DE2242276C3

DE2242276C3 - Series control device equipped with an electronic short-circuit and overcurrent protection

Info

Publication number: DE2242276C3
Application number: DE19722242276
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Phys. 8000 München Fricke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1972-08-28
Publication date: 1976-10-07

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einer elektromischen Kurzschluß- und Überstromsicherung ausgestattete Serienregeieinrichtung mit einem im Längstweig als veränderbarer Widerstand arbeitenden Lei-Itungstransistor und einem Regeltransistor vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, der in Abhängigkeit von der Differenz einer der Ausgangsspannung proportionalen Spannung und einer mittels Z-Diode und Vorwiderstand erzeugten Referenzspannung steuerbar ist. wobei im Steuerkreis des Regeltransistors eine als Eeitschaltglied arbeitende RC- Kombination angeord-Het ist, deren Kondensator in einem Entladezweig über einen Widerstand und in einem Ladezweig über eine Reihenschaltung aus einer Diode und einem weiteren Widerstand dem Vorwiderstand für die Z-Diode parallel geschaltet ist (Patent 21 13 353). 5iThe invention relates to a series control device equipped with an electrical short-circuit and overcurrent fuse with a line transistor working in the longitudinal branch as a variable resistor and a control transistor of the opposite conductivity type, which depends on the difference between a voltage proportional to the output voltage and a Z diode and the reference voltage generated by the series resistor can be controlled . whereby in the control circuit of the control transistor an RC combination working as an on / off switching element is arranged, the capacitor of which is connected in parallel to the series resistor for the Zener diode in a discharge branch via a resistor and in a charging branch via a series connection of a diode and another resistor ( Patent 21 13 353). 5i

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anwendungsbereich der Schaltungsanordnung zu erweitern und das Zeitschaltglied für das kurzzeitige periodische Überprüfen bei Überlastung gleichzeitig zu vereinfachen, ohne die Betriebssicherheil der elektronisehen Kurzschluß- und Überstromsicherheit zu beeinträchtigen. The invention is based on the object of expanding the range of application of the circuit arrangement and to simplify the time switch for the short-term periodic checking in the event of overload at the same time, without affecting the operational safety of the electronic short-circuit and overcurrent protection.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Lade- und Entladezweig der als Zeitschaltglied arbeitenden /?C-Kombination durch einen ⁶S zusammengefaßten Lade-/Entladezweig ersetzt sind und daß die Widerstandswerte des kombinierten Lade-Entladezweiges und des Vorwiderslands sq bemessen sind, daß das Verhältnis von Lade-ZEntladezeitkonstante im wesentlichen erhalten bleibt.This object is achieved according to the invention in that the charging and discharging branch of the /? C combination working as a time switch is replaced by a ⁶ S combined charging / discharging branch and that the resistance values of the combined charging / discharging branch and the precrossing area sq are measured that the ratio of charge-Zdischarge time constant is essentially maintained.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Widerstandswert des Vorwiderstands etwa um den Betrag des Widerstandswerts des ursprünglichen Entladezweigs vergrößert und der W.derstandswert des kombinierten Lade-/Endladezweigs im wesentlichen gleich dem des ursprünglichen Ladezweigs bemessen.According to an advantageous development of the invention, the resistance value of the series resistor is approximately increased by the amount of the resistance value of the original discharge branch and the resistance value of the combined loading / unloading branch is essentially the same as that of the original loading branch measured.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand des in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.Further details of the invention are based on the embodiment shown in a figure described in more detail.

Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Serienregeleinrichtung mit einer elektronischen Kurzschluß- und Überstromsicherung.The embodiment relates to a series control device with an electronic short-circuit and Overcurrent protection.

In der Schaltung i.ach der Figur ist die Emitter-Kollektorstrecke des Stelltransistors 71 vom npn-Leitungstyp im Längszweig der Serienregeleinrichtung zwischen der Spannungsquelle £mit dem Innenwiderstand Ri und der an der geregelten Ausgangsspannung Ua liegenden Belastung Ga eingeschaltet. Der auf den SteUtrunsistor Ti arbeitende Regeltransistor T2 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp liegt basisseitig über das Potentiometer R 5 (Spannungsteiler) an einer der Ausgangsspannung Ua proportionalen Spannung, die im Steuerkreis mit einer Referenzspannung verglichen wird. Zur Erzeugung der Referenzspannung dient in bekannter Weise eine an der geregelten Ausgangsspannung liegende Reihenschaltung aus einer Z-Diode und einem Vorwiderstand R 2. Der Widerstand R 1 ist der Start- oder Anlaßwiderstand.In the circuit according to the figure, the emitter-collector path of the adjusting transistor 71 of the npn conductivity type is switched on in the series branch of the series regulating device between the voltage source £ with the internal resistance Ri and the load Ga connected to the regulated output voltage Ua . The control transistor T 2 of the opposite conductivity type working on the control transistor Ti is on the base side via the potentiometer R 5 (voltage divider) at a voltage proportional to the output voltage Ua , which is compared with a reference voltage in the control circuit. A series circuit of a Zener diode and a series resistor R 2 connected to the regulated output voltage is used in a known manner to generate the reference voltage. The resistor R 1 is the starting or starting resistor.

Die für die Kurzschluß- und Überstromsicherung erforderlichen Schaltungsteile sind der Kondensator Γ2, die Widerstände R 2 und /?6 sowie die Diode D 2. Die Reihenschaltung von Kondensator C2 und Widertand R 6 liegt dem Vorwiderstand R 2 parallel. Der Widerstand /?6 bildet den Ladezweig für den Kondensator C2 und stellt zusätzlich zusammen mit dem Vorwiderstand R 2 den Entladekreis des Kondensators dar. Die Widerstände R 2 und /?6 sind z. B. so gewählt, daß das Verhältnis von Ladezeitkonstante/Entladezeitkonstante etwa 1 :100 beträgt.The circuit parts required for short-circuit and overcurrent protection are the capacitor Γ2, the resistors R 2 and / 6 and the diode D 2. The series connection of capacitor C2 and resistor R 6 is parallel to the series resistor R 2. The resistor / 6 forms the charging branch for the capacitor C2 and, together with the series resistor R 2, also represents the discharge circuit of the capacitor. The resistors R 2 and / 6 are z. B. chosen so that the ratio of charge time constant / discharge time constant is about 1: 100.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Es wird zunächst der Normalbetrieb einer Serienschaltung ohne Überlastungsschutz betrachtet. Ein über den Spannungsteiler R 5 einstellbarer Teil der Ausgangsspannung Ua wird mit der annähernd konstanten Spannung an der Z-Diode D1 verglichen. Eine Abnahme der Ausgangsspannung Ua mit steigender Belastung (wachsender Leitwert Ga = abnehmender Widerstand Ra) bewirkt ein öffnen des Transistors 72, der über den damit ebenfalls geöffneten Transistor Ti fließende erhöhte Kollektorstrom ruft am verkleinerten Ausgangswiderstand wieder annähernd die gleiche Ausgangsspannung Ua hervor, welche sich über R 5 einstellen läßt. Entsprechend weicht die Schaltung einem Vergrößern der Ausgangsspannung aus, indem sie darauf mit Stromverminderung reagiert.The mode of operation of the circuit is as follows: First, normal operation of a series circuit without overload protection is considered. A part of the output voltage Ua which can be set via the voltage divider R 5 is compared with the approximately constant voltage at the Zener diode D 1. A decrease in the output voltage Ua with increasing load (increasing conductance Ga = decreasing resistance Ra) causes the transistor 72 to open; the increased collector current flowing through the transistor Ti , which is also open, again causes approximately the same output voltage Ua at the reduced output resistance, which increases over R 5 can be adjusted. Accordingly, the circuit avoids increasing the output voltage by reacting to it with a reduction in current.

