DE2360678A1

DE2360678A1 - Schaltungsanordnung zur kurzschlussund ueberlastsicherung eines leistungsschaltkreises

Info

Publication number: DE2360678A1
Application number: DE2360678A
Authority: DE
Inventors: Ernst Wittenzellner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-12-05
Filing date: 1973-12-05
Publication date: 1975-06-19
Also published as: GB1488143A; DE2360678B2; FR2254136B1; IT1030862B; CA1033412A; FR2254136A1; JPS5089854A; US3979645A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, "4. DEZ. 1973

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

73/1243

Schaltungsanordnung zur Kurzschluß- und Überlastsicherung eines Leistungsschaltkreises.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kurzschluß- und Überlastsicherung eines Leistungsschaltkreises.

Monolithisch integrierte Digitalbausteine können an ihren Ausgängen nur relativ kleine Ströme verarbeiten. In der Steuer- und Regeltechnik, v/o digitale integrierte Schaltkreise in großem Umfang eingesetzt werden _t sind jedoch zur Ansteuerung von Leistungselementen wie z.B. Relais, Lampen oder Magnetventilen Ströme bis zu 1 A bei Betriebsspannungen bis zu 30 V nötig. Man braucht deswegen Leistungsschaltkreise, die aus Gründen der Gleichmäßigkeit in der Fertigung und damit der Wirtschaftlichkeit möglichst ebenfalls monolithisch integriert sein sollen. Von diesen Leistungsschaltkreisen wird ebenso wie von digitalen Standardschaltkreisen verlangt, daß ihr Ausgang bei Überlastung oder bei Kurzschluß nicht zerstört wird. Bei den genannten Spannungen und Strömen können Kurzschlußverlustleistungen bis zu einigen 10 ¥att auftreten. Damit können die Systeme und deren Gehäuse sofort zerstört werden. Deshalb ist ein Überlastschutz notwendig, der im Kurzschluß- oder Überlastfall den Strom abschaltet bzw. stark reduziert. Dieser Überlastschutz sollte möglichst elektronisch gerer gelt sein. Wenn keine Überlastung mehr vorliegt, muß sich der Strom selbsttätig und ohne große Zeitverzögerung wieder einschalten.

Kurzzeitige Überlastungen müssen jedoch ohne Ansprechen der Sicherung möglich sein, wenn beispielsweise kapazitive Lasten oder Glüh-

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lampen mit kleinem Kaltwiderstand betrieben werden. Wenn keine Überlastung vorhanden ist, darf die Funktion des gesicherten Schaltkreises in keiner Weise von den Elementen der Sicherung beeinflußt werden.

Eine solche Sicherung könnte auf thermischem Wege realisiert werden. Der Schaltkreis müßte einen Temperaturfühler enthalten, der veranlaßt, daß in einer Regelschaltung die Verlustleistung im Kurzschlußfall reduziert wird und die Sperrschichttemperaturen nicht über einen unschädlichen Maximalwert ansteigen. Die Konstruktion einer solchen thermischen Sicherung ist jedoch schwierig; an die Fertigungstoleranzen müssen hohe .Anforderungen gestellt werden. Darüberhinaus besteht bei einer solchen thermischen Sicherung der Nachteil, daß der Regelkreis nur schwer stabil gehalten werden kann.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Strom bei Überschreiten der Grenze entlang einer negativen Widerstandskennlinie auf einen ungefährlichen Wert zu reduzieren. Auch hier gibt es wieder Toleranzprobleme, Darüberhinaus wird kein idealer Schutz bei Überlastung gewährleistet, weil nicht genügend zwischen einem echten Kurzschluß und dem Maximalbetrieb unterschieden werden kann. Außerdem müßten zur Ansteuerung von Glühlampen Sondermaßnahmen für einen verzögerten Einsatz getroffen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Kurzschluß- und Überlastsicherung eines Leistungsschaltkreises anzugeben, die die genannten Nachteile nicht aufweist, den oben angegebenen Anforderungen jedoch genügt. Der Strom soll sich bei Beendigung der Überlastung selbsttätig und ohne große Zeitverzögerung wieder einschalten. Kurzzeitige unschädliche Überlastungen sollen möglich sein.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zwischen den Eingang für die Endstufe des Leistungsschaltkreises und die Endstufe selbst ein UND-Gatter derart geschaltet ist, daß dieser Eingang an dem ersten von zwei Eingängen des UND-Gatters liegt und der Ausgang des UND-Gatters mit dar Endstufe verbunden ist, daß an die Endstufe ein Überlastfühler angeschlossen ist, der mit dem ersten von zwei Eingangen eines Flipflop verbunden ist, daß an den zweiten Eingang des Flipflop ein Taktgenerator ange- . · schlossen ist und daß ein Ausgang des Flipflop am zweiten Eingang des UND-Gatters liegt und, wenn im Überlastfall das Flipflop über seinen ersten Eingang vom Überlastfühler.angesteuert wird, in den Taktpausen des Taktgenerators das logische Signal Null und während der Τεί^ΐΐηρ\Λΐ8β das logische Signal Eins führt, wobei das Impuls/ Pausen-Verhältnis des Taktgenerators so eingestellt ist, daß die sich im Kurzschlußfall ergebende mittlere Verlustleistung unter dem für die Endstufe gefährlichen Wert bleibt.

Die Länge ei;aes einzigen Impulses des Taktgenerators darf dabei nur so groß sein, daß der dabei im Kurzschlußfall durch die Endstufe fließende Strom noch nicht zerstörend wirken kann. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Impulslänge kleiner sein müß als die thermische Zeitkonstante des Systems, die für eine schädliche Verlustenergie gegeben ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist an die Endstufe eine Strombegrenzerschaltung angeschlossen, die verhindert, daß der während eines einzigen Impulses des Taktgenerators durch die Endstufe fließende Strom einen beliebig großen Wert annimmt.

Nach einer anderen Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist zwischen dem Überlastfühler und dem ersten

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Eingang des Flipflop ein Verzögerungsglied angeordnet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht der Überlastfühler aus einem vom Ausgangsstrom des Lei stungs schaltkreis es durchflossenen ohmschen Widerstand, an dem eine Spannung abgegriffen wird. Diese Spannung steuert einen Schwellenwertschalter, der im Überlastfall, d.h. wenn der Strom einen unzulässigen Wert erreicht, ein Steuersignal an den ersten Eingang des Flipflop abgibt.

Weitere Einzelheiten sollen an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erläutert werden.

Der Eingang der Endstufe eines Leistungsschaltkreises ist mit 1, die Endstufe selbst mit 2 bezeichnet. Zwischen diesem Eingang 1 und der Endstufe 2 liegt ein UND-Gatter 3 derart, daß der Eingang 1 mit einem ersten Eingang 4 des UND-Gatters 3 und der Ausgang 5 des UND-Gatters 3 mit der Endstufe 2 verbunden ist. Der andere Eingang 6 des UND-Gatters 3 liegt an einem Ausgang 7 eines Flipflop 8. Das Flipflop 8 besitzt zwei Eingänge 9 und 10, von denen der Eingang 9 mit einem Taktgenerator 11 verbunden ist. Der Ausgang der Endstufe 2 führt über einen Spannungsbegrenzer 16 und über einen ohmschen Widerstand 12 zu dem Ausgang 13 des Leistungsschaltkreises. An dem ohmschen Widerstand 12 wird eine Spannung abgegriffen und einem Schwellenwertschalter 14 zugeführt. Dieser Schwellenwertschalter 14 ist über ein Verzögerungsglied 15 mit dem Eingang 10 des Flipflop 8 verbunden.

Das Flipflop 8 ist als bistabiles Schaltelement so ausgebildet, daß es über den Eingang 9 gesetzt und über den Eingang 10 rück- , gesetzt wird. Im rückgesetzten Zustand gibt das Flipflop 8 über den Ausgang 7 an den Eingang 6 des UND-Gatters das logische Signal

