DE2213921C2 - Elektronisches kurzschlußsicheres Schaltersystem - Google Patents

Description

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schaffen, dessen Sicherheit gegen Kurzschlüsse weniger störanfällig ist

Erfindurigsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Schaltungsmaßnabmen gelöst In einer solchen Schaltung wird nach Anlegen eines Steuersignal" an den einen Eingang der Koinzidenzschaltung nach dem nächster. Taktgeneratorinipuls das Steuersignal durchgeschaltet Durch die Rückkopplung vom Ausgang der Koinzidenzschaltung auf den anderen Eingang wird dieser Schaltzustand aufrechterhalten, solange das Steuersignal anliegt Bricht infolge einer Überlastung die Ausgangsspannung und damit die Rückkopplungsspannung zusammen, so schaltet die Koinzidenzschaltung das Ausgangssignal ab. Lediglich während der kurzen Prüfimpulse des Taktgenerator; fließt kurzzeitig ein Ausgangsstrom. Ist die Überlast oder der Kurzschluß beseitigt so wird die Ausgangsspannung wieder eingeschaltet Mit einem einzigen Taktgenerator kann eine Vielzahl von Schaltern sowohl nach Anlegen eines «> Steuersignals als auch nach Beendigung eines Kurzschlusses wieder eingeschaltet werden.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen *5 näher beschrieben und erläutert

Den Eingängen £1, £2 und £3 kann je ein Steuersignal, das im Ausführungsbeispiei hohes Potential hat und »1 «-Signal sei, zugeführt werden. Das dem Eingang EX zugeführte Steuersignal gelangt auf den einen Eingang einer Koinzidenzschaltung K1, die aus einem UND-Gatter besteht und anhand der die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung erläutert wird. Die Schalter mit den Koinzidenzschaltungen K 2, K 3, K 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung. Der Ausgang der Koinzidenzschaltung K 1 ist über einen Widerstand R 1 auf den zweiten Eingang rückgeführt. Ferner liegt am Ausgang eine Last RL1, die z. B. eine Glühlampe ist. Dem zweiten Eingang der Koinzidenzschaltung K1 werden über eine Entkopplungsdiode D1 die Ausgangsimpulse eines Taktgenerators TG zugeführt. Tritt am Eingang E1 ein Steuersignal auf, so ist mit dem nächsten Impuls des Taktgenerators TG die UND-Bedingung erfüllt, am Ausgang des UND-Gatters erscheint »!«-Signal, das über den Widerstand R1 auf den zweiten Eingang gelangt und so die UND-Bedingung aufrechterhält. Die Impulse des Taktgenerators TG müssen also mindestens so lange dauern, wie die Schaltzeit des UND-Gatters ist. Tritt im Ausgangskreis der Koinzidenzschaltung K1 ein Kurzschluß auf, so bricht die Ausgangsspannung zusammen, die UND-Bedingung ist nicht mehr erfüllt, so daß die Ausgangsspannung abgeschaltet wird und der Ausgang des UND-Gatters nicht mehr belastet ist. Mit dem nächsten Impuls des Taktgenerators TG wird das UND-Gatter kurz durchgeschaltet Besteht noch der Kurzschluß, so wird trotz des Durchschaltens des UND-Gatters die Ausgangsspannung praktisch nicht erhöht so daß nach dem Verschwinden des Impulses das UND-Gatter wieder abgeschaltet ist 1st der Kurzschluß aber beseitigt, so gibt das UND-Gatter »1«-Signal ab, so daß die UND-Bedingung wieder erfüllt ist.

Ein Nachteil der an den Eingang £! angeschlossener. Schaltung ist daß nach Anlegen einer Steuerspannung die Koinzidenzschaltung K 1 das Ausgangssignal mit ⁶J einer Verzögerung abgibt die durch den zeitlichen Abstand zwischen dem Beginn des Steuersignals und dem Auftreten des nächsten Taktgeneratorimpulses bedingt ist Die an dem Eingang £2 angeschlossene Schaltung vermeidet diesen Nachteil dadurch, daß die beiden Eingänge der Koinzidenzschaltung KI mit einem Kondensator C2 überbrückt sind. Die Vorderflanke des Steuersignals gelangt so gleichzeitig auf beide Eingänge der Koinzidenschaltung K 2, die aus einem UND-Gatter und einem dieser nachgeschaltetcn, in Kollektorschaltung arbeitenden Transistor 72 besteht und nach Auftreten eines Steuersignals »!«-Signal abgibt Dieses gelangt wiederum über einen Widerstand R 2 auf den zweiten Eingang der Koinzidenzschaltung K 2 und übernimmt nach Abklingen des über den Kondensator C2 geführten Impulses die Aufrechterhaltung der UND-Bedingung. Der Emitterfolger mit dem Transistor T2 dient als Leistungsausgangsstufe und speist die zur Last RL2 führende Leitung. Von seinem Ausgang muß die auf den zweiten Eingang des UND-Gatters geführte Spannung abgenommen werden, da dort im Falle eines Kurzschlusses die Spannung zusammenbricht

