DE2422351A1 - Ueberlastungsschutz fuer leistungs-transistoren, insbesondere im parallelbetrieb - Google Patents

Ueberlastungsschutz fuer leistungs-transistoren, insbesondere im parallelbetrieb

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Description

Stuttgart, 30. 4. 1974 PM-AFB-740228
Beschreibung und Patentansprüche
Überlastungsschutz für Leistungs-Schalttransistoren, insbesondere im Parallelbetrieb
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung, welche geeignet ist, im Schalterbetrieb arbeitende Leistungstransistoren insbesondere im Parallelbetrieb, aber auch im Einzelbetrieb vor Überlastung zu schützen.
Bild 1 zeigt die wesentlichen Komponenten einer quasistetig arbeitenden Anordnung, bei welcher ein Verbraucherzweipol (1) aus einer Gleichspannungsquelle (2) mit einer quasistetig einstellbaren Leistung versorgt werden soll.
Dazu wird in die Verbindungsleitung zwischen Verbraucherzweipol (1) und Gleichspannungsquelle (2) eine elektronische Schalteinrichtung (3) eingefügt, welche über die Steuereinrichtung (4) zum einen in einen möglichst ideal leitenden Zustand (α) und zum anderen in einen möglichst ideal sperrenden Zustand (g) versetzt werden kann.
Die elektronische Schalteinrichtung kann aus einem einzelnen Leistungs-Schalttransistorj einer Parallelschaltung von solchen oder auch aus einer einzelnen sog. Darlingtonstufe, einer Parallelschaltung von solchen oder aus Kombinationen hieraus bestehen.
Die Variation der Leistungszufuhr zum Verbraucherzweipol geschieht dadurch, daß die Verweilzeiten der Anord-
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nung im Zustand C0O (Schalteinrichtung 3 ist möglichst ideal leitend) und/oder im Zustand (ß) (Schalteinrichtung ist möglichst ideal gesperrt) geeignet verändert werden. Soll die dem Verbraucherzweipol (T) zugeführte Leistung erhöht werden, so wird eben das Verhältnis der Verweilzeit im Zustand (α) zu jener im Zustand (ß) erhöht bzw. - für eine Verringerung der Leistung - vermindert.
Bild 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zu Bild 1, wobei der Verbraucherzweipol (1) aus einer permanenterregten Gleichstrommaschine (5) mit Freilaufdiode (6) besteht. Letztere bietet dem Hauptstrom die Möglichkeit, auch dann noch weiterzufließen, wenn die elektronische Schalteinrichtung (3) in den sperrenden Zustand versetzt worden ist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die elektronische Schalteinrichtung aus einer Darlington-Anordnung, bei welcher beispielhaft ein pnp-Transistor - (7) mehrere npn-Transistoren (8) mit Basisstrom versorgt. Die Basis des Vortransistors (7) der Darlingtonstufe wird von der Steuereinrichtung (4) entweder mit hohem Basisstrom versorgt - was bewirkt, daß die elektronische Schalteinrichtung (3) bestmöglich durchschaltet (Zustande) oder ganz ohne Basisstrom belassen - was bewirkt, daß die elektronische Schalteinrichtung (3) bestmöglich sperrt (Zustand 3).
Bei veränderlicher Gegenspannung des Verbraucherzweipols (1) und/oder veränderlicher Spannung der Gleichspannungs-
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quelle (2) kann es in den in Bild 1 und Bild 2 skizzierten Anordnungen dazu kommen, daß die elektronische Schalteinrichtung (3) im Zustand (α) (elektronische Schalteinrichtung ist möglichst ideal leitend) überlastet wird.
Bekannte Anordnungen zum Schutz der elektronischen Schalteinrichtung (3) vor einer Überlastung bauen darauf auf, daß entweder der Gesamtstrom durch die Schalteinrichtung (3) oder - mehr oder weniger repräsentativ hierfür - der Strom durch einen Teilzweig dieser Einrichtung erfasst und mit einem zulässigen Grenzwert verglichen wird. Überschreitet der gemessene Strom den zulässigen Grenzwert, dann wird über die Steuereinrichtung (4) die elektronische Schalteinrichtung vom Zustand («) in den Zustand (ß) versetzt, wo sie für eine gewisse Mindestzeit verharrt, damit bei neuerlichem Übergang in den Zustand (α) nicht sofort wieder die Überlastungsgrenze erreicht wird.
