DE19851973A1 - Schaltungsanordnung zur Gewinnung von Hilfsenergie zum Betrieb einer Steuereinheit - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Gewinnung von Hilfsenergie zum Betrieb einer Steuereinheit eines Schaltgerätes beschrieben. DOLLAR A Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung umfaßt ein spezielles Schaltnetzteil, zu dem eine Reihenschaltung aus einem Übertrager T und einem in Abhängigkeit von dessen Sekundärspannung pulsweitenmoduliert gesteuerten Feldeffekttransistor V¶1¶ gehören. An das Schaltnetzteil ist eine Spannung angelegt, die von einem Strom im Hauptstrompfad des Schaltgerätes abhängig ist und z. B. durch Abgriff an einem stromdurchflossenen Leiter oder an einem Widerstand gewonnen wird. Eine Ansteuerschaltung PWM für die pulsweitenmodulierte Steuerung des Feldeffekttransistors V¶1¶ ist über einen Schalter S zeitweise mit einer Startgleichspannung U¶S¶ beaufschlagbar. Zur Bereitstellung der Startgleichspannung U¶S¶ ist eine Schaltung vorgesehen, die einen als Stromwandler T¶S¶ eingesetzten Übertrager aufweist, dessen Primärwicklung vom Netzstrom durchflossen wird und dessen in seiner Sekundärwicklung bei einer Primärstromänderung induzierte Spannung nach Gleichrichtung zur Ladung einer aufladbaren Batterie oder eines Kondensators C¶3¶ benutzt wird. DOLLAR A Die beschriebene Schaltungsanordnung ist besonders für Schaltgeräte (LS) in Gleichstromnetzen geeignet. Die Steuereinheit (A) kann dabei der elektronische Überstromauslöser eines Leistungsschalters sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Gewinnung von Hilfsenergie zum Betrieb einer Steuereinheit eines Schaltgerätes aus einem durch einen Hauptstrompfad des Schaltgerätes fließenden Strom. Die Steuereinheit kann insbe­ sondere ein elektronischer Überstromauslöser sein, der sei­ nerseits einen Auslösemagnet betätigt, um Schaltkontakte des Schaltgerätes, z. B. eines Leistungsschalters, zu öffnen.

Steuereinheiten der hier betrachteten Art, z. B. strom- oder spannungsüberwachende Baugruppen, benötigen zu ihrem Betrieb Hilfsenergie in Form einer Versorgungsspannung, die möglichst von dem betreffenden Netz selber bereitgestellt werden soll, d. h. ohne die Bereitstellung fremder Energie durch eine zu­ sätzliche Energiequelle.

In Wechselspannungsnetzen kann diese Hilfsenergie meist pro­ blemlos durch den Einsatz magnetischer Übertrager, insbeson­ dere Stromwandler gewonnen werden. Beispiele hierfür sind der WO 98/13917 oder der US 4,562,506 zu entnehmen. In Gleich­ spannungsnetzen besteht diese Möglichkeit nicht. Es verbleibt nur die Anwendung einer Fremdenergiequelle oder eines Hilfs­ spannungsnetzes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine zum Betrieb der Steuereinheit eines Schaltgerätes benötigte Hilfs­ energie aus dem Hauptstrompfad bereitstellt und auch in ei­ nem Gleichstromnetz anwendbar ist.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß aus vom Strom im Hauptstrompfad abhängigen Spannung durch Takten, Transformieren auf die Sekundärseite eines Übertra­ gers und Gleichrichten eine Versorgungsgleichspannung für die Steuereinheit gewonnen wird, wobei die genannte Spannung an einer Reihenschaltung aus einem Übertrager und einem in Ab­ hängigkeit von dessen Sekundärspannung durch eine Ansteuer­ schaltung pulsweitenmoduliert gesteuerten Feldeffekttransi­ stor angelegt ist und die Ansteuerschaltung über einen Schal­ ter zeitweise mit einer Startgleichspannung beaufschlagbar ist.