Im Unterschied zu der an den Eingang Et angeschlossenen Schaltung liegt der zweite Eingang des UND-Gatters der Koinzidenzschaltung K2 an einem Spannungsteiler mit den Widerständen R 2 und R 20, der zwischen dem Ausgang der Koinzidenzschaltung und Masse liegt. Dieser Spannungsteiler kann so eingestellt werden, daß die Spannung an seinem Abgriff nur wenig über der Schwellspannung des UND-Gatters liegt, so daß das Gatter schon abschaltet wenn die Ausgangsspannung infolge Überlastung nur wenig absinkt. Dadurch ist der Schutz der Koinzidenzschaltung K 2, insbesondere dessen Transistor T2 verbessert. Die Größe des Kondensators C2 ist so zu bemessen, daß der über ihn auf den zweiten Eingang des UND-Gatters gelangende Impuls mindestens so lange dauert, bis am Ausgang das »1«-Signal erscheint, das die Aufrechterhaitung der UND-Bedingung übernimmt. Ferner muß die maximal zulässige Flankensteilheit des Ansteuersignals und die maximal zulässige Ansteuerfrequenz der Koinzidenzschaltung K 2 berücksichtigt werden.

Im Falle eines Kurzschlusses in der von der Koinzidenzschaltung K2 zum Lastwiderstand RL2 führenden Leitung schaltet die Koinzidenzschaltung K 2 ihre Ausgangsspannung in der gleichen Weise wie die Schaltung K1 ab. Auch die Wiedereinschaltung durch die Impulse des Taktgenerators TG erfolgt in gleicher Weise über eine Entkopplungsdicde D 2.

Wie schon erwähnt, liefern die Koinzidenzschallungen K1 und K 2 auch im Kurzschlußfalle während der Dauer der Impulse des Taktgenerators TG einen Ausgangsstrom. Wird das Puls-Pausen-Verhältnis dieser ImpuSse sehr klein, ?.. B. 1 . !00, gewählt, so besteht im allgemeinen keine Gefahr tür die Leistungsausgangsstufen. In Sonderfällen, z. B. wenn sie eine höhere Ausgangsspannung liefern, können die Ausgangsstufen auch bei kleinem Puls-Pausen-Verhältnis zerstört werden. In der an den Eingang £3 angeschlossenen Koinzidenzschaltung K 3 ist der Ausgangsstrom der Leistungsstufe begrenzt. Die Ausgangsstufe, an die über eine Leitung eine Last RL 3, z. B. eine Relaiswicklung, angeschlossen ist besteht im wesentlichen aus einem in Emitterschaltung arbeitenden Transistor TZ mit einem Emitter-Widerstand R 30. Der Basis-Emitterstrecke des Transistors T3 und dem Emitter-Widerstand K 30 sind zwei hintereiinandergeschaltete, in Durchlaßrichtung gepolte Dioden £730 parallel geschaltet Der maximale Ausgangsstrom ist dann auf einen Wert begrenzt, der

etwa gleich dem Verhältnis der Durchlaßspannung einer Diode und dem Widerstand R 30 ist.

Da in der Koinzidenzschaltung K 3 zur Ansteuerung des Transistors TZ »O«-Signal erforderlich ist, wird als Gatter ein NAND-Glied verwendet, dessen einem Eingang das Steuersignal und dessen anderem Ausgang über einen Widerstand RZ das Ausgangssignal der Leistungsstufe zugeführt ist. Die Wiedereinschaltung der Koinzidenzstufe K 3 erfolgt ebenso wie die der Stufen K 1 und K 2 mit den Impulsen des Taktgenerators TG über eine Entkopplungsdiode D 3.

