspannungsschutz für den zweiten Operationsverstärker OP2 ist zwischen dem ersten und zweiten Eingang des zweiten Operationsverstärkers OP2 die aus einer Diode D3 gebildete zweite Überspannungsschutzeinheit US2 angeordnet. Die Kathode der Diode D3 ist mit dem ersten Eingang des zweiten Operati­ onsverstärkers OP2 verbunden.

Zur Reduzierung der Ist-Spannungs-Wertmeßgröße ist an dem ersten Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 eine erste Einheit RI, bestehend aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes R11 mit einem Kondensator C3, angeordnet. Der erste Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 ist dabei über einen Widerstand R12 mit einem Abgriffspunkt zwischen dem Kondensator C3 und dem Widerstand R11 verbunden.

An dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist die zweite Einheit RS, gebildet aus einer Reihenschaltung, beste­ hend aus einer Diode D5, einem Widerstand R9 und einer Paral­ lelschaltung aus einer Kapazität C2 und einem Widerstand R10 angeschaltet. Mit dieser zweiten Einheit RS wird eine Sollspannungswert-Meßgrößenanhebung durchgeführt, wenn Span­ nungsanhebungen an den Anschlüssen der Spannungsquelle auf­ treten.

Zur Einschaltverzögerung ist am zweiten Anschluß des zweiten Operationsverstärkers eine Kapazität C4 mit dem Eingang S der Regelstrecke SD des Schaltelementes M1 und der Widerstand R6 mit dem Ausgang D der Regelstrecke SD verbunden.

Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP1 ist mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OP2 über einen Wi­ derstand R15 und einer Diode D2 verbunden. Ein Widerstand R16 verbindet den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OP2 mit der Hilfspannungsquelle UH.

In Fig. 3 ist eine Ausgestaltung der mit Fig. 2 beschriebe­ nen Sicherung dargestellt. Die Funktionen der einzelnen Schaltungsteile UH, RI, RS, US1, US2, S1, S2, M und A in der Fig. 2 und Fig. 3 sind jeweils dieselben.

Der zweite Operationsverstärker OP2 der Entscheidereinheit S2 aus Fig. 2 ist in Fig. 3 durch einen Schalttransistor Tr ersetzt. Durch einen Kurzschluß im Verbraucher L liegt am Wi­ derstand R15 des Spannungsteilers, gebildet aus dem Widerstand R15 und R16, das zweite Spannungspotential des ersten An­ schlusses der Spannungsquelle UE an. Der Kollektor C des Transistors Tr ist über den Widerstand R5 und den Widerstand R12 mit dem ersten Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden. Der Transistor Tr steuert durch, wenn das an seiner Basis B anliegende Spannungspotential die Durchschal­ tespannung UBE erreicht hat. Zwischen der Basis B und dem Emitter E ist die Diode D3 der zweiten Überspannungsschutz­ einheit US2 angeordnet.

Die zweite Einheit RS ist bei dieser Schaltungsausgestaltung aus einer Reihenschaltung, bestehend aus den Widerständen R8, R9 und der Parallelschaltung aus dem Widerstand R10 und der Kapazität C2 gebildet. Ein aus den Widerständen R13 und R14 gebildeter Spannungsteiler ist zwischen einem Abriffspunkt zwischen dem Widerstand R9 und der Parallelschaltung mit der Kapazität C2 und dem Widerstand R10 und einem Abgriffspunkt zwischen dem Spannungsteiler R16, R15 angeordnet.

Claims (14)

