DE2928227A1

DE2928227A1 - Schutzschaltung fuer dc-wandler

Info

Publication number: DE2928227A1
Application number: DE19792928227
Authority: DE
Inventors: Tomoaki Uchida
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1978-07-12
Filing date: 1979-07-12
Publication date: 1980-01-24
Also published as: FR2431216A1; DE2928227C2; FR2431216B1; JPS5513636A; JPS5820546B2

Description

Die Erfindung betrifft DG-Wandler und insbesondere eine Schutzschaltung zum Schutz eines Schalttransistors für den Wandler gegen Überstrom-Belastung bei Auftreten eines Kurzschlußzustandes im Lastkreis.

Ein DC-Wandler umfaßt üblicherweise einen Transformator und einen in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators an einer Gleichspannungsquelle liegenden Schalttransistor, um einen pulsierenden Strom in der Primärwicklung in Abhängigkeit von BasAstreiberimpulsen zu erzeugen, welche von einem in einer ' 'Gegen-JKiöppelschaltung angeschlossenen Generator für Impulse mit veränderbarer Länge geliefert werden. Diese gegengekoppelte Schaltung erhält ein Eingangssteuersignal von der tertiären Wicklung des Transformators., um die Länge der Basistreiberimpulse reziprok in Abhängigkeit von dem Steuersignal so zu steuern, daß die mit einer Lastbeschaltung verbundene Sekundärwicklung des Transformators eine Spannung erzeugt, die auf einem erforderlichen Wert gehalten wird.

Es ist eine Schutzschaltung bekannt, um den Schalttransistor gegen überstrom zu schützen, der infolge eines Kurzschlußzustandes der Lastbeschaltung auftreten kann. Diese herkömmliche Schutzschaltung besteht aus einem Thyristor, der die Basis des Schalttransistors an Erde legt, wenn die in der Primärwicklung enthaltene elektrische Energie den Schwellwert des Thyristors, bei einem Kurzschlußzustand des Lastkreises überschreitet. Da zwischen der Basis des Schalttransistors und Erde oder Masse eine dauerhafte Verbindung hergestellt ist, ist es dann notwendig, von Hand oder willentlich den Wandler abzuschalten, nachdem der Kurzschluß zustand beseitigt wurde, damit der Thyristor in seinen nicht-leitenden Zustand zurückkehrt. Eine derartige willentliche oder von Hand ausgeführte Betätigung wird als

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lästig empfunden und es besteht Bedarf nach einer Schaltung, die eine automatische Rückführung der Bückkoppelsteuerung in den Betriebszustand Tierbeiführt. \

Die vorliegende Erfindung hat damit die Aufgabe, eine Schutzschaltung zu schaffen, die nach Beseitigung des Kurzschlußzustandes eine automatische Inbetriebsetzung der Steuerschaltung erzeugt.

Durch die vorliegende Erfindung.wird dies dadurch erreicht , daß eine Zeitgeberschaltung, beispielsweise ein monostabiler Multivibrator, verwendet wird, der die Erzeugung der Basistreiberimpulse während einer gewissen Zeitlänge sperrt, wenn die elektrische Energie in der Primärwicklung des Transformators einen vorbestimmten Wert überschreitet. Unmittelbar nach Beendigung der Sperrzeit wird die Länge der Basistreiberimpulse schrittweise von Null an erhöht,·, bis sie den normalen Betriebswert erreicht.. Vorzugsweise wird das Sperrsignal dazu benutzt, das Steuersignal auf einen den normalen Bereich der Impulslängensteuerung überschreitenden Wert zu erhöhen Und die anfängliche Startimpuls-Breitensteuerung für den Wert Null wird dadurch erreicht, daß eine exponentionell abnehmende Spannung unmittelbar nach der Beendigung des Sperrsignals erzeugt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Figur 1 ein Schaltbild einer Ausführung der Erfindung, wobei zusätzlich gestrichelt ein Thyristor zur Verdeutlichung des seither üblichen Schutzschaltungsauf baus eingezeichnet ist, und

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Figur 2 (a-f) an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 1 beim Betrieb der Schaltung auftretende Wellenformen.

In dem in Fig. 1 gezeigten Schaltbild eines DC-Wandlers ist mit gestrichelten Linien ein Thyristor 21 eingezeichnet, um den Betrieb einer Schutzschaltung nach dem Stand der Technik zu erklären. Mit dem DC-Wandler ist ein VoIlwellengleichrichter 2 verbunden, der den Wechselstrom einer V/echselstromquelle 1 (beispielsweise einer Kraftfahrzeug-Lichtmaschine) in Gleichstrom umwandelt. Die so erzeugte, an den Klemmen 7 und 8 des DC-V/andlers anliegende Gleichspannung wird der Primärwicklung 10 eines Transformators 9 zugeführt. Diese Primärwicklung 10 ist an einem Ende mit der positiven Klemme 7 und an dem anderen Ende mit der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 13 verbunden, die wiederum über einen Widerstand 1Zf mit der negativen Klemme 8 in Verbindung steht. Ein die Primärwicklung 10 durchfließender Strom wird dann zugelassen, wenn an die Basis des Transistors 13 ein Basistreiberimpuls angelegt wird. Auf diese V/eise werden in der Sekundärwicklung 11 und der Tertiärwicklung 12 des Transformators 9 ebenfalls Spannungen erzeugt, wobei die in der Sekundärwicklung 11 erzeugte Spannung durch eine Diode 15 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 16 geglättet wird, so daß sich eine ausreichende Gleichspannung ergibt, die einer Lastschaltung 19 zugeführt wird. Die in der tertiären Wicklung 12 hervorgerufene Spannung wird durch eine Diode 30 gleichgerichtet und einen Kondensator 31 geglättet; daraufhin wird diese Spannung an einen aus den Widerständen ~bZ, 33 und 3h gebildeten Spannungsteiler angelegt. Ein Differentialverstärker 23 ist vorgesehen, um die Größe der Abweichung der am Widerstand 33 anliegenden Spannung gegenüber einer Vergleichsspannung zu erfassen, die durch

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eine Zenerdiode 22 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des DifferentialVerstärkers 23 wird am einen Eingang eines Komparators 2Zf angelegt. Am anderen Eingang des Komparators 2.1+ wird eine Sägezahnspannung angelegt, die ein Sagezahnspannungs-Generator 25 erzeugt. Der Komparator 24 vergleicht den augenblicklichen Wert der Sägezahnspannung mit dem Ausgangswert des Differentialverstärkers 23 und gibt ein Ausgangssignal mit hohem Spannungswert ab, wenn der augenblickliche Wert der Sägezahnspannung größer als der des Differentialsignals ist. Damit besteht das Ausgangssignal des Komparators 21+ aus einem Zug von Impulsen, deren Breite bzw, Zeitlänge sich umgekehrt in Abhängigkeit von der Abweichung der Spannung der Tertiärwicklung 12 von der Referenzspannung ändert. Das Ausgangssignal des Komparators wird mittels eines Verstärkers 26 verstärkt und an die Basis des Transistors 13 zur Steuerung des Leitzustandes der Kollektd.r-Emitterstrecke dieses Transistors angelegt. Da die von den-Sekundär-"-und"Tertiär-." wicklungen des Transformators 9 abgeleiteten Gleichspan- j nungen proportional zur Leitzeit des Transistors 13 sind, - ".. und da das Ausgangssignal der Tertiärwicklung sozusagen negativ an die Basis des Transistors 13 rückgekoppelt wird, ' wird dieser Transistor reziprok in Abhängigkeit vom Aus- \ gang der Tertiärwicklung gesteuert und die der Lastschaltung 19 zugeführte Ausgangsgleichspannung wird gesteuert bei einem vorbestimmten Spannungswert gehalten, der durch die Zenerdiode 22 bestimmt wird.

Wenn bei dieser Schaltung in der Lastschaltung I9 ein Kurz -

_tschlußzustand auftritt, vermindert sich die am Widerstand j 33 anliegende Spannung zu einem ungewöhnlich niedrigen V/ert, Dadurch entsteht am Ausgang des Komparators 2if ein Impuls mit einer derart großen Länge, daß der Transistor 13 durch den sich dadurch ergebenden Strom in der Primärwicklung

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des Transformators 9 zerstört werden kann.

