DE2306013B2

DE2306013B2 - Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung von elektronischen Bauelementen

Info

Publication number: DE2306013B2
Application number: DE2306013A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Schaeff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-02-07
Filing date: 1973-02-07
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE2306013A1; AT328025B; GB1460853A; DE2306013C3; ATA1091073A; IT1006219B; SE395574B; US3899718A

Description

y.7

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung von elektronischen Bauelementen bei unzulässig hohen Verbraucherströmen, die eine Begrenzungsschaltung für den maximalen Verbraucherstrom und eine Schaltung zur selbsttätigen periodischen Unterbrechung und Wiedereinschaltung des Verbraucherstromes enthält. Eine solche Schaltungsanordnung ist durch die deutsche Offenlegungsschrift 2 021341 bekannt.

Zum Schutz von wärmeempfindlichen elektronischen Bauelementen, insbesondere Halbleiterbauele-

menten, bei Kurzschlüssen oder Überströmen im Verbraucherstroinkreis ist es allgemein bekannt, den Verbraucherstrom schnell zu unterbrechen und periodisch Wiedereinschaltversuche durchzuführen. Eine selbsttätige Wiedereinschaltung des Verbraucher-

JS stromes ist bei Stromkreisen problematisch, die Elemente mit hohem Einschaltstrombedarf enthalten, wie beispielsweise kapazitive Verbraucher oder Glühlampen. Der hohe Einschaltstromstoß läßt die Sicherungsschaltung ansprechen, die sofort den Strom wic-

der unterbricht. Beim nächsten Wiedereinschalten tritt der hohe Einschaltstromstoß erneut auf und löst wiederum eine Abschaltung aus. Man kann zwar versuchen, diesem unerwünschten Effekt durch eine Ansprechverzögerung bei der Abschaltung des Verhrau-

cherstromes vorzubeugen, die so bemessen ist. dab die Sichtrungsschaltung erst nach Abklingen eines Einschaltstromstoßes üblicher Dauer wirksam wird. Dann besteht aber die Gefahr, daß bei einem echten Kurzschluß im Verbraucherstromkreis die während der Ansprechverzögerung entstehende Verlustleistung bereits ausreicht, um das elektronische Bauelement zu zerstören. Dies ist beispielsweise bei integrierten Schaltkreisen der Fall.

Es ist bereits ein Verfahren zur elektronischen Kurzschluß- und Oberstromsicherung von Stromversorgungseinrichtungen mit selbsttätiger Wiedereinschaltung nach Erreichen des normalen Betriebszustandes bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 2 021 341). Hierbei ist eine gemeinsame Anwendung

von Maßnahmen zur Überstrombegrenzung und zur Überstromabschaltung bis zur Aufhebung des Oberstromzustandes vorgesehen. Im Überstromzustand wird zwischen Begrenzung und Abschaltung dos Überstromes selbsttätig periodisch umgeschaltet. Die Umschaltung von Begrenzung auf Abschaltung des Überstromes erfolgt durch eine mitkoppelnde Wirkung der bekannten Schaltung. Der Zustand der Abschaltung wird durch Steuerimpulse eines Taktgebers unterbrochen. Für die Dauer des Überstromes steht die Nenn-Ausgangsspannung nicht zur Verfügung. Die Abschaltverzögerung beim erstmaligen Abschalten ist von der Stromanstiegsgeschwindigkeit des Überstromes abhängig. Der erste Steuerimpuls nach einer Abschaltung des Verbraucherstromes erfolgt nicht nach einer stromlosen Pause von definierter Dauer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung von elektronischen Bauelementen bei unzuläs-

So sig hohen Verbraucherströmen vorzuschlagen, die einerseits eine sehr hohe Ausnutzung des betreffenden Bauelements im Normalbetrieb ermöglicht, andererseits aber gewährleistet, daß sowohl hohe Einschaltstromstöße wie auch Duuerkurzschlußströme nicht /u seiner Zerstörung führen können.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Schaltungsanordnung mit einer ßegrcnzungsschaltung für den maximalen Verbraucherstrom und einer Schaltung zur

selbsttätigen periodischen Unterbrechung und Wiedereinschaltung des Verbraucherstromes durch die Kombination der folgenden Merkmale erreicht:

a) Ein Grenzwertmelder überwacht den Verbraucherstrom bezüglich eines vorgegebenen Schwellwertes,

b) ein Kondensator ist über einen vom Signal des Grenzwertmelders gesteuerten elektronischen Schalter mit einem Ladestrompfad und über, einen weiteren elektronisch gesteuerten Schalter mit einem Entladestrompfad verbunden,