Das durch den Übertrager und den Feldeffekttransistor gebil­ dete Schaltnetzteil setzt eine sehr niedrige Spannung auf die für den Betrieb der Steuereinheit benötigten Werte herauf.

Die genannte niedrige Spannung kann z. B. durch einen Abgriff an einem stromdurchflossenen Leiter des Hauptstrompfades des Schaltgerätes gewonnen werden. Dies ist mit sehr geringem Aufwand durch eine zusätzliche Klemmstelle in Verbindung mit einer Anschlußstelle am Schaltgerät zu verwirklichen. Weitere gleichfalls mit geringem Aufwand durchführbare Möglichkeiten zur Gewinnung der niedrigen Spannung bestehen darin, einen in Reihe mit dem Hauptstrompfad oder parallel hierzu geschalte­ ten Widerstand vorzusehen. Dabei braucht der betreffende Wi­ derstand kein gesondertes Bauelement zu sein, sondern kann z. B. durch eine örtliche Verringerung des Querschnittes ei­ nes stromführenden Leiters des Hauptstrompfades bzw. eine Aufteilung in parallele Zweige ausgebildet sein.

Durch den Einsatz eines niederohmigen Feldeffekttransistors ist es möglich, auch bei kleinsten Spannungen noch einen re­ lativ hohen Strom auf der Sekundärseite des Übertragers zu gewinnen.

Die Hilfsenergie für den Betrieb der Ansteuerschaltung des Feldeffekttransistors wird zweckmäßig durch eine Hilfswick­ lung am Übertrager gewonnen.

Wesentlich für Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist der Start des Schaltnetzteils durch die vorübergehende Zuschal­ tung einer Startgleichspannung. Hierdurch werden dem Feldef­ fekttransistor und seiner Ansteuerschaltung eine Versorgungs­ spannung in Höhe von ca. 10 V zugeführt.

Die Startgleichspannung kann durch eine Batterie, einen Puf­ ferkondensator oder eine andere geeignete Energiequelle be­ reitgestellt werden.

Die Ladung der Batterie oder des Kondensators kann z. B. aus einer Solarzelle oder aus dem Netz selber erfolgen.

Für den letztgenannten Fall ist nach einer Weiterbildung der Erfindung eine Schaltung vorgesehen, die einen als Stromwand­ ler eingesetzten Übertrager aufweist, dessen Primärwicklung vom Netzstrom durchflossen wird und dessen in seiner Sekun­ därwicklung bei einer Änderung des Primärstromes induzierte Spannung nach Gleichrichtung zur Ladung einer aufladbaren Batterie oder eines Kondensators benutzt wird.

Die Zuschaltung der Startgleichspannung wird zweckmäßig durch den Strom im Hauptstrompfad gesteuert, z. B. über einen Ma­ gnetschalter, der bei Unterschreiten eines bestimmten Wertes des Stromes die Startgleichspannung zuschaltet.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist nicht nur für Gleichstrom, sondern ist vorteilhaft auch in Wechselspan­ nungsnetzen verwendbar, wenn dem Schaltnetzteil ein Gleich­ richter vorgeschaltet wird. Zweckmäßig wird dazu ein gesteu­ erter Gleichrichter verwendet bzw. wird das Schaltnetzteil nur in Abschnitten einer Halbwelle der Wechselspannung be­ trieben.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnung zei­ gen

Fig. 1 den Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen Schalt­ netzteils zur Gewinnung von Hilfsenergie und

Fig. 2 eine Schaltung analog zu der nach Fig. 1 im Zusammen­ wirken mit einer aus dem Netz gewonnenen Startgleich­ spannung.

Fig. 3 eine bidirektionale Ausführung eines Halbleiter­ schalters.

