DE2306013C3

DE2306013C3 - Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung von elektronischen Bauelementen

Info

Publication number: DE2306013C3
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: 1975-10-09
Also published as: DE2306013A1; AT328025B; GB1460853A; ATA1091073A; IT1006219B; DE2306013B2; SE395574B; US3899718A

Description

Die Erfindung bezieht sich aut eine Schaltungsanordnung /ur Ik¹UIVIIZiIiIg 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

S enthält. Eine solche Schaltungsanordnung ist durch die deutsche Offenlegungsschrift 2 021 341 bekannt. . ,·.,-. ι .

Zum Schutz von warmeempfindhchen elektronischen Bauelementen, insbesondere Halbleiterbauele-

menten, beil Kurzschlüssen oder Überströmen im Verbrauchel stromkreis ist es allgemein bekannt, den Verbraucheistrom schnell zu unterbrechen und periodisch Wiedexeinschaltversuche durchzuführen. Eine selbsttätige Wiedereinschaltung des Verbraucher-

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 wie-

ao 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 Verbrau-

»5 cherstromcs vorzubeugen, die so bemessen ist. daß die Sicherungsschaltung erst nach Abklingen eines Einschaltstiomstoßes 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 Überstromsicherung von Stromversorgungscinrichtungen mit selbsttätiger Wiedereinschaltung nach Erreichen des normalen Betriebszustandes bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 2 021 341). Hierbei ist eine gemeinsame Anwendung

♦o yon Maßnahmen zur Überstrombegrenzung und zur Uberstromabschaltung bis zur Aufhebung des Uberstromzustandes vorgesehen. Im Uberstromzustand wird /wischen Begrenzung und Abschaltung dps Überstromes selbsttätig periodisch umgeschaltet. Die

Umschaltung von Begrenzung auf Abschaltung des Übcrstromes erfolgt durch eine mitkoppelnde Wirkung der bekannten Schaltung. Der Zustand der Abschaltungwird 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 lieg' die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verlustleistung von elektronischen Bauelementen bei unzulüssig hohen Verbraucherströmen vorzuschlagen, die einerseits eine sehr hohe Ausnutzung des betreffenden Bauelements im Normalbetrieb ermöglicht, andererseits aber gewährleistet, daß sowohl hone Einschaltstromstöße wie auch Dauerkurz.schliißströme nicht zu seiner Zerstörung führen können.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Schaltungsanordnung mit einer Begrenziingsschaltung für den maximalen Verbraucherstroiii und riner Schaltung zur

selbsttätigen periodischen Unterbrechung und Wie- Fig. 3 ein Schaltungsbeispiel für eine erfindungs-

dereinschaltung des Verbraucherstromes durch die gemäße Schaltungsanordnung

Kombination der folgenden MerkmaJe erreicht: Im Stromdiagramm der Fig 1 ist der Stromver-

a) Ein Grenzwertmelder uberv acht den Verbrau- lauf / über der Zeit t aufgetragen. Bis zum Zeitpunkt cherstrom bezüglich eines vorgegebenen 5 T_k fließt ein normaler Verbraucherstrom /„, Im Zeit-Schwellwertes, punkt T_k bildet sich ein Kurzschluß aus, der einen

b) ein Kondensator ist über einen vom Signal des Anstieg des Stromes hervorruft. Beim Überschreiten Grenzwertmelders gesteuerten elektronischen eines Schwellwertes /, beginnt eine Stromstandzeit f „ Schalter mit einem Ladestrompfad und über ei- nach deren Ablauf der Strom abgeschaltet wird, wenn nen weiteren elektronisch gesteuerten Schalter ^l0 er auch dann noch den Schwellwert /, übersteigt, mit einem Entladestrompfad verbunden, Während der Stromstandzeit i, wird der Strom auf