Eine Schaltung, in der der Endtransistor noch besser geschützt ist, ist an einem Eingang £4 angeschlossen. Eine Koinzidenzstufe KA enthält wie die Koinzidenzschaltung K3 ein NAND-Glied, an das ein Transistor TA angeschlossen ist, in dessen Kollektorkreis ein Lastwiderstand RL 4 liegt. Dieser soll eine Relaiswicklung sein, dem eine nicht bezeichnete Diode parallel geschaltet ist, über welche bei Abschalten des durch die Relaiswicklung fließenden Stromes die Induktionsspannung kurzgeschlossen wird. Die Kollektorspannung des Transistors TA ist wiederum als Haltespannung über einen Widerstand RA auf den zweiten Eingang der Koinzidenzschaltung KA rückgekoppelt. Diesem Eingang werden ferner über eine Diode DA die Impulse des Taktgenerator!; TGzugeführt.

In den Emi.tterkreis des Transistors TA ist ein Strommeßwiderstand RAO geschaltet, dem die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors TAi parallel geschaltet ist. Dieser bildet zusammen mit einem weiteren Transistor Γ42 einen Schwellwertverstärker. Die Größe des Widerstandes R 40 und der Schwellwert des Verstärkers sind so bemessen, daß, wenn der Strom

ίο durch den Widerstand Ä40 einen bestimmten, den Transistor TA· möglicherweise schädigenden Wert erreicht, eine solche Spannung abfällt, daß der Schwellwert des Verstärkers mit den Transistoren TAi und TA2 überschritten wird, diese beiden Transistoren in den Durchlsißzustand geschaltet werden und somit auf den zweiten Eingang der Koinzidenzschaltung »O«-Signal gegeben und die Koinzidenzbedingung aufgehoben wird. Mit dieser Schaltung läßt sich die Stromschwelle, oberhalb der der Ausgangsstrom abgeschaltet wird, besonders genau einstellen. Eine Diode D40 sorgi dafür, daß auch im Kurzschlußfalle während der Prüfimpulse der Strom durch den Endtransistor TA in zulässigen Grenzen bleibt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronisches kurzschlußsicheres Schaltersystem mit Schaltern, die je einen Ausgangstransistor, an den eine Last angeschlossen ist, und ein Koinzidenzglied enthalten, dessen einem Eingang das Eingangssignal zugeführt ist und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des jeweiligen Schalters verbunden ist und das im Falle einer Überlast des '° Schalters das Sperren des Ausgangstransistors bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Koinzidenzglieder mit den Ausgangstransistoren (T2, 7*3, Γ4) Koinzidenzschnltungen (K 7, KZ, K 4) bilden, welche als Schalter für die Last (RL 2, RLZ, RL 4) arbeiten, daß die zweiten Eingänge für die Koinzidenzglieder mit einem allen Koinzidenzschaltungen (K 2, K 3, KA) gemeinsamen, Impulse mit kleinem Puls-Pausenverhältnis abgebenden Taktgenerator (TG) verbunden sind, daß die Koinzidenz- to glieder die Ausgangstransistoren (TX TX 7"4) durchschalten, wenn ein Eingangssignal angelegt ist und ihrem zweiten Eingang ein Impuls zugeführt ist, daß an die Ausgangstransistoren (T2, T3, 74) die Last (RL 2, RL 3, RL 4) jeweils derart angeschlossen »5 ist, daß bei durchgeschaltetem Ausgangstransistor und angelegtem Eingangssignal im Falle normaler Last eine Ausgangsspannung in solcher Höhe auftritt, daß die Koinzidenzbedingung für das Koinzidenzglied erfüllt bloibt, und im Falle eines Kurzschlusses im Lastkreis die Ausgangsspannung zusammenbricht, so daß die Koinzidenzbedingung aufgehoben wird.

2. Schaltersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der Koinzidenzschaltung von einem Kondensator (CX CZ) überbrückt sind.

3. Schaltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang der Koinzidenzschaltung (K 2) an den Abgriff eines zwischen dem Ausgang der Koinzidenzschaltung (K 2) und einem konstanten Potential liegenden Spannungsteilers (R 2, R 20) angeschlossen ist.

4. Schaltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kollektorkreis des Ausgangstransistors (TZ) der Lastwiderstand (RL Z) und im Emitterkreis ein Emitterwiderstand (RZO) liegt und daß der Reihenschaltung aus Basis-Emitterstrecke und Emitterwiderstand (RZO) zwei hintereinandergeschaltete, in Durchlaßrichtung ge- so polte Dioden (D 30) parallel geschaltet sind.

5. Schaltersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koinzidenzschaltung (K 4) einen Ausgangstransistor (TA) enthält, in dessen Kollektorkreis der Lastwiderstand (RLA) und in dessen Emitterkreis ein Strommeßwiderstand (R 40) liegt, daß am Strommeßwiderstand (R 40) ein Schwellwertverstärker (T 41, T42) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit solcher Polung auf den zweiten Eingang der Koinzidenzschaltung (KA) rückgeführt ist, daß, wenn der Spannungsabfall am Meßwiderstand (R 40) die Ansprechschwelle des Schwellwertverstärkers (T4\, T42) überschreitet, die Koinzidenzbedingung aufgehoben wird.

Die Erfindung betrifft ein elektronisches kurzschlußsicheres Schaltersystem gemäß dem Oberbegriff des

"lrTder Zeitschrift »electronics« Dezember 23, 1960, S 56 bis 59, ist ein geregeltes Netzgerät mit einer Überlastsicherung beschrieben, die einen Hilfstransistor enthält, welcher eingangsseitig von der Differenz zwischen der Kollektor-Emitterspannung eines im Laststromkreis liegenden Transistors und einer Konstantspannung angesteuert ist und der seinerseits in den Steuerkreis des Längstransistors geschaltet ist. Bei einem normalen Spannungsabfall am Längstransistor ist dieser Hilfstransistor gesperrt. Tritt aber eine Überlastung, z. B. infolge eines Kurzschlusses, im Lastkreis des Längstransistors auf und überschreitet demgemäß die Kollektor-Emitterspannung des Längstransistors einen eingestellten Wert, so wird der Hilfstransistor in seinen leitenden Zustand gesteuert, wobei er den Steuerkreis des Längstransistors kurzschließt, so daß dieser gesperrt wird. Danach kann auch nach Behebung des Kurzschlusses das Netzgerät nur dann wieder in die Betriebsstellung umgesteuert werden, wenn der Hilfstransistor gesperrt wird. Zu diesem Zweck ist der Hilfstransistor mit einem Oszillator angesteuert, der Irrpulse mit einem kleinen Puls-Pausen-Verhältnis erzeugt

In Anlagen, z. B. Prozeßsteueranlagen, werden häufig als Schalter dienende Leistungsausgangsstufen zum Schalten von Lampen oder Relais eingesetzt Da häufig eine Vielzahl von solchen Schaltern in einer Anlage verwendet sind und zudem über lange Ausgangsleitungen, die aus der Anlage heraus, z. B. in ein Bedienungspult führen, mit den zu betätigenden Elementen verbunden sind, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß Kurzschlüsse in den Ausgängen der Schalter aufitreten.

Aus der deutschen Auslegeschrift 11 86 502 ist eine Schaltung bekannt, die dazu dient, Eingangsimpulse zu sperren, die eine kürzere Zeitdauer als eine vorherbestimmte minimale Zeitdauer aufweisen. Diese bekannte Schaltung enhält eine Koinzidenzstufe, auf deren einem Eingang die zu prüfenden Impulse über eine Verzögerungsleitung gelangen und derem anderen Eingang die zu prüfenden Impulse unverzögert sowie die Ausgangssignale der Koinzidenzstufe zugeführt werden.

Aus der deutschen Auslegeschrift! 1 39 879 ist ferner eine Überlastschutzeinrichtung für Schalttramsistoren bekannt die in der Weise arbeitet, daß sie nur dlann den Schalttransistor sperrt, wenn sowohl ein Steuersignal zum Durchschalten des Transistors: ansteht als auch dessen Kollektorspannung größer als seine Kniickspannung ist Zum Feststellen dieser Bedingung ist ein Koinzidenzglied mit einem Hilfstransistor vorgesehen, welcher in Abhängigkeit von der Kollektorspannung des Schalttransistors und in Abhängigkeit von dessen Steuergröße derart ausgesteuert wind, daß er dann den Schalttransistor sperrt, wenn nach Ablauf einer Verzögerungszeit, die durch die Einschaltzeit des zu schützenden Transistors gegeben ist, sowohl ein den Schalttransistor betätigendes Steuersignal als auch gleichzeitig ein einen kritischen Wert überschreitendes Spannungspotential am Kollektor des Schalttramsistors vorhanden ist

Die bekannte Schaltung hat den Nachteil, daß im Falle eines Bruchs der Verbindungsieitungen zwischen dem Schalttransistor und dem Koinzidenzglied die Sicherung gegen Kurzschlüsse ausfällt.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Schaltersystem zu