Dieses Problem wird nach dem Stand der Technik so gelöst, daß eine Schalteinrichtung, beispielsweise ein Thyristor 211 eingesetzt wird, dessen Torelektrode mit einer Leitung 21a mit dem Emitter des Transistors 13 verbunden ist, so daß sich ein Kurzschlußweg durch den Anoden-Kathodenweg des Thyristors 21 zwl/schen der Basis des Transistors 13 und Erde ergibt, wie es durch die Leitungen 21b und 21c gezeichnet ist. Der Thyristor wird gezündet, wenn eine überspannung an dem Widerstand 1/f auftritt infolge eines Kurzschlußzustandes in der Lastschaltung 19 und dadurch wird augenblicklich die Basis des Transistors 13 geerdet oder an Masse gelegt, um den Transistor vor Uberstrombeschädigung zu schützen. Der Thyristor bleibt im Leitzustand, so lange sein Anodenstrom vorhanden ist. Da jedoch der Anodenstrom aufrechterhalten bleibt, so lang die Vorrichtung eingeschaltet ist, ist es normalerweise nötig, willentlich oder von Hand die Vorrichtung auszuschalten, wenn der Kurzschlußzustand beendet ist.

Diese lyillentliche oder von Hand eingeleitete Schaltung wird durch die Erfindung dadurch vermieden, daß eine Zeitgeberschaltung eingefügt wird, die einen monostabilen Multivibrator 60 und eine Vorstromquelle 70 umfaßt. Der monostabile Multivibrator 60 erhält ein Eingangssignal vom Emitter des Transistors 13, um ihn vom stabilen Zustand in einen quasi-stabilen Zustand zu schalten, wenn die an dem V/iderstand 11+ auftretende Spannung einen vorbestimmten Wert übersteigt. Die Vorstromquelle 70 ist mit dem Ausgang des monostabilen Multivibrators so verbunden, daß ein Vorstrom oder Hilfsstrom an den Ausgang des Differentialverstärkers 23 über einen Widerstand 35 abgegeben wird,

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der zwischen dem Ausgang des Differentialverstärkers 23 und dem invertierenden Eingang des !Comparators 27 liegt. Durch diesen Vor- oder Hilfsstrom wird ein Spannungsabfall am Widerstand 35 erzeugt, der das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 23 überlagert, so daß die Spannungssumme sich über der Maximalspannung des Sägezahngenerators 25 befindet.

Der monostabile Multivibrator 60 enthält zwei Schalttransistoren 2f5 und 2f6, deren Emitter an einer Konstant st romquelle /f7 liegen, deren entgegengesetzt liegende Seite geerdet ist, während der Kollektor des Transistors i|6 über einen Widerstand ij4 mit einer Spannungsversorgungsklemme V verbunden ist und der Kollektor des Transistors k5

CC _ . "

direkt mit dieser Vorspannungsquelle verbunden ist. Wenn der Transistors i+5 sich im Leitzustand befindet, ist damit der Transistor ij-6 gesperrt. Die Basis des Transistors Λ5 liegt auf einer Vorspannung V„, die von einem durch Widerstände "36", 37 und 38.. gebildeten Spannungsteiler erzeugt wird, ..wenn der monostabile Multivibrator 60 sich im stabilen Zustand befindet. Diese Vorspannung wird so gewählt, daß ihr Wert größer als die Basisspannung des Transistors 46 ist, wenn dieser gesperrt ist. Diese Basisspannung hat den Wert V -V₁₅,-,, wobei V die Spannung einer Spannungsquelle

C XjÜj _ C

57 ist, die an der Basis eines Transistors 51 anliegt und V-Dg die Basisemitterspannung des Transistors 51 ist.

Der Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 wird mit Bezug auf die Diagramme a bis f der Fig. 2 erklärt. Bei einem auftretenden Kurzschlußzustand in der Lastschaltung 19 zur Zeit t₁ überschreitet die am Widerstand 1 4 auftretende Spannung die Basisemitterspannung V₁₃₁₇, eines Transistors 39 Ca) und dieser schließt überseine Emitterbasisstrecke den Widerstand 38

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kurz, um die Basisspannung des Transistors 45 auf den Wert Vj zu erniedrigen, der kleiner als die Basisspannung V -V_RE des Transistors 46 ist. Damit wird der Transistor 45 gesperrt und der Transistor 46 kann sich einschalten. Die Einschaltung des Transistors 46 schaltet auch die Transistoren 43 und 48 ein und hält den Transistor 39 im eingeschalteten Zustand. Zwischen der Basis des Transistors 46 und Erde oder Masse liegt ein Kondensator C und dieser bildet mit einem Widerstand R, der in Reihe zum Transistor 48 liegt, eine Zeitkonstante. Der Kondensator C wird so auf die Basisspannung des Transistors 46 aufgeladen, wenn der monostabile Multivibrator 60 sich im stabilen Zustand befindet, und zwar durch den Transistor 51 und den Widerstand 50.

Durch das Einschalten des Transistors 48 kann der Kondensator C sich so über den Widerstand R entladen, daß die Spannung an der Basis des Transistors 46 sich gemäß Diagramm b in Fig. 2 exponentiell bis zur Spannung Vy erniedrigt; nun wird der Transistor 46 gesperrt, woraufhin auch d ie Transistoren 43₉ 48 und 39 sperren, so daß die Spannung an dem. Kondensator C wieder exponentiell ansteigt, bis die Basisspannung des Transistors 46 erreicht wird.

Damit befindet sich der monostabile Multivibrator 60 während des Zeitraums zwischen t- und t_ im quasi-stabilen Zustand und der Kollektor des Transistors 48 liegt in diesem Zeitraum bei einer Spannung, die niedriger ist als V_x.

Zum Zeitpunkt t~ steigt die Spannung am Kollektor des Transistors 48 infolge des Spannungsanstiegs am Kondensator C exponentiell an (Diagramm c in Fig. 2).

Die Vorstromquelle 70 enthält zwei Transistoren 54 und ^>3₃ deren Basisanschlüsse zusammengeschaltet und mit den Kollektoren der Transistoren 54 und ^G verbunden sind, während ihre

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Kollektoren jeweils über Widerstände 52 bzw. 53 mit der SpannungsVersorgungsklemme V verbunden sind. Der Transistor 56 liegt mit seiner Basis an der Vorspannungsquelle 57, während sein Emitter über den Widerstand 58 und die Emitterkollektorstrecke eines Transistors 59 an Erde liegt. Die Basis des Transistors 59 ist mit dem Kollektor des Transistors Zf8 des monostabilen Multivibrators 60 verbunden. Der Kollektor des Transistors 55 ist mit dem Widerstand 35 und dem invertierenden Eingang des Komparators Zl\ verbunden. . ... - -

Der Transistor 59 ist zum Zeitpunkt_ t- durch den negativen Basistreiberstrom vom Kollektor des Transistors 2f8 geöffnet ^: oder eingeschaltet und es wird ein wesentlicher Strom durch den Transistor 55 zum Widerstand 35 geleitet, so daß die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators Zh, scharf vorn Differenz-Ausgangswert V„ zu einem Wert ansteigt, der höher als die Maximalamplitude V der Sägezahnspannung liegt (Diagramm d in Fig. 2), so daß am Ausgang des Komparators 2Zf während des Zeitintervalls t.. bis t_ kein Im- / puls erzeugt wird (f der Fig. 2).

Am Zeitpunkt t₂ steigt die Basistreiberspannung am Transistor ■-'..

59 exponentiell an, so daß der dμrch den Transistor:55 über |

den Y/iderstand 35 gezogene Strom allmählich abnimmt bis zum j Zeitpunkt t^, an dem die Basistreiberspannung den Wert V-

2V_RE erreicht, wodurch die Schwellspannung des Transistors j

59 erreicht ist. Dadurch erscheint wieder am Ausgang des j

Komparators 24 eine Impulsfolge, \wobei die Impulslänge |

als Funktion der Zeit während des Zeitintervalls von t.-. bis i

t "zunimmt (f in Fig. 2), wobei dieser Zeitabstand viel ί

größer als der Impulsabstand der Sägezahnspannung ist (e). '

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Damit wird der Transistor 13 zunächst mit einer sehr geringen Einsehaltdauer oder einem sehr geringen Einschaltverhältnis betrieben, wenn die Wirkung des DC-Wandlers wieder einsetzt, so daß ein versagenssicherer Betrieb des Transistors 13 gewährleistet wird.

Falls in der Lastschaltung 19 immer noch die Kurzschlußbedingung vorhanden ist, steigt die am Widerstand 14 abfallende Spannung wieder an und der beschriebene Vorgang wiederholt sich. Falls der Kurzschlußzustand beendet ist, arbeitet der Wandler mit seiner Sicherheitsbeschaltung wieder in der normalen Betriebsart.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche:

1. DC-Wandler ..mit einem Transformator mit primärer, sekundärer Sund tertiärer Wicklung, mit einem Schalttransistor, dessen Kollektor-Emitterstrecke in Reihe mit der Primärwicklung an einer Gleichspannungsquelle liegt, um einen pulsierenden Strom in der Primärwicklung zu erzeugen, mit einem gegengekoppslten Steuerkreis, der einen Impulsgenerator für Impulse veränderbarer Breite enthält zum Erzeugen von Basistreiberirapulsen für den Transistor, wobei die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung in eine Gleichspannung zur Beaufschlagung einer Lastschaltung gewandelt wird und die in der tertiären Wicklung induzierte Spannung in eine Gleichspannung gewandelt und dem Impulsgenerator zur Steuerung der Impulsdauer der Basistreiberimpulse in reziproker Abhängigkeit von der durch die tertiäre V/icklung erzeugten Gleichspannung zugeleitet wird, und mit einer Schutzschaltung zur Sperrung der Gegenkoppelsteuerschaltung, wenn die in der Primärwicklung vorhandene elektrische Energie einen vorbestimmten

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MANfTZ FINSTERWALD HEYN · MORGAN · 8000 MÖNCHEN 22 ROBERT-KOCH-STRASSE1 TEL. (089) 224211 · TELEX 05-29672 PATMF

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Wert überschreitet, um den Transistor bei auftretendem Kurzschlußzustand in der Lastschaltung zu schützen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schutzschaltung ein monostabiler Multivibrator (60) vorgesehen ist, der auf das Überschreiten des vorbestimmten Wertes durch den elektrischen Energiewert hin von einem stabilen Zustand für eine vorbestimmte Zeitlänge in einen quasistabilen Zustand schaltet, um die Erzeugung der Basistreiberimpulse während des quasi-stabilen Zustandes zu sperren und daß eine Einrichtung (R, C, 70) vorgesehen ist, um allmählich die Länge der Basistreiberimpulse von Null in Abhängigkeit von der Beendigung des quasi-stabilen Zustands des monostabilen Multivibrators auf einen Zeitraum zu steigern, der langer als der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Basistreiberimpulsen ist.

2. DC-V/andler nach Anspruch 1 , in dem der Impulsgenerator einen Differentialverstärker zur Erzeugung eines die Abweichung der von der tertiären Wicklung abgeleiteten Gleichspannung von einem Referenzivert repräsentierenden Signals sowie einen Sägezahngenerator und einen Komparator zur Erzeugung eines Impulses umfaßt, wenn der Augenblickswert der Sägezahnspannung größer als das Abweichungssignal ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (35) in der Schaltung zwischen dem Ausgang des Differentialverstärkers (23) und einem Eingang des Komparators (2^.) geschaltet ist und daß die Einrichtung zur Erhöhung der Impulslänge eine von dem quasi-stabilen Zustand des monostabilen Multivibrators (60) abhängige Vorstromquelle (52-59) umfaßt, um einen Strom durch den Widerstand (35) zur Erzeugung einer Spannung, die die Maximalamplitude der Sägezahnspannung übertrifft, zu erzeugen, und daß die an dem Widerstand (35) abfallende Spannung schrittweise unmittelbar nach der Beendigung des quasi-stabilen Zustandes durch den Zeitkonstanten— ■wert einer IViderstands-Kondensatorschaltung (R, C) vermindert wird.

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3. DC-V/andler nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Zeitkonstantenwert der Entladungszeitkonstantenwert der V/iderstands-Kondensatorschaltung des monostabilen Multivibrators (60) ist.

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