c) ein von der Ladespannung am Kondensator be- einen Maximalwert I₂ begrenzt, damit eine definierte aufschlagter Kippverstärker mit einstellbarer Strom-Zeit-Fläche nicht überschritten wird. Die selbsttätig umschaltender oberer und unterer iJtrom-Zeit-Fläche ist ein Maß für die Wärmebela-Schaltschwelle bildet ein Ausgangssignal, das bei ¹S stungeines elektronischen Bauelements. Nach Ablauf der oberen Schaltschwelle beginnt und bei der einer Pausenzeit i, wird der Strom wieder eingeschalunteren Schaltschwelle endet, tet. Da der Kurzschluß noch ansteht, wird nach einer

d) das Ausgangssignal des Kippverstärkers schließt weiteren Stromstandzeit der Strom erneut abgeschalden elektronisch gesteuerten Schalter im Entla- tet. Dies wiederholt sich so lange, bis zum Zeitpunkt destrompfad des Kondensators und öffnet einen ^ao T_h der Kurzschluß beseitigt ist und beim darauffolweiteren elektronisch gesteuerten Schalter im genden Wiedereinschalten des Stromes der Schwell-Verbraucherstromkreis. wert /, nicht mehr überschritten wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung un- Durch geeignete Wahl des Maximalwertes /,, der terbricht einen unzulässig hohen Verbraucherstrom, · Stromstandzeit t, und der Pausenzeit t₂ kann die aufwenn einerseits ein vorgegebener Schwellwert über- ^a5 tretende mittlere Verlustleistung so bestimmt werden, schritten und andererseits eine vorgegebene über- daß selbst ein Dauerkurzschluß das zu schützende schwellige Stromstandzeit abgelaufen ist. Die Strom- elektronische Bauelement nicht zerstören kann. Die standzeit ist durch die Aufladung des Kondensators anfallende mittlere Verlustleistung ist um einen aus bis zur oberen Schaltschwelle des Kippverstärkers be- dem Verhältnis von Stromstandzeit zu Pausenzeit abstimmt. Während der Stromstandzeit wird der Ver- 3o leitbaren Faktor geringer als bei einer einfachen Bebraucherstrom in bekannter Weise durch die Be- grenzung des Verbraucherstromes,
grenzungsschaltung auf einem Maximalwert gehalten. Besonders wesentlich ist, daß beim Entstehen eines Nach einer vorgegebenen Pausenzeit, die durch die Überstromes bereits die erste Stromstandzeit und die Entladung des Kondensators bis zur unteren Schalt- sich anschließende erste Pausenzeit jeweils eine vorschwelle des Kippverstärkers bestimmt ist, erfolgt eine 35 bestimmte Dauer aufweisen. Dadurch kann die Nennselbsttätige Wiedereinschaltung des Verbraucher- belastung des elektronischen Bauelements bis nahe stromes. Wenn dieser noch immer unzulässig hoch ist, an seine Grenzbelastung erhöht werden, ohne daß die so wiederholt sich der beschriebene Vorgang so lange, Wirksamkeit des Überlastungsschutzes gefährdet bis die Störungsursache beseitigt und der Schwell- wird.

wert vom Verbraucherstrom nicht mehr überschritten 4< > Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur

wird. Begrenzung der Verlustleistung bei elektronischen

Zusätzlich zum Maximalwert des Stromes bilden Bauelementen ist insbesondere bei Verbraucher-

die Stromstandzeit, und die Pausenzeit voneinander Stromkreisen mit Elementen vorteilhaft, die einen so

unabhängige Größen, mit denen die erfindungsge- großen Einschaltstromstoß verursachen, daß dieser

mäße Schaltungsanordnung auf unterschiedliche An- 45 das elektronische Bauelement zerstören würde. Dies

wendungsfälle abgestimmt werden kann. Zusätzlich trifft beispielsweise bei kapazitiven Verbrauchern

kann die Ansprechempfindlichkeit durch geeignete oder bei Glühlampen zu. Bei einer Glühlampe im

Wahl des Schwellwertes eingestellt werden. Verbraucherstromkreis wird man beispielsweise die