c) ein von der Ladespannung am Kondensator beaufschlagter Kippverstärker mit einstellbarer selbsttätig umschaltender oberer und unterer Schaltschwelle bildet ein Ausgangssignal, das bei der oberen 3t.haltschwelle beginnt und bei der unteren Schaltschwelle endet,

d) das Ausgangssignal des Kippverstärters schließt den elektronisch gesteuerten Schalter im Entladestrompfad des Kondensators und öffnet einen weiteren elektronisch gesteuerten Schalter im Verbraucherstromkreis.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung unterbricht einen unzulässig hohen Verbraucherstrom, wenn einerseits ein vorgegebener Schwellwert überschritten und andererseits eine vorgegebene übersehwellige Stromstandzeit abgelaufen ist. Die Stromstandzeit ist durch die Aufladung des Kondensators bis zur oberen Schaltschwelle des Kippverstärkers bestimmt. Während der Stromstandzeit wird der Verbraucherstrom in bekannter Weise durch die Begren/ungsschaltung auf einem Maximalwert gehalten. Nach einer vorgegebenen Pausenzeit, die durch die Entladung des Kondensators bis zur unteren Schaltschwelle des Kippverstärkers bestimmt ist, erfolgt eine selbsttätige Wiedereinschaltung des Verbraucherstromes. Wenn dieser noch immer unzulässig hoch ist. so wiederholt sich der beschriebene Vorgang so lange, bis die Störungsursache beseitigt und der Schwellwert vom Verbraucherstrom nicht mehr überschritten wird.

Zusätzlich zum Maximalwert des Stromes bilden die Stromstandzeit und die Pausenzeit voneinander unabhängige Größen, mit denen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf unterschiedliche Anwendungsfälle abgestimmt werden kann. Zusätzlich kann die Ansprechempfindlichkeit durch geeignete Wahl des Schwellwertes eingestellt werden.

Wenn eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung bei steuerbaren elektronischen Verstärkerbauclementen, insbesondere Transistoren, angewendet werden soll, so sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor. daß der Verbraucherstrom durch Einwirkung auf die Ansteuerung des Verstärkerbauelements begrenzt, bzw. ab- und wieder eingeschaltet wird. Dann braucht nicht der Verbraucherstrom, sondern lediglich der wesentlich kleinere Steuerstrom begrenzt bzw. geschaltet zu werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. I ein Stromdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer crfindungslj Schaltungsanordnung,

F i g. 3 ein Schaltungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.

Im Stromdiagramm der Fig. 1 ist der Stromverlauf ' über der Zeit t aufgetragen. Bis zum Zeitpunkt

7^ fließt ein normaler Verbraucherstrom /„. Im Zeitpunkt T_k bildet sich ein Kurzschluß aus, der einen Anstieg des Stromes hervorruft. Deim Überschreiten eines Schwellwertes /, beginnt eine Siromstandzeit f,, nach deren Ablauf der Strom abgeschaltet wird, wenn er auch dann noch den Schwellwert /, übersteigt. Während der Stromstandzeit r, wird der Strom auf einen Maximalwert /-, begrenzt, damit eine definierte Slrom-Zeit-Fläche nicht überschritten wird. Die Strom-Zeit-Fläche ist ein Maß für die Wärmebela-

¹S stujrgeineselektronischen Bauelements. Nach Ablauf einer Pausenzeit /, wird der Strom wieder eingeschaltet. Da der Kurzschluß noch ansteht, wird nach einer weiteren Stromstandzeit der Strom erneut abgeschaltet. Dies wiederholt sich so lange, bis zum Zeitpunkt T₁ der Kurzschluß beseitigt ist und beim darauffolgenden Wiedereinschalten des Stromes der Schwcllwert /, nicht mehr überschritten wird.

Durch geeignete Wahl des Maximalwertes /₂, der Stromstandzeit t, und der Pausenzeit t₂ kann die auf-

^a5 tretende mittlere Verlustleistung so bestimmt werden, daß selbst ein Dauerkurzschluß das zu schützende elektronische Bauelement nicht zerstören kann. Die anfallende mittlere Verlustleistung ist um einen aus dem Verhältnis von Stromstandzeit zu Pausenzeit ableitbaren Faktor geringer als bei einer einfachen Begrenzung des Verbraucherstromes.