Die Ausführungsbeispiele gehen von einem auf Überstrom über­ wachten Gleichspannungsnetz aus. Im Hauptstrompfad 1 eines als Leistungsschalter ausgebildeten Schaltgerätes LS für ein Gleichspannungsnetz ist ein Widerstand R_S gezeigt, dessen Spannung zur Gewinnung der Hilfsenergie verwertet wird. Mit der Hilfsenergie soll die Stromüberwachung erfolgen und im Bedarfsfall das Schaltgerät LS mittels einer Steuereinheit A geschaltet werden. Der Widerstand R_S kann ein für Meßzwecke vorgesehener Widerstand sein. Der Widerstand braucht jedoch nicht körperlich als gesondertes Bauelement vorhanden zu sein, da an dem Hauptstrompfad bzw. dem zugehörigen strom­ durchflossenen Leiter z. B. einer Anschlußschiene, eine für die Zwecke der Erfindung geeignete Spannung abzugreifen ist.

Die über dem Widerstand R_S abgenommene niedrige Spannung wird auf die Primärwicklung W₁ eines Übertragers T und einem Halb­ leiterschalter V₁ geführt, der vorzugsweise als Feldeffekt­ transistor ausgebildet sein kann. Der Halbleiterschalter V₁ bildet zusammen mit dem Übertrager T und seiner zugehörigen Ansteuerschaltung PWM die als Pulsweitenmodulations-Steuerung ausgebildet ist, ein Schaltnetzteil, das die extrem niedrige Spannung des Widerstandes R_S auf die von einer Elektronik auf der Sekundärseite des Übertragers T, die durch die Sekundär­ wicklung W₂ realisiert ist, benötigten Werte heraufsetzt.

Die Spannung der Sekundärwicklung W₂ wird, wie hier mit einer Gleichrichterdiode D₁ und einem Speicherkondensator C₁ ange­ deutet ist, gleichgerichtet und steht dann einer Steuerein­ heit A des Schaltgerätes LS zur Verfügung.

Der als Feldeffekttransistor ausgebildete Halbleiterschalter V₁ ist sehr niederohmig, so daß es möglich ist, mit sehr kleinen Widerstandswerten für den Widerstand R_S zu arbeiten.

Die Spannungsversorgung der Pulsweitenmodulations-Steuerung PWM erfolgt durch eine Hilfswicklung W_H am Übertrager T, des­ sen Spannung auf einen Kondensator C₂ geführt wird. Die Span­ nung auf der Sekundärseite des Übertragers T wird konstantge­ regelt über die Frequenz der Ansteuerschaltung PWM, der zu diesem Zweck über einen Trennverstärker 2 die gleichgerichte­ te Spannung der Sekundärwicklung W₂ als Eingangssignal zuge­ führt wird.

Zum Anschwingen der Schaltung wird eine Startgleichspannung U_S benötigt, die am Beginn des Betriebes der Schaltung über einen Schalter S zugeschaltet wird. Der Schalter S wird durch den Strom in dem Hauptstrompfad 1 magnetgesteuert geschaltet, d. h. er wird ab einer bestimmten Stromhöhe in dem Hauptstrompfad 1 wieder ausgeschaltet, wenn das Schaltnetz­ teil genügend Energie überträgt, um auch seinen eigenen Be­ trieb aufrechtzuerhalten.

Fig. 2 zeigt nun eine spezielle Startschaltung für ein Schaltnetzteil, das analog zu dem nach Fig. 1 aufgebaut ist. Der Unterschied zum Schaltungsaufbau nach Fig. 1 besteht le­ diglich darin, daß die Gleichrichtung auf der Sekundärseite des Übertragers T durch eine Gleichrichterbrücke GR₁ reali­ siert und die Ansteuerschaltung PWM des Halbleiterschalters V₁ sekundärseitig angeordnet ist.