Wenn eine erfindungsgemäße Schaltungsanord- Pausenzeit so wählen, daß der Glühdraht beim Wienung zur Begrenzung der Verlustleistung bei Steuer- S° dereinschalten noch nicht völlig erkaltet ist und sein baren elektronischen Verstärkerbauelementen, ins- Widerstand daher bereits größer ist als der Kaltwiderbesondere Transistoren, angewendet werden soll, so stand.

sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor. daß der Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfin-Verbraucherstrom durch Einwirkung auf die An- dungsgemäßen Schaltungsanordnung. Im Verbrausteuerung des Verstärkerbauelements begrenzt, bzw. 55 cherstromkreis 1 mit dem zu schützenden elektroniab-und wieder eingeschaltet wird. Dann braucht nicht sehen Bauelement 2 liegt ein Meßwiderstand 3, der Verbraucherstrom, sondern lediglich der wesent- dessen Spannungsabfall einen Grenzwertmelder 4 lieh kleinere Steuerstrom begrenzt bzw. geschaltet zu beeinflußt. Sobald der Verbraucherstrom den werden. Sehwellwert /, übersteigt, schließt das Signal des

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie ihre in 6° Grcnzwertmeldcrs 4 einen elektronischen Schalters ilen Unteransprüchen näher gekennzeichneten Aus- und leitet damit die Aufladlingeines Kondensators 6 gestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und über einen Ladewiderstand 7 ein. Der Verbraucherwerden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt strom wird durch eiiKvBe^renzerschaltung 8 auf einen

Fig. I ein Stromdiagramm zur Erläuterung der Maximalwert I₂ be'gre'nzt. Die Ladespannung am

Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Schaltung!;- «5 Kondensator 6 liegt im Eingang eines Kippverstär-

anordnung. kers 9 mit einer unteren Schaltschwelle L/, und einer

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungs- oberen Sehaltschwelle U₁. Sobald die Ladespannung

gemäßen Schaltungsanordnung. des Kondensators 6 die obere Schaltsehwelle U₂ er-

reicht hat, betätigt der Kippverstarker 9 das Relais sorgungsspannung U_Km über den Transistor 19 und

10. Dieses unterbricht mit einem Öffner 11 den Ver- eine Überlaufdiode 21 abgeleitet wird. Der Konden-

braucherstromkreis 1 und stellt mit einem Schließer sator 22 ist entladen.

12 einen Entladestrompfad mit einem Entladewider- Sobald der Verbraucherstrom über den Schwellstand 13fürden Kondensator 6zur Verfügung. Durch 5 wert /, ansteigt und damit der Spannungsabfall an den die Unterbrechung des Verbraucherstromes beendet beiden in Reihe geschalteten Meßwiderständen 23. der Grenzwertmelder sein Signal, öffnet den Schal- 24 die Schwellenspannung des Transistors 25 iibcrter 5 und beendet den Ladevorgang für den Konden- steigt, wird dieser leitend und liefert Strom über den sator 6. Widerstand 26. Ein kleiner konstanter Anteil dieses Die Entladung des Kondensators 6 setzt sich so io Stromes fließt über einen Entladestrompfad mit einem lange fort, bis die untere Schaltschwelle U₁ erreicht ständig durchlässig gesteuerten Transistor 27 und eiist. Jetzt endet das Ausgangssignal des Kippverstär- nein Serienwiderstand 28 als Stromsenke ab. während kers 9. Das Relais 10 wird entregt. Der Verbraucher- der verbleibende Anteil des Stromes den Kondensator strom kann wieder fließen. Sofern er noch immer den 22 auflädt. Die ständig durchlässige Konstantstrom-Schwellwert /, übersteigt, läuft der beschriebene Vor- 15 senke 27, 28 bietet den Vorteil, daß kein eigener gang erneut ab. Schalter für den Entladestrompfad des Kondensators Die Zeit zur Aufladung des Kondensators 6 bis zur 22 benötigt wird. Außerdem wird der Kondensator oberen Schaltschwelle U₂ des Kippverstärkers stellt 22 auch dann wieder vollständig entladen, wenn seine die Stromstandzeit dar, während die Zeit zur Entla- Ladespannung die obere Schaltschwellc U₂ des Kippdung des Kondensators 6 von der oberen Schalt- »o Verstärkers 17, 18 nicht erreicht, weil der unzulässig schwelle U₂ bis zur unteren Schaltschwelle (7, als Pau- hohe Verbraucherstrom bereits vor Ablauf der senzeit erscheint. Lediglich beim erstmaligen Anspre- Stromstandzeit wieder unter den Schwellwert /, abgeche^: der Sicherungsschaltung ist die Stromstandzeit sunken ist. Wenn jedoch nach Ablauf der Standzeit um jene geringfügige Zeitdauer verlängert, in der die der Strom noch immer überschwellig ansieht, so cr-Ladespannungam Kondensator auf die untere Schalt- »5 reicht die Ladespannung des Kondensators 22 die schwelle gelangt. Da die untere Schaltschwelle des obere Schaltschwelle U₂ des Kippverstärkers 17, 18. Kippverstärkers jedoch sehr niedrig gewählt werden Dieser schaltet nun um, der Transistor 18 wird leitend kann, beeinträchtigt dies die Wirksamkeit der Anord- und der Transistor 17 gesperrt. Der Transistor 18 nuna nicht. steuert den Transistor 20 vollauf. Dieser liefert Strom In Fi g. 3 ist als Ausführungsbeispiel die Schaltung 30 an die Basis des Treibertransistors 15 und sperrt damit einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, die die Ansteuerung des Ausgangstransistors 16. Der den von einem Treibertransistor 15 angesteuerten Verbraucherstrom ist jetzt abgeschaltet und die Auf-Ausgangstransistor 16 vor unzulässig hohen Verbrau- ladung des Kondensators 22 beendet, da der Transicherströmen schützt. Die erfindungsgemäße Schal- stör 25 nicht mehr angesteuert wird. Der Kondensator tungsanordnung wirkt hierbei auf die Ansteuerung des 35 22 kann sich über den als Stromsenke dienenden Ausgangstransistors 16. Transistor 27 und den Widerstand 28 mit konstantem Der Kippverstärker ist aus zwei mit ihren Emittern Strom entladen, bis seine Ladespannung die untere gegeneinander geschalteten Transistoren 17 und 18 Schaltschwellenspannung CZ₂ des Kippverstärkers 17. aufgebaut. Der Transistor 17 steuert einen Transistor 18 erreicht hat. Damit ist die Pausenzeit abgelaufen, 19 als elektronischen Umschalter an, der die an der 40 und der Kippverstarker 17, 18 schaltet um und gibt Basis des Transistors liegenden Schaltschwellenspan- die Ansteuerung des Ausgangstransistors 16 wieder nungen umschaltet. Der Transistor 18 steuert einen frei.

Transistor 20 als elektronischen Schalter an, der durch Zur Begrenzung des Verbraucherstromes auf einen

Einwirkung auf den Treibertransistor 15 den Ver- Maximalwert I₂ wird der Spannungsabfall am·Meßwi-

braucherstrom unterbrechen kann. 45 derstand 23 herangezogen, der den Transistor 29 an-

Im normalen Betrieb ist der Transistor 17 leitend steuert. Dieser regelt den Strom des Treibertransistors und der Transistor 18 gesperrt. An der Basis des Tran- 15 so. daß der Maximalwert 7, nicht überschritten sistors 17 liegt die Spannung IZ₁ an, die aus der Ver- 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 Ladestrompfad 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 Schaltschwelle (L/,) beginnt und bei der unteren Schaltschwefle (C₁) endet,

d) das Ausgangssignal 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. i"b- 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) für 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 eii.cn Transistor (25) enthält, dessen Basis vom Spannungsabfall nn einem Meßwiderstand (23, 24) im Verbraucherstromkreis angesteuert ist (Fig. 3).

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

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