Solange die Ausgangsspannung Ua geregelt wird, ist auch der Spannungsabfall an R 2 und damit der Strom durch R 2 annähernd konstant (die Diode D 2 wird in Durchlaßrichtung betrieben lind ist vorerst nicht von Bedeutung). Der Strom durch R 2 und D 2 wird auf die Z-Diode D 1 und den Transistor 72 verteilt: bei leerlaufendem Netzgerät nimmt die Z-Diode D i den größten Strom auf. Mit steigendem Strombedarf am Außenwiderstand Ra nimmt auch der Emitterstrom des Transistors 72 auf Kosten des Z-Diodenstroms durch D1As long as the output voltage Ua is regulated, the voltage drop across R 2 and thus the current through R 2 is approximately constant (the diode D 2 is operated in the forward direction and is initially of no importance). The current through R 2 and D 2 is distributed to the Zener diode D 1 and the transistor 72: when the power supply unit is idling, the Zener diode D i consumes the greatest current. As the current requirement at the external resistor Ra increases, the emitter current of the transistor 72 also increases at the expense of the Zener diode current through D 1

zu; bei maximalem Ausgangsstrom /.·( bekommt die Diode D 1 so wenig Strom, daß ihr Arbeitspunkt am unteren Knick der Z-Diodenkennlinie liegt. Bei weiterer Vergrößerung der Last (Abnahme von Ra) wird die Z-Diode hochohmig und die Regelung setzt aus. Bis zu welchem maximalen Ausgangsstrom la die Schaltung noch regelt, hängt von der Größe des Widerstands R 2 ab.to; at maximum output current /.· (the diode D 1 gets so little power that its operating point of the Z-diode characteristic is at the lower bend. Upon further increase of the load (decrease of Ra), the Zener diode is high impedance, and the control skips. Up to which maximum output current I a the circuit still regulates depends on the size of the resistor R 2 .

Hat die Regelung infolge Überlastung oder Kurzschluß ausgesetzt, so nimmt die Ausgangsspannung mit >° wachsender Belastung bis auf Null ab. Gleichzeitig steigt die Kollektor-Emitterspannung Ui:c des Transistors 7"1 bis zur Betriebsspannung Ub an. Der Ausgangsstrom la fällt ebenfalls bis auf Null ab. Damit die Schaltung nach Beseitigung eines Kurzschlusses wieder '5 in den geregelten Zustand kommen kann, ist der Startwiderstand R 1 erforderlich. Er sorgt dafür, daß der Ausgangsstrom auch im Kurzschlußldll nicht verschwindet und bereits an einem kleinen Überlastungswiderstand Ra eine so große Slartspannung erzeugt, daß der Regeltransistor 7"2 öffnen kann.If the control has stopped due to overload or short circuit, the output voltage decreases with> ° increasing load down to zero. At the same time, the collector-emitter voltage Ui: c of the transistor 7 "1 rises to the operating voltage Ub . The output current la also drops to zero. So that the circuit can return to the regulated state after a short circuit has been eliminated, the starting resistance is R 1 is necessary. It ensures that the output current does not disappear even in Kurzschlußldll and produces such a large Slartspannung already at a small overload resistance Ra in that the control transistor 7 "2 can be opened.

Der mit wachsender Belastung abnehmende Ausgangsstrom /.·; und die damit gleichzeitig ansteigende Emitter-Kollektorspannung Un am Stelltransistor TX führen zu einem Maximum der Verlustleistung zwi- ^5 sehen Vollast und Kurzschluß. Die Größe der maximalen Verlustleistung kann die Verlustleistung bei normalem Betrieb beträchtlich übersteigen.The output current /.·, which decreases with increasing load; and the emitter-collector voltage Un at the setting transistor TX , which increases at the same time, lead to a maximum of the power loss between full load and short circuit. The size of the maximum power dissipation can considerably exceed the power dissipation during normal operation.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung beeinflußt der Überlastungsschutz im Normalbetrieb die Regelschaltung nicht. Die Diode D 2 wird in Durchlaßrichtung betrieben. Der Kondensator C2 ist über den Widerstand /?6 bis auf die Spannung aufgeladen, die dem Spannungsabfall am Widerstand R 2 entspricht. When using the circuit according to the invention, the overload protection does not affect the control circuit during normal operation. The diode D 2 is operated in the forward direction. The capacitor C2 is charged via the resistor / 6 to the voltage that corresponds to the voltage drop across the resistor R 2.