Die Startgleichspannung U_S für die Ansteuerschaltung PWM des Halbleiterschalters V₁ wird durch das überwachte Netz selber gewonnen, d. h. durch den Strom in dem Hauptstrompfad 1. Hierzu dient ein Stromwandler T_S. Eine Stromänderung, z. B. ein ansteigender Strom, in dem Hauptstrompfad 1 induziert auf der Sekundärseite des Stromwandlers T5 eine Spannung, die in einer Gleichrichterbrücke GR₂ gleichgerichtet und auf einen Speicherkondensator C₃ gegeben wird. Am Speicherkondensator C₃ erfolgt eine Spannungsbegrenzung durch eine Zenerdiode Z.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltfunktion des Schalters S wird in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 durch einen Feldeffekt­ transistor V₂ realisiert, der seine Schaltfreigabe von einem Komparator K erhält, welcher die Höhe der Startgleichspannung U_S überwacht. Wird am Speicherkondensator C₃ eine entspre­ chend hohe Startgleichspannung U_S erreicht, so wird die Kon­ densatorenergie auf die Ansteuerschaltung PWM des Halbleiter­ schalters V₁ geleitet und damit das Anschwingen und die nach­ folgende Eigenversorgung des Schaltnetzteils mit Hilfe des Widerstandes R_S gestartet.

Zur Trennung der Kreise "Startgleichspannung" und "Schaltnetzteil" sind Trenndioden D₂ und D₃ vorgesehen.

Die am Stromwandler T_S sekundärseitig gewonnene Spannung kann neben der Gewinnung der Startspannung für das Schaltnetzteil darüber hinaus für eine dynamische Stromerfassung in einer Stromauswerteschaltung 3 genutzt werden.

Wie bereits erwähnt, kann die beschriebene Schaltungsanord­ nung auch in Wechselstrom-Schaltgeräten eingesetzt werden. In diesem Fall empfiehlt es sich, als Halbleiterschalter V1 eine bidirektional arbeitende Kombination von Feldeffekttransisto­ ren gemäß der Fig. 3 zu benutzen. Hierdurch werden beide Halbwellen der am Widerstand R_S abfallenden Spannung ausge­ nutzt.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zur Gewinnung von Hilfsenergie zum Be­ trieb einer Steuereinheit (A) eines Schaltgerätes (LS) aus einem durch einen Hauptstrompfad (1) des Schaltgerätes (LS) fließenden Strom, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer vom Strom im Hauptstrompfad (1) abhängigen Spannung durch Takten, Transformieren auf die Sekundärseite eines Übertragers (T) und Gleichrichten eine Versorgungsgleichspan­ nung für die Steuereinheit (A) gewonnen wird, wobei die ge­ nannte Spannung an einer Reihenschaltung aus einem Übertrager (T) und einem in Abhängigkeit von dessen Sekundärspannung durch eine Ansteuerschaltung (PWM) pulsbreitenmoduliert ge­ steuerten Halbleiterschalter (V₁) angelegt ist, und die An­ steuerschaltung (PWM) über einen Schalter (S) zeitweise mit einer Startgleichspannung (U_S) beaufschlagbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (T) zur Spannungsversorgung der Ansteuerschal­ tung (PWM) des Halbleiterschalters (V₁) mit einer Hilfswick­ lung (W_H) versehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S) zur zeitweisen Zuschaltung der Startgleich­ spannung (U_S) ein durch den Strom im Leiter betätigter Ma­ gnetschalter ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S) zur zeitweisen Zuschaltung der Startgleich­ spannung (U_S) durch einen Feldeffekttransistor (V₂) reali­ siert ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabe des Feldeffekttransistors (V₂) zum Schalten in den leitenden Zustand durch die Startgleichspannung (U_S) ge­ steuert ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Bereitstellung der Startgleichspannung (U_S) eine Bat­ terie aufweist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Bereitstellung der Startgleichspannung (U_S) einen Speicherkondensator (C₃) aufweist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie oder der Speicherkondensator (C₃) von einer So­ larzelle nachladbar ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie oder der Speicherkondensator (C₃) von einer aus der Sekundärwicklung eines mit dem Hauptstrompfad (1) des stromführenden Strom des Leiters magnetisch gekoppelten Stromwandlers (T_S) bei Stromänderung in dem stromführenden Leiter gewonnenen und gleichgerichteten Spannung nachladbar ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der stromführende Leiter der Hauptstrompfad (1) eines Gleich­ spannungsnetzes ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der stromführende Leiter der Hauptstrompfad eines Wechsel­ spannungsnetzes und die am Hauptstrompfad (1) abgenommene Spannung gleichgerichtet ist.