Besonders wesentlich ist, daß beim Entstehen eines Überstromes bereits die erste Stromstandzeit und die sich anschließende erste Pausenzeit jeweils eine vorbestimmte Dauer aufweisen. Dadurch kann die N'ennbclastung des elektronischen Bauelements bis nahe an seine Grenzbelastung erhöht werden, ohne daß die Wirksamkeit des Überlastungsschutzes gefährdet wird.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung bei elektronischen Bauelementen ist insbesondere bei Verbraucherstromkreisen mit Elementen vorteilhaft, die einen so großen Einschaltstromstoß verursachen, daß dieser das elektronische Bauelement zerstören würde. Dies trifft beispielsweise bei kapazitiven Verbrauchern oder bei Glühlampen zu. Bei einer Glühlampe im Verbraucherstromkreis wird man beispielsweise die Pausenzeit so wählen, daß der Glühdraht beim Wiedereinschalten noch nicht völlig erkaltet ist und sein Widerstand daher bereits größer ist als der Kaltwiderstand.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Im Verbraucherstromkreis 1 mit dem zu schützenden elektronischen Bauelement 2 liegt ein Meßwiderstand 3, dessen Spannungsabfall einen Grenzwertmelder 4 beeinflußt. Sobald der Verbraucherstrom den Schwellwert /, übersteigt, schließt das Signal des Grenzwertmelders 4 einen elektronischen Schalter 5 und leitet damit die Aufladung eines Kondensators 6 über einen Ladewiderstand 7 ein. Der Verbraucherstrom wird durch eine Bcgrenzerschaltung 8 auf einen Maximalwert /, begrenzt. Die Ladespannung am Kondensator 6 liegt im Eingang eines Kippverstärkcrs 9 mit einer unteren Schaltschwelle U₁ und einer oberen Schaltschwelle U₁. Sobald die Ladespannung des Kondensators 6 die obere Schaltschwellc U₁ er-

reicht hat, betätigt der Kippverstärker 9 das Relais 10. Dieses unterbricht mit einem öffner 11 den Verbraucherstromkreis 1 und stellt mit einem Schließer 12 einen Entladestrompfad mit einem Entladewiderstand 13 für den Kondensator 6 zur Verfugung. Durch die Unterbrechung des Verbraucherstromes beendet der Grenzwertmelder sein Signal, öffnet den Schalter 5 und beendet den Ladevorgang für den Kondensator 6.

Die Entladung des Kondensators 6 setzt sich so lange fort, bis die untere Schaltschwelle U₁ erreicht ist. Jetzt endet das Ausgangssignal des Kippverstärkers 9. Das Relais 10 wird entregt. Der Verbraucl,;rstrom kann wieder fließen. Sofern er noch immer den Schwellwert /, übersteigt, läuft der beschriebene Vorgang erneut ab.

Die Zeit zur Aufladung des Kondensators 6 bis zur oberen Schaltschwelle U₂ des Kippverstärkers stellt die Stromstandzeit dar, während die Zeit zur Entladimg des Kondensators 6 von der oberen Schaltschwelle U₂ bis zur untere η Schaltschwelle U₁ als Pausenzeit erscheint. Lediglich beim erstmaligen Ansprechen der Sicherungsschaltung ist die Stromstandzeit um jene geringfügige Zeitdauer verlängert, in der die Ladespannung am Kondensator auf die untere Schaltschwelle gelangt. Da die untere Schaltschwelle des Kippverstärkers jedoch sehr niedrig gewählt werden kann, beeinträchtigt dies die Wirksamkeit der Anordnung nicht.

In F i g. 3 ist als Ausführungsbeispiel die Schaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, die den von einem Treibertransistor 15 angesteuerten Ausgangstransistor 16 vor unzulässig hohen Verbraucherströmen schützt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wirkt hierbei auf die Ansteuerung des Ausgangstransistors 16.

Der Kippverstärker ist aus zwei mit ihren Emittern gegeneinander geschalteten Transistoren 17 und 18 aufgebaut. Der Transistor 17 steuert einen Transistor 19 als elektronischen Umschalter an, der die an der Basis des Transistors liegenden Schaltschwellenspannungen umschaltet. Der Transistor 18 steuert einen Transistor 20 als elektronischen Schalter an, der durch Einwirkung auf den Treibertransistor 15 den Verbraucherstrom unterbrechen kann.

Im normalen Betrieb ist der Transistor 17 leitend und der Transistor 18 gesperrt. An der Basis des Transistors 17 liegt die Spannung U₁ an, die aus der Versorgungsspannung U_fl(1„ über den Transistor 19 und eine Oberlaufdiode 21 abgeleitet wird. Der Kondensator 22 ist entladen.