Fällt bei Überlastung die Regelung aus, weil die Z-Diode hochohmig wurde, wird sich der Kondensator C2 über die Widerstände R2 und R6 entladen. Durch den hierbei am Widerstand R 2 entstehenden Spannungsabfall wird das Zuregeln des Regeltransislors T2 unterstützt, das die bei Überlastung abfallende Ausgangsspannung einleitet. Die Folge ist ein lawinenartiges Zuregeln des Regeltransistors. Damit wird auch der Slelltransistor Ti soweit zugeregelt, bis nur noch der über den Startwiderstand R i in die Basis des Stelltransistors Ti fließende Strom den (geringen) Startstrom zuläßt, der am Überlastungswiderstand Ra eine (geringe) Startspannung hervorruft.If the control fails in the event of an overload because the Zener diode has high resistance, the capacitor C2 will discharge through the resistors R2 and R 6. The voltage drop occurring at the resistor R 2 in this way supports the regulating of the regulating transistor T2 , which initiates the output voltage which drops in the event of an overload. The consequence is an avalanche-like control of the control transistor. This also regulates the sliding transistor Ti until only the current flowing through the starting resistor R i into the base of the setting transistor Ti allows the (low) starting current which causes a (low) starting voltage at the overload resistor Ra.

Der Entladestrom des Kondensators C2 läßt den Spannurgsabfall am Widerstand R 2 immer kleiner werden, bis der Regeltransistor T2 als Folge des Spannungsabfalls am Überlastungswiderstand Ra wieder geöffnet wird. Während dieser relativ langen Entladezeit des Kondensators C2, die im wesentlichen durch die Zeitkonstanten der /?C-Kombination R 2, /?6 und C2 bestimmt wird, ist der Stelltransistor Ti bis auf den geringen Startstrom geschlossen und die gesamte Schaltung nimmt wenig Strom auf. Zwar ist die Spannung Ui:t am Stelltransistor Ti groß, dafür aber der Staristrom so klein, daß keine nennenswerte Verlustleistung auftritt.The discharge current of the capacitor C2 causes the voltage drop across the resistor R 2 to become smaller and smaller until the regulating transistor T2 is opened again as a result of the voltage drop across the overload resistor Ra. During this relatively long discharge time of the capacitor C2, which is essentially determined by the time constants of the /? C combination R 2, /? 6 and C2 , the control transistor Ti is closed except for the low starting current and the entire circuit consumes little current . Although the voltage Ui: t at the control transistor Ti is high, the star current is so small that no significant power loss occurs.

Die Diode D 2 kann auch entfallen, so daß der Widerstand R 2 direkt mit der Z-Diodc D I verbunden ist. Der Kondensator C2 entlädt sich dann auch über die Widerstände R 6, Ra und die Z-Diode Di (in Durchlaßrichtung) sowie über den eingestellten Teil des Potentiometers /?5 und die Basis-Emilterstrecke des Regeltransistors 7~2.The diode D 2 can also be omitted, so that the resistor R 2 is connected directly to the Z-diode D I. The capacitor C2 then also discharges through the resistors R 6, Ra and the Zener diode Di (in the forward direction) as well as through the set part of the potentiometer /? 5 and the base-emitter path of the control transistor 7-2.

Sobald nun der Regeltransistor Γ2 wieder geöffnet ist, steigt die Ausgangsspannung Ua an. Auch dieser Vorgang geht lawinenartig vor sich, weil der Widerstand R 2 durch den Kondensator C2 und den kleinen Widerstand R 6 kurzzeitig überbrückt wird, so daß das Emitterpotential sehr klein gehalten wird und den Regeltransistor 7"2 damit weil öffnet. Hat die Ausgangsspannung Ua die (geregelte) Soll-Ausgangsspannung erreicht, fließt der anfänglich nur durch Rb begrenzte Ladestrom vom Kondensator C2 über die Z-Diode D 1 und bewirkt, daß die Schaltung kurzzeitig auch noch bei Überlastung regeln kann. Der Ladestrom über den Kondensator C2 nimmt jedoch rasch ab, bis die Z-Diodc stromlos wird und die Regelung wieder aussetzt. Dann wiederholt sich der beschriebene Vorgang.As soon as the control transistor Γ2 is opened again, the output voltage Ua rises. This process is also like an avalanche because the resistor R 2 is briefly bridged by the capacitor C2 and the small resistor R 6, so that the emitter potential is kept very small and the control transistor 7 "2 opens. If the output voltage Ua has the However, (regulated) desired output voltage is reached, the initially limited only by Rb charging current from the capacitor C2 flows through the Zener diode D1 and causes the circuit also can regulate in case of overload briefly. the charging current through the capacitor C2 decreases rapidly until the Z-Diodc is de-energized and the regulation is interrupted again, then the process described is repeated.