1. Schaltungsanordnung (SO) zum Trennen einer Spannungsquelle (UE) von einem Verbraucher (L) mit

• - einer ersten Entscheidereinheit (S1) zur Abgabe eines Steu­ ersignals für eine den Verbraucher (L) und die Spannungs­ quelle (UE) verbindende Trenneinheit (A) zum Trennen des Ver­ brauchers (L) von der Spannungsquelle (UE), wenn eine an einen ersten Eingang der Entscheidereinheit (S1) anliegende erste Spannung größer ist als eine an einen zweiten Eingang der ersten Entscheidereinheit (S1) anliegende zweite Span­ nung,
• - einer Meßeinheit (M), die entsprechend der Höhe des Stromes durch den Verbraucher (L) die erste Spannung beeinflußt, dadurch gekennzeichnet,
  daß eine zweite Entscheidereinheit (S2) zwischen dem Verbrau­ cher (L) und dem ersten Eingang der ersten Entscheidereinheit (S1) angeordnet ist, die bei einem Kurzschluß im Verbraucher (L) die erste Spannung am ersten Eingang der ersten Entschei­ dereinheit (S1) derart vergrößert, so daß die erste Entschei­ dereinheit (S1) bleibend das Steuersignal zum Trennen des Verbrauchers (L) von der Spannungsquelle (UE) an die Trenneinheit (A) abgibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einheit (RI) zur Reduzierung der ersten Span­ nung am ersten Eingang der Entscheidereinheit (S1) parallel zur Spannungsquelle (UE) vorgesehen ist, wobei die Reduzie­ rung der ersten Spannung bei einer Verringerung der Ausgangs­ spannung der Spannungsquelle (UE) durchgeführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einheit (RS) zur Anhebung der zweiten Span­ nung zwischen dem zweiten Eingang der ersten Entscheiderein­ heit (S1) und einem ersten Anschluß der Spannungsquelle (UE) vorgesehen ist, wobei die Anhebung der zweiten Spannung bei einer Erhöhung der Ausgangsspannung der Spannungsquelle (UE) durchgeführt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der zweiten Entscheidereinheit (S2) eine Ver­ zögerungseinheit gebildet aus einem Widerstand (R6) und einer Kapazität (C4) angeordnet ist, wobei der Widerstand (R6) in die Verbindung zwischen dem Verbraucher (L) und der zweiten Entscheidereinheit (S2) eingefügt ist und die Kapazität (C4) mit dem mit der Spannungsquelle (UE) verbundenen Anschluß der Trenneinheit (A) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (M) zwischen der Trenneinheit (A) und der Spannungsquelle (UE) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Entscheidereinheit (S1) mit einem ersten Opera­ tionsverstärker (OP1) gebildet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Entscheidereinheit (S2) mit einem zweiten Operationsverstärker (OP2) gebildet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Entscheidereinheit (S2) mit einem Transistor (Tr) gebildet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einheit (RI) aus einer Serienschaltung mit einem Widerstand (R6) und einer Kapazität (C3) und mit einem weiteren Widerstand (R12) gebildet ist, wobei der weitere Wi­ derstand (R12) einen Abgriffspunkt zwischen dem Widerstand (R6) und der Kapazität (C3) mit dem ersten Eingang der ersten Entscheidereinheit (S1) verbindet.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einheit (RS) mit einer Serienschaltung beste­ hend aus einer Diode (D5), einem Widerstand (R9) und einer Parallelschaltung bestehend aus einer Kapazität (C2) und einem Widerstand (R10) gebildet ist.

11. Verfahren zum Trennen einer Spannungsquelle (UE) von einem Verbraucher (L) bei dem durch Abgabe eines Steuer­ signals von einer ersten Entscheidereinheit (S1) an eine Trenneinheit (A) ein Verbraucher (L) von der Spannungsquelle (UE) getrennt wird, wenn eine an einen ersten Eingang der er­ sten Entscheidereinheit (S1) anliegende erste Spannung größer wird als eine an einem zweiten Eingang der ersten Entschei­ dereinheit (S1) anliegende zweite Spannung, wobei die erste Spannung durch eine einen Kurzschlußstrom durch den Verbrau­ cher (L) proportionalen Ausgangsspannung einer Meßeinheit (M) angehoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kurzschluß im Verbraucher (L) die erste Span­ nung am ersten Eingang der ersten Entscheidereinheit (S1) derart durch ein von einer zweiten den Kurzschluß im Verbrau­ cher (L) erkennenden Entscheidereinheit (S2) abgegebenes Aus­ gangssignal vergrößert wird, daß die erste Entscheidereinheit (S1) bleibend das Steuersignal zum Trennen des Verbrauchers (L) von der Spannungsquelle (UE) abgibt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß erste Spannung am ersten Eingang der ersten Entschei­ dereinheit (S1) durch eine erste Einheit (RI) herabgesetzt wird, wenn sich die Ausgangsspannung der Spannungsquelle (UE) verringert.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung am zweiten Eingang der ersten Ent­ scheidereinheit (S1) durch eine zweite Einheit (RS) angehoben wird, wenn sich die Ausgangsspannung der Spannungsquelle (UE) erhöht.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Entscheidereinheit (S2) verzögert eingeschal­ tet wird.