Sobald der Verbraucherstrom über den Schwell-

S wert I₁ ansteigt und damit der Spannungsabfall an den beiden in Reihe geschalteten Meßwiderständen 23, 24 die Schwellenspannung des Transistors 25 übersteigt, wird dieser leitend und liefert Strom über den Widerstand 26. Ein kleiner konstanter Anteil dieses

ίο Stromes fließt über einen Entladestrompfad mit einem ständig durchlässig gesteuerten Transistor 27 und einem Serienwiderstand 28 als Stromsenke ab, während der verbleibende Anteil des Stromes den Kondensator 22 auflädt. Die ständig durchlässige Konstantstromsenke 27, 28 bietet den Vorteil, daß kein eigener Schalter für den Entladestrompfad des Kondensators 22 benötigt wird. Außerdem wird der Kondensator 22 auch dann wieder vollständig entladen, wenn seine Ladespannung die obere Schaltschwelle U₂ des Kipp-

ao Verstärkers 17, 18 nicht erreicht, v/eil der unzulässig hohe Verbraucherstrom bereits vor Ablauf der Stromstandzeit wieder unter den Schwellwert /, abge ■ sunken ist. Wenn jedoch nach Ablauf der Standzeit der Strom noch immer überschwellig ansteht, so eras reicht die Ladespannung des Kondensators 22 die obere Schaltschwelle U₂ des Kippverstärkers 17. 18. Dieser schaltet nun um, der Transistor 18 wird leiiend und der Transistor 17 gesperrt. Der Transistor 18 steuert den Transistor 20 voll auf. Dieser liefert Strom an die Basis des Treibertransistors 15 und sperrt damit die Ansteuerung des Ausgangstransistors 16. Der Verbraucherstrom ist jetzt abgeschaltet und die Aufladung des Kondensators 22 beendet, da der Transistor 25 nicht mehr angesteuert wird. Der Kondensator 22 kann sich über den als Stromsenke dienenden Transistor 27 und den Widerstand 28 mit konstantem Strom entladen, bis seine Ladespannung die untere Schaltschwellenspannung U₂ des Kippverstärkers 17, 18 erreicht hat. Damit ist die Pausenzeit abgelaufen.

und der Kippverstärker 17, 18 schaltet um und gibt die Ansteuerung des Ausgangstransistors 16 wieder frei.

Zur Begrenzung des Verbraucherstromes auf einen Maximalwert I₁ wird der Spannungsabfall am Meßwiderstand 23 herangezogen, der den Transistor 29 ansteuert. Dieser regelt den Strom des Treibertransistors 15 so, daß der Maximalwert I₂ nicht überschritten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung von elektronischen Bauelementen bei unzulässig hohen Verbraucherströmen, die eine Begrenzungsschaltung für den maximalen Verbraucherstrom und eine Schaltung zur selbsttätigen periodischen Unterbrechung und Wiedereinschaltung des Verbraucherstromes enthält, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) Ein Grenzwertmelder (4) überwacht den Verbraucherstrom bezüglich eines vorgegebenen Schwellwertes (/,},

b) ein Kondensator (6) ist über einen vom Signal des Grenzwertmelders (4) gesteuerten elektronischen Schalter (5) mit einem 1 adestrompfad und über einen weiteren elektronisch gesteuerten Schalter (12) mit einem Entladestrompfad verbunden.

c) ein von der Ladespannung am Kondensator (6) beaufschlagter Kippverstärker (9) mit einstellbarer selbsttätig umchaltender oberer und unterer Schaltschwelle bildet ein Ausgangssignal, das bei der oberen Schaltschwclle ((/,) beginnt und bei der unteren Schaltschwelle (LZ₁) endet.

d) das Ausgangssigna! des Kippverstärkers (9) schließt den elektronisch gesteuerten Schalter (12) im Entladestrompfad des Kondensators (6) und öffnet einen weiteren elektronisch gesteuerten Schalter (11) im Verbraucherstromkreis.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, zur Begrenzung der Verlustleistung von steuerbaren elektronischen Verstärkerbauelementen, insbesondere Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstrom durch Einwirkung auf die Ansteuerung des Verstärkerbauelementes begrenzt bzw. ab- und wieder eingeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kippverstärker mit zwei mit ihren Emittern gegeneinander geschalteten Transistoren (17, 18), wobei der eine Transistor (17) einen elektronischen Umschalter (19) fur die Schaltschwellenspannungen und der andere Transistor (18) einen elektronischen Schalter (20) im Verbraucherstromkreis ansteuert (Fig. 3).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrompfad einen Ladewiderstand (26) und einen Transistor (25) enthält, dessen Basis vom Spannungsabfall an einem Meßwiderstand (23. 24) im Verbraucherstromkreis angesteuert ist (Fig. 3).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch einen Entladestrompfad, der einen Transistor (27) mit Serienwiderstand (28) als Stromsenke enthält (Fig. 3).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (27) der Stromsenke ständig durchlässig gesteuert ist.