Diese bekannten Schutzanordnungen haben jedoch gravierende Nachteile. Entweder erfordern sie zusätzlich Meßwiderstände im Hauptstromkreis, welche hinsichtlich des Aufwands, der damit verbundenen Verluste und der - infolge begrenzt zu haltender Verluste - niedrigen Signalspannungsänderungen sehr beschränkt geeignet sind. Oder sie erfordern eine potentialfreie Erfassung des Laststroms, welche wegen des damit verbundenen erheblichen Aufwands und der systeminhärenten Signalverzögerung zu
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Schwierigkeiten führt.
Außerdem ist festzustellen, daß der Laststrom - oder ein mehr oder weniger repräsentativer Teil hiervon die eigentliche Beanspruchung der elektronischen Schalteinrichtung nur sehr unvollkommen kennzeichnet. Kommen z.B. bei einer Großserxenfertxgung Vor-Transistoren (7) und Haupttransistoren (8) zusammen, welche sämtlich eine niedrige Stromverstärkung aufweisen, so kann beim sog. Grenzstrom der elektronischen Schalteinrichtung (3) an dieser bereits eine so hohe Spannung auftreten, daß die resultierende Verlustleistung die elektronische Schalteinrichtung (3) bereits zerstört.
Der Schlüsselgedanke der Erfindung besteht nun darin, zur Kennzeichnung des Belastungszustandes an der elektronischen Schalteinrichtung (3) nicht den dort durchfließenden Strom - bzw. einen Teil hiervon - heranzuziehen ,sondern - entsprechend der Darstellung in Bild 3 die an dieser elektronischen Schalteinrichtung (3) anliegende Spannung Ug5 . Dies hat ganz entscheidende Vorteile. Zum einen ist dieses Signal sehr einfach, praktisch verlustfrei und potentialgünstig zu erfassen. Zum zweiten kennzeichnet dieses Signal den Beanspruchungszustand eines - insbesondere aus Leistungstransistoren bestehenden - elektronischen Schalters wesentlich besser als der vorgenannte Strom. Zum dritten werden bei Ausfall einzelner Transistoren oder hieraus gebildeter Teil-Schaltkombinationen infolge Auftrennens dieser Strecken
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die verbleibenden,noch intakten nicht überlastet. In solchen Fällen geht lediglich die Leistungsfähigkeit der Gesamtanordnung etwas zurück.
Erfindungsgemäß wird also entsprechend der Darstellung in Bild 4 jene Spannung UES , welche an der elektronischen Schalteinrichtung (3) anliegt, der diese beeinflussende Steuereinrichtung (4) als Signal zugeführt. Dort wird die Spannung Upo mit einem - erforderlichenfalls verstellbaren - Grenzwert verglichen. Überschreitet die Spannung UpS an der elektronischen Schalteinrichtung den zulässigen Grenzwert, dann wird über die Steuereinrichtung (4) die elektronische. Schalteinrichtung (3) vom leitenden Zustand (α) in den sperrenden Zustand (ß) versetzt, wo sie mindestens für eine gewisse Minimalzeit verharrt, damit bei einem neuerlichen Umschalten in den leitenden Zustand (α) nicht sofort wieder der vorgenannte zulässige Grenzwert von Upo erreicht ist.
Die Steuereinrichtung (4) arbeitet üblicherweise nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation, Pulsfolgemodulation oder Kombinationen hieraus. Im Interesse eines möglichst kontinuierlichen Betriebs ist es zweckmässig, die Steuereinrichtung (4) durch ein von U130 kommendes Abschaltkommando zu synchronisieren derart, daß die Steuereinrichtung so weiterarbeitet, als ob sie dieses Abschaltkommando nicht von UES erhalten, sondern über die in ihr verwirklichte Pulsbreitenmodulation, Pulsfolgemodulation oder Kombinationen hieraus selbst ausgelöst hätte.
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Solange die elektronische Schalteinrichtung (3) also noch nicht an ihrer Belastungsgrenze arbeitet, werden nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation, Pulsfolgemodulation oder Kombinationen hieraus die Verweilzeiten der elektronischen Schalteinrichtung in möglichst gut leitendem Zustand (α) bzw..möglichst gut sperrendem" Zustand (ß) über die Steuereinrichtung, z.B. nach Maßgabe der in Bild 4 eingetragenen - veränderbaren - Steuerspannung u ' festgelegt. Durch eine Variation des Verhältnisses der Verweildauer in möglichst gut leitendem Zustand (α) zu jener in möglichst gut sperrendem Zustand (ß) wird die dem Verbraucher zufließende Leistung auf den gewünschten Wert eingestellt.
