DE3122835C2

DE3122835C2 - Schaltungsanordnung zur Einschaltstrombegrenzung

Info

Publication number: DE3122835C2
Application number: DE19813122835
Authority: DE
Inventors: Detlev Ing.(grad.) 8033 Martinsried Kupka; Alfred Ing.(grad.) 800 München Oberhuber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-06-09
Filing date: 1981-06-09
Publication date: 1987-03-26
Also published as: DE3122835A1

Abstract

Mit der Schaltungsanordnung zur Einschaltstrombegrenzung, die einen Strombegrenzungswiderstand beim Einschalten verwendet, soll vermieden werden, daß beim Kurzschließen des Strombegrenzungswiderstandes ein größerer Stromstoß entsteht als beim Einschalten. Die Überbrückung des Strombegrenzungswiderstandes wird mittels eines Null-Spannungs-Schalters nach einer definierten Zeitverzögerung eingeleitet und erst dann durchgeführt, wenn der Augenblickswert der sinusförmigen Netzspannung den Wert der Gegenspannung, z.B. Kondensatorspannung erreicht hat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Einschaltstrombegrenzung für Stromversorgungsgeräte mit oder ohne Netztransformator, bei der eine Ladekondensatorschaltung mit einem Verbraucher über einen Vorwiderstand an ein Wechselstromnetz angeschlossen sind, wobei der Vorwiderstand durch einen elektronischen Schalter nach dem Einschaltzeitpunkt zeitