DE2204099A1 - Überstrom-Schutzschaltung für einen Spannungskonstanthalter - Google Patents

Description

Brit.Serial No: 03604 * ^W

Filed: February I, 1971

RCA Corporation New York, N..Y., V.St.A.

Überötrom-Schuozschaltung für einen Spannungskonstanthalter.

Die Erfindung bezieht siuh auf Überstrom-Schutzscnaltumgen und betrifft speziell eine Überstrom-Schutzschaltung für ein spannungsgeregeltes Netzgerät.

Die hier zu beschreibende Überstrom-Schutzschaltung ist von einem Typ, der sich in Anlehnung an die amerikamische ■Fachsprache mit "Foldback"-Schutzschaltung bezeichnen läßt. Der AusdrucK "Foldback" ist hergeleitet vom Verlauf der Strom/ SpannungsKennlinie an den Lastklenuen eines mit einer derartigen Schutzschaltung versehenen Netzgeräts, denn diese Kennlinie nat einen "zurückgeknickten" (Folded back) Abschnitt. 7/enn der durch die Last eines solchen Netzgeräts fließende Strom kurzzeitig einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet, dann wird die "Foldback"-Schaltung wirksam und vermindert den Stromfluß durch die Last.

In einem bekannten seriengeregelten Spannungskonstanthalter mit FoldDack-Schutzschaltung ist gewöhnlich ein stromfühlender Widerstand in Reihe m.it der Last geschaltet. Wenn der Strom durch den Fühlwiderstand einen bestimmten Wert überschreiten will, dann wird die Foldoack-Schaltung wirksam und verringert gewöhnlich die Stromleitung durch das als Regler verwendete Längsglied.

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Die vorliegende Erfindung hat gegenüber den typischen bekannten Foldback-Schutzschaltungen mancherlei Vorteil. Ein solcher Vorteil ist die höhere AasprechempfindlichKeit für die Auslösung des Foldbackbetriebs. Ein zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Steuerschaltung für das spannungsregälnde Element ebenso wie das spannungsregelnde Element selbst geschützt wird.

Gegenstand der Erfindung ist eine Überstrom-Schutzschaltung in einem Spannungskonstanthalter, der zwei Eingangsklemmen, zwei Ausgangsklemmen und eine Einrichtung zur Konstanthaltung der an den Ausgangsklemmen auftretenden Spannung aufweist. Die erfindungsgemäs^e Schutzschaltung besteht aus einer mit der spannungskohstanthaltenden Einrichtung,und mit den Ausgangsklemmen verbundenen Brückenschaltung. Ferner ist ein normalerweise nichtleitendes Element zwischen einer Ausgangsklemme und einen Anschluß der Brücke geschaltet. Dieses Element wird leitend, wenn der Strom durch die Last größer als ein bestimmter Maximalwert ist. Ferner ist ein veränderliches Impedanzelement vorgesehen, welches mit der spannungskonstanthaltenden Einrichtung und mit dem normalerweise ηichtleitenden Element verbunden ist. Der Impedanzwert des veränderlichen Impedanzelements ist im Normalbetrieb niedrig und erhöht sich, wenn das normalerweise nichtleitende Element infolge eines den Maximalwert überschreitenden Laststroms leitend wird.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert:

Figur 1 zeigt das Schaltschema eines seriengeregelten Spannungskonstanthalters mit einer Ausführungsform d«=r Erfindung;

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Figur 2 zeigt die idealisierte Foldback-Kennlinie der in Figur gezeigten Ausführungsfοrm der Erfindung.

Der in Figur 1 dargestellte seriengeregelte Spannungskonstanthalter 10 hat zwei Eingangsklemmen 11 und 12 und zwei Ausgangsklemmen 13 und 14· Eine (:nicht gezeigte) ungeregelte Spannungsquelle ist an die Eingangsklemmen 11 und 12 angeschlossen.Eine mit dem Widerstand R^ veranschaulichte Last liegt zwischen den Ausgangsklemmen 13 und 14. Bei der dargestellten Ausführungsform des Konstanthalters 10 sind die Eingangsklemme 12 und die Ausgangsklemme 14 mit einem Bezugspotential verbunden, welches im vorliegenden Fall Masse ist.

Der Konstanthalter 10 besitzt als Serienregler einen Längstransistor Qp mit dem Kollektor 15, dem Emitter 16 und der Basis 17. Der Serienregeltransistor Q_? wild von einem öteuertransistor Q, gesteuert, dessen Kollektor mit 18, dessen Emitter mit 19 und dessen Basis mit 20 bezeichnet ist. Der Emitter des Transistors Q₁ ist eleKtrisch mit dem Kollektor des Transistors Qp verbunden. Der gemeinsame Anschluß dieser beiden Elektroden ist eleKtrisch mit der Eingangsklemme 11 des Konstanthalters verbunden. Der Kollektor 18 des Transistors Q₁ ist mit der Basis 17 des Transistors Qp verbunden.

Der Emitter 16 des Serienregeltransistors Qp liegt an einem Ende eines Stabilisierungswiderstands R„-, , dessen anderes Ende mit der Ausgangsklemme 13 verbunden ist.

Wie bereits erwähnt, liegt die Last, die irgendeine übliche Belastung sein kann und schematisch als Widerstand R_x darge-

Jj

stellt ist, zwischen den Ausgangsklemmen 13 und 14.

Ein Widerstand Rp ist mit einem Ende an den Verbindungspunkt 21 angeschlossen, der dem Kollektor 18 des Transistors Q₁ und

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der Basis 17 des transistors Qp gemeinsam ist. Das andere Ende des Widerstands R₂ liegt am Verbindungspunrct 22.

Zwischen den Verbindungspunkt 22 und die Ausgangsklemaie 14 ist ein weiterer Widerstand R- geschaltet.

Die letztgenannten Verbindungen ergeben eine Brückenschaltung 23 mit vier Zweigen und vier Anschlußpunkten. Die vier Anschlüsse der Brückenschaltung 23 sind die Verbindungspunkte 21 und 22 und die Ausgangsklemmen 13 und 14. Die vier Zweige der BrücKenschaltung 23 werden gebildet aus a) dem Widerstand Rp, b) dem Widerstand R^, c) der Last R_T, und d) der Reihenschaltung aus dem Widerstand R^, und dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q₂.

Die Schaltung enthält ferner einen ⁱransistor Q mit dem Emitter 24, dem Kollektor 25 und der Basis 26. Der Emitter 24 des Transistors Q_ liegt an d^r AufrgargEkleniiße 13. Die Basis 26 des Transistor^ Q₁, liegt am Knotenpunkt 22 der BrücKenschaltung 23. Der Kollektor 25 des Transistors Q^. ist mit einem Ende des Widerstands R-, verbunden, dessen anderes Ende mit der Eingangsklemme 11 des Spannungskonstanthalters 10 verbunden ist.

Die Schaltung enthält ferner einen J-ransistor Q. mit dem Emitter 27, dem Kollektor 28 und der Basis 29. Der Kollektor 2ö des Transistors Q₄ ist mit der Basis 20 des Steuertransistors Q, verbunden. Die Basis 29 des Transistors Q. ist mit dem Kollektor 25 des Transistors Q, verbunden. Der Emitter 27 des Transistors Q. ist mit einer Verstärkerschaltung 30 verbunden.

Der Verstärker J>0 erhält seine Eingangssignale von der Ausgangsklemme 13 über die Leitung 31. Die auf der Leitung 31

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erscheinenden Signale sind das Abbild der an der Last R-. abfallenden Signalwellen. Die Vorspannung für den Verstärker 30 wird über den Widerstand Rg geliefert, der zwischen der Eingangsklemme 11 und dem Verstärker 3^ϋ liegt.

Im Normalbetrieb empfängt der seriengeregelte Spannungskonstanthalter 10 an seinen Eingangsklimmen 10 und 12 eine ungeregelte Spannung Vj^. Die zwischen den Ausgangsklemmen 13 und 14- auftretende Spannung wird über die Leitung 31 auf den Verstärker 30 rückgekoppelt. Der Transistor Q. befindet sich normalerweise in der Sättigung, weil seine Basis 29 über den Widerstand R,■ reichlich mit Strom versorgt wird.

Der Transistor Q^ ist normalerweise, d.h. während des normalen Regelbetriebs des Spannungskonstanthalters 10, gesperrt. Der Transistor Q, wird jedoch durch die an seiner Basis 26 und seinem Emitter 24 liegenden Spannungen nahe an der Schwelle zur Leitfähigkeit gehalten.

Wenn die an der Last R^ abfallende Spannung größer oder kleiner als der Sollwert, d.h. der konstant zu haltende Wert wird, dann wird diese Spannungsänderung von der Leitung 31 und somit vom Verstärker 30 gefühlt. Der Verstärker 30 liegt daraufhin ein entsprechendes Signal an den Emitter 27 des Transistors Q.. Dieses vom Verstärker 30 gelieferte Signal läßt den Strom über die Kolletitor-Emitter-Strecke des Transistors Q, je nach den Verhältnissen an der last ansteigen oder absinken. Diese Änderung des Kollektor-Emitter-Stroms des Transistors Q, beeinflußt die Stromleitung durch den Steuertransistor Q,, der seinerseits wieder den Stromfluß durch den 8erienregeltransistor Q_p beeinflußt. Wenn nun ein Umstand eintritt, wie bdspielsweise ein Kurzschluß über die Last, der ein Anwachsen des Laststroms über den Maximalwert zur Folge haben würde, dann wird der

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"F oldback"-Betrieb des Spannungskonstanthalters IO ausgelöst. Die Brückschaltung 23 reagiert sehr empfindlich auf Änderungen des Laststroms, weil sich in dem zwischen den Anschlüssen 21 und 13 liegenden Zweig der Brückenschaltung 23 der Basis-Emitter-ÜDergang des Transistors Q₂ befindet. Die hohe Empfindlichkeit kommt daher, daß beim Anwachsen des KolleKtorstroms des Transistors Qp₁ der gleichzeitig der Laststr.om ist, die Basis-Emit ter-Spannung des Transistors Q_? ebenfalls anwächst. Die Änderung des Kollektorstroms mit der Basis-Emitter-Spannung folgt einer nichtlinearen Funktion, nach welcher sich starke Änderungen des' Koliektorstroms für verhältnismässig geringe Änderungen der Basis-Emitter-Spannung ergeben. Der besagte Zweig der Brückenschaltung 23 reagiert somit auf Änderungen empfindlicher als ein einfacher Fühlwiderstand.

Wenn der normalerweise gesperrte Transistor Q_. leitend wird, dann wird der Basisstrom für den Transistor Q. von der Basis 29 des Transistors Q. auf die Kollektor-Emitter-ötrecke des Transistors Q-, umgeleitet.

Der normalerweise in der Sättigung befindliche Transistor Q, ist im Sättigungszustand niederohmig. Wenn der Transistor Q„ leitend wird, dann wird der Widerstandswert der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q. im Vergleich zu seinem vorherigen Sättigungszustand verhältnismässig hoch. Der Transistor wird nicht vollständig gesperrt, wenn der Transistor Q

Q.

leitfähig wird. Der restliche Stromfluß in der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q. ist notwendig, damit der Steuertransistor Q₁ und der Serienregeltransistor Q₂ nicht vollständig sperren. Es ist wichtig, eine Sperrung der Transistoren Q 1 und Q 2 zu verhindern, um die Vorspannungsbedingungen einzuhalten, unÄer denen die gesamte Foldback-Sohaltung mit de; Transistoren Q_, Q., Q₁ und Q₂ in Betrieb gehalten wird.

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Es ist einzusehen, dai3 die Einfügung einer verhältnisnässig hohen Impedanz vor dem Steuertransistor Q.. eine Übermässige Verlustleistung verhindert und somit einen Sckutz für den Steuertransistor Q-. , den üerienregeltransistor Qp und die stromführenden Elemente des Verstärkers 30 während des Vorhandenseins einer Überstrombedingung gewährleistet.

Anhand der. Figur 2 ist zu sehen, daß die zwischen den Lastklemmen 13 und 14 auftretende Spannung für einen bis zu einem Maximalwert reichenden Bereich von Lastströmen ziemlich konstant auf dem zu regelnden Wert gehalten wird. Sobald der maximale Laststrom überschritten ist, wird die vorstehend beschriebene Holdback -Schaltung wirksam, und der Strom wird bis auf einen Minimalwert verringert, der vom Wert des Lastwiderstandes R₁. abhängt. Figur 2 zeigt die zurückgeknickte (Foldback-)Kennlinie der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung.

Im Schaubild der Figur 2 sind ferner über der zurückgeknickten Kennlinie die Widerstandsgeraden für mehrere Lastwiderstandswerte eingezeichnet, um die Wirkungsweise der Schaltung erläutern zu könram. Wenn die Last dem Widerstandswert R_L1 hat, dann ist die Spannung an der Last gleich der geregelten Spannung,und der durch die Last fließende Strom hat den Wert I, . Wenn der Wert des Lastwiderstands abnimmt, d.h. sich in Richtung eines Kurzschlusses auf einen Wert R_{T o} einstellt, dann ist die an der Last auftretende Spannung immer noch gleich der geregelten Ausgangsspannung, während der durch die Last fließende Strom jedoch auf einen Wert Ip gestiegen, iait. Wenn der Lastwiderstand weiter abnimmt und den in Figur 2 m.it R_LF bezeichneten Wert annimmt, dann fließt durch die Last der Maximalstrom, und der "Foldback"-Betrieb im zurückgeknickten Teil der Kennlinie beginnt.