Oberschreitet jedoch in leitendem Zustand (α) der elektronischen Schalteinrichtung (3) die an ihr liegende Spannung Up- einen - gegebenenfalls einstellbaren - Grenzwert, so wird sofort in den sperrenden Zustand umgeschaltet und durch geeignete Ausführung der Steuerschaltung sichergestellt, daß ein Zurückschalten in den leitenden Zustand erst nach Ablauf einer bestimmten Minimalzeit möglich ist.
Bild 5 zeigt ein Beispiel einer ausgeführten Schaltung, welche vom Gegenstand der Erfindung Gebrauch macht. Beispielhaft sind an die speisende Gleichspannungsquelle (2) sowohl das Sollwertpotentiometer (9), die Steuerschaltung (4) als auch der Lastkreis, gebildet aus Verbraucherzweipol (1) und elektronischer Schalteinrichtung (3), angeschlossen.
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Im Normaibetrieb - ohne Eingriff des Überlastungsschutzes schreibt die Steuerspannung u . über die Steuerschaltung (4) bestimmte Verweilzeiten für die elektronische Schalteinrichtung im Zustand (α) (möglichst gut leitender Zustand) und im Zustand (ß) (möglichst gut sperrender Zustand) vor. Sobald jedoch in leitendem Zustand (α) die an der elektronischen Schalteinrichtung liegende Spannung UES - bedingt durch zu großen Hauptstrom, zu geringen Steuerstrom oder zu hohe Temperatur - einen gewissen am Potentiometer (10) eingestellbaren Grenzwert übersteigt, wird sofort in den sperrenden Zustand (ß) umgeschaltet, welcher mindestens für ein bestimmtes minimales Zeitintervall erhalten bleibt, bevor wieder in den leitenden Zustand (α) zurückgeschaltet wird.
Das Rücksetzen des bistabil arbeitenden Verstärkers (11) von kleinem positivem Ausgangspotential auf hohes positives Ausgangspotential erfolgt stets durch die Spannung y ^ wodurch gewährleistet ist, daß dann, wenn das Umschalten in den Zustand (3) durch Überlastung hervorgerufen wird, eine einwandfreie Synchronisation zum nächstfolgenden Einschaltsignal gewährleistet ist.
rr 8 -
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    f 1. Vorwiegend für aus Leistungstransistoren aufgebaute elektronische Schalteinrichtungen geeignete Anordnung zum Überlastungsschutz, dadurch gekennzeichnet, daß die an solchen elektronischen Schalteinrichtungen anstehende Spannung mit dem Ziel des Schutzes vor Überlastungen erfaßt wird. '""
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an solchen elektronischen Schalteinrichtungen anstehende Spannung mit einem festen Grenzwert verglichen wird.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Grenzwert in Abhängigkeit von anderen physikalischen Größen variiert wird.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn in leitendem Zustand der elektronischen Schalteinrichtung die an dieser anstehende Spannung den vorgegebenen Grenzwert übersteigt, die elektronische Schalteinrichtung vom leitenden in den sperrenden Zustand umgeschaltet wird.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzei-
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    net, daß in Fällen, wenn die an der elektronischen Schalteinrichtung anstehende Spannung das Umschalten vom leitenden Zustand in den sperrenden Zustand bewirkt hat, das nächste Umschalten in den leitenden Zustand frühestens nach Ablauf einer gewissen Minimalzeit möglich ist.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten der elektronischen Schalteinrichtung vom leitenden in den sperrenden Zustand und umgekehrt im Normalbetrieb, solange der beschriebene Überlastungsschutz noch nicht eingreift über eine Steuereinrichtung erfolgt, welche in bekannter Weise nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation, Pulsfolgemodulation oder Kombinationen hieraus arbeitet.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unter Anspruch 6 genannte Steuereinrichtung beim Eintreffen eines von der Spannung an der elektronischen Schalteinrichtung ausgelösten Abschaltkommandos durch dieses synchronisiert wird derart, daß die Steuereinrichtung so weiterarbeitet, als ob sie dieses Abschaltkommando selbst ausgelöst hätte.
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß damit die einem
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    Verbraucher zugeführte Leistung auf einen beliebigen Wert zwischen Null und einer oberen Grenze von Hand oder automatisch eingestellt werden kann.
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