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NuIl ab. Der Taktgenerator 11 ist freilaufend ausgebildet. Nach Anlegen der Versorgungsspannung und nachdem der freilaufende Taktgenerator 11 den ersten Impuls an das Flipflop 8 abgegeben hat, steht der Flipflop - Ausgang 7 auf logisch Bins. Damit kann die Endstufe 2 vom Eingang 1 aus über das UND-Gatter 3 angesteuert v/erden, wenn auch der Eingang 4 des UND-Gatters die logische Eins führt. Das ist dann der Normalbetrieb. Wird die Endstufe 2 überlastet, dann wird das Flipflop 8 in der Impulspause über den Schwellenwertschalter.14 und das Verzögerungsglied 15 rückgesetzt und gibt an seinem Ausgang die logische Null ab. Damit schaltet das UND-Gatter 3 die Endstufe 2 ab. Beim nächsten Taktimpuls steht der Flipflop-Ausgang 7 jedoch wieder auf Eins* solange der Taktimpuls andauert, und die Endstufe 2 arbeitet in jedem Falle wieder. Dabei sorgt der Strombegrenzer 16 dafür, daß der Strom keinen unzulässig hohen Wert annimmt. Die Ansprechschwelle des Strombegrenzers 16 ist selbstverständlich höher als der Wert, bei dem der Schwellenwertschalter 14 anspricht. Besteht die Überlastung in der anschließenden Impulspause immer noch, dann wird das Flipflop 8 wieder rückgesetzt, und die Endstufe 2 wird abgeschaltet; besteht sie nicht mehr, arbeitet die Endstufe 2 normal weiter.· Zum eindeutigen Verständnis sei für die Eingänge 9 und 10 und für den Ausgang J des Flipflop 8 folgende logische Wahrheitstabelle angefügt:

(keine Zustandsänderung)

■9	10	7
0	0	X
1	0	1
O	1	0
1	1	1

Das Impuls/Pausen-Verhältnis des Taktgenerators 11 wird von der zulässigen mittleren Verlustleistung bestimmt. Beispielsweise hat

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beim Ausführungsbeispiel das Impuls /Paus en- Verhältnis einen Wert von 1:50. Das bedeutet, daß sich im Kurzschlußfall bei beispielsweise 30 V VersOrgungsspannung und einem maximalen Strom von 1A ohne Sicherung eine Verlustleistung von 30 W ergäbe, mit Sicherung Jedoch nur w · 30 VTw0,59 W.

Das Verzögerungsglied 15 bewirkt lediglich ein verzögertes Ansprechen der Sicherung, so daß Leitungskapazitäten ohne Ansprechen der Sicherung aufgeladen werden können.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in ihrem Regelprinzip für jede Art von Schaltkreisen möglich. Sie ist jedoch besonders vorteilhaft im Einsatz bei integrierten Leistungsschaltkreisen.

4 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Kurzschluß- und Überlastsicherung eines LeistungsSchaltkreises, dadurch gekennzeich-' net, daß zwischen den Eingang (1) für die Endstufe (2) des . Leistungsschaltkreise.s und die Endstufe (2) selbst ein UND-Gatter (3) derart geschaltet ist, daß dieser Eingang (1) an dem ersten (4) von-zwei Eingängen (4, 6) des UND-Gatters (3.) liegt und der Ausgang (5) des UND-Gatters (3) mit der Endstufe (2) verbunden ist, daß an die Endstufe (2) ein Überlastfühler angeschlossen ist, der mit dem ersten (10) von zwei Eingängen (9, 10) eines Flipflop (8) verbunden ist, daß an den zweiten Eingang (9) des Flipflop (8) ein Taktgenerator (11) angeschlossen ist und daß ein Ausgang (7) des Flipflop (8)-am zweiten Eingang (6) des UND-Gatters (3) liegt und, wenn im Überlastfall das Flipflop (8) über seinen ersten Eingang (10) vom Überlastfühler (12) angesteuert wird, in den Taktpausen des Taktgenerators (11) das logische Signal Null und während der Taktimpulse das logische Signal Eins führt, wobei das Impuls/Pausen-Verhältnis des Taktgenerators (11) so eingestellt ist, daß die sich im Kurzschlußfall ergebende mittlere Verlustleistung unter dem für die Endstufe gefährlichen Wertbleibt. . .

2* Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch , gekennz eichnet, daß an die Endstufe (2) eine Strombegrenzerschaltung (16) angeschlossen ist, die verhindert, daß während eines Taktimpulses des Taktgenerators (11) kein beliebig hoher Strom fließt.

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3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen demüberlastfühler und dem ersten Eingang (10) des Flipflop (8) ein Verzögerungsglied (15) liegt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Überlastfühler aus einem vom Ausgangsstrom der Endstufe (2) durchflossenen ohmschen Widerstand (12) mit einem Spannungsabgriff besteht, wobei der Spannungsabgriff mit einem Schwellenwertschalter (14) verbunden ist, der bei Überschreiten des zulässigen Wertes des Ausgangsstroms ein Signal an das Flipflop (8) abgibt.

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