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Bei weiterer Abnahme des Lastwiderstands auf den Wert R__

Uli

stellt die Foldback-Schaltung den Laststrom auf einen Wert IqI₁ ein, d.h. auf den Punkt, wo die Widerstandsgerade für den Widerstand Rq^ die zurückgeknickte Kennlinie schneidet. Wenn der Widerstand der Last schließlich auf Null vermindert ist, fließt durch die Last nur der !»!inimälstrom I_MTN·

Mit der Erfindung ist somit eine Foldback-Schaltung geschaffen, deren Empfindlichkeit erhöht ist und die einen Schutz sowohl für die Steuerelemente als auch für das Regelelement bietet.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.)Überstrom-Schutzschaltung für einen Spannungskonstanthalter, der zwei Eingangsklemmen für die Zuführung einer ungeregelten Spannung und zwei Ausgangsklemmen für den Anschluß einer Last aufweist und eine die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen stabilisierende Einrichtung enthält, gekennzeichnet durch eine mit der stabilisierenden Einrichtung (Q-,, Qp,) verschaltete Brückenschaltung (23) mit einem ersten und einem zweiten Knotenpunkt (22, 21) und den beiden Ausgangsklemmen (13, 14) als weitere Knotenpunkte, ein zwischen eine Ausgangsklemme (13) und den ersten Knotenpunkt (22) der Brückenschaltung geschaltetes und normalerweise nichtleitendes Schaltelement (Q~), welches bei .einem über einem bestimmten Maximalwert liegenden Laststrom leitend wird, sowie ein mit der stabilisierenden Einrichtung und mit dem Schaltelement verschaltetes veränderliches Impedanzelement (Q.), welches normalerweise niederohmig ist und bei leitendem Schaltelement hochohmig wird, um den Laststrom frei vorübergehender Überschreitung des Maximalwerts zu vermindern.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Brückenschaltung (23) aus vier Zweigen besteht, deren einer die Last,(R^J hält und deren andere jeweils einen Widerstand (R₂, R-, Rg₁) enthalten.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

einer der anderen Zweige der Brückenschaltung (23) die

Basis-Emitter-Strecke eines bipolaren Transistors (Q₂) enthält, der einen dem Laststrom proportionalen Kollektorstrom führt.

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4. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der anderen Zweige der Brückenschaltung (23) das Schaltelement (Q-,) enthält, welches aus einem ersten Transistor mit einer Steuerelektrode und zwei Hauptelektroden besteht, wobei die erste Hauptelektrode (24) mit einer (13) der Ausgangsklemmen verbunden ist, und daß das veränderliche Impeäanzelement (Q₄) mit einem in der stabilisierenden Einrichtung enthaltenen Serienregler (Q₉) und mit der zweiten Hauptelektrode (25) des Transistors verbunden ist und einen normalerweise niedrigen Impedanzwert hat, der vom Stromfluß durch die Hauptelektroden des Transistors derart beeinflußbar ist, daß er bei einem den Maximalwert vorübergehend überschreitenden Laststrom hochohmig wird.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das veränderliche Impedanzelement ein zweiter Transistor (Q.) mit einer Steuerelektrode und zwei Hauptelektroden ist, der normalerweise im niederohmigen Sättigungszustand ist und dessen Steuerelektrode (29) mit der zweiten Hauptelektrode (25) des ersten Transistors (Q,) verbunden ist und dessen eine Hauptelektrode (2d) mit dem Serienregler (Q„) verbunden ist und der so vorgespannt ist, daß er zwischen seinen Haupt elektroden (27» 26) hochohmig ist, wenn der Laststrom seinen Maximalwert vorübergehend überschreitet.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienregler mindestens aus einem spannungsstabilieierenden Transistor (Q_?) mit einer Steuerelektrode und zv;ei Hauptelektrode besteht, und daß der Übergang zwischen der Steuerelektrode (17) und einer Hauptelektrode (16) in demjenigen Zweig der Brückenschaltung (23) liegt, der sich zwischen dem zweiten Knotenpunkt (21) der Brückenschaltung und der einen Ausgangsklemme (13) befindet.

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