Während der relativ kurzer: Zeit der Regelung bei Überlastung ist der Ausgangsstrom entsprechend groß und kann ein Vielfaches des normalen Betriebsstroms betragen. Dafür ist aber sowohl die Emitter-Kollcktorspannung (Jn am Stelltransistor Ti als auch die Zeitdauer klein, wodurch die am Stelltransistor auftretende Verlustleistung im zeitlichen Mittel ebenfalls klein bleibt.During the relatively short: control period in the event of an overload, the output current is correspondingly large and can be a multiple of the normal operating current. For this, however, both the emitter-collector voltage (Jn at the setting transistor Ti and the time duration are small, so that the power loss occurring at the setting transistor also remains small on average over time.

Das Puls-Pausenverhältnis als auch die Pulsfrequenz bei Überlastung hängen nicht nur vom Verhältnis der Widerstände R6:(R2 + R6)und der Größe des Kondensators C2, sondern auch vom Ausgangswiderstand Ra ab. Ferner geht der stromabhängige Verstärkungsfaktor ßdes Stelltransistors Ti mit ein.The pulse-pause ratio as well as the pulse frequency in the event of an overload depend not only on the ratio of the resistors R6: (R2 + R6) and the size of the capacitor C2, but also on the output resistance Ra . Furthermore, the current-dependent gain factor β of the control transistor Ti is included .

Wird Ra zu klein, so daß der Startstrom die notwendige Startspannung an Ra nicht aufbringt, hört der Pulsbetrieb auf. Es fließt dann nur der Startstrom über Ra. Wird die Überlastung aufgehoben, so bleibt die Schaltung im geregelten Zustand, in den sie durch den letzten Prüfimpuls kam. Nach Aufheben eines Kurzschlusses geht die Schaltung bei noch bestehender Überlast in den Pulsbetrieb, bei normaler Last in den normalen geregelten Zustand über.If Ra becomes too small, so that the starting current does not produce the necessary starting voltage at Ra , pulse operation stops. Only the starting current then flows through Ra. If the overload is lifted, the circuit remains in the regulated state that it entered with the last test pulse. After a short circuit has been eliminated, the circuit changes to pulsed operation if there is still an overload, and to the normal regulated state if the load is normal.

1st die speisende Spannungsquelle von einer Brummspannung überlagert, so kann es bei geringer Überlastung zu einer Synchronisation der Pulsfrequenz mit der Brummfrequenz kommen, die bei größerer Überlastung wieder verschwindet, wenn die Pulsfrequenz höher als die Brummfrequerz ist.If the feeding voltage source has a ripple voltage superimposed, it can lead to a synchronization of the pulse frequency with low overload the hum frequency come, which disappears again with greater overload when the pulse frequency is higher than the hum frequency is.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Sericn control device equipped with an electronic short-circuit and overcurrent fuse with a power transistor working in the series branch as a variable resistor and a control transistor of the opposite conductivity type, which can be controlled as a function of the difference between a voltage proportional to the output voltage and a reference voltage generated by means of a Zener diode and series resistor In the control circuit of the regulating transistor, a flC combination working as a time switch is arranged, the capacitor of which is connected in parallel to the series resistor for the Zener diode in a discharge branch via a resistor and in a charging branch via a series connection of a diode and another resistor (patent 21 13353), characterized in that the charging and discharging branch of the RC combination working as a timer are replaced by a combined charging / discharging branch (R 6) and that the resistance values of the combined charging / discharging adezweigs and the series resistor are dimensioned so that the ratio of charge / discharge time constant is essentially maintained.

2. Series control device according to claim 1, characterized in that the resistance value of the series resistor (R 2) is increased by approximately the amount of the resistance value of the original discharge branch and the resistance value of the combined charging / discharging branch (K 6.1 is essentially equal to that of the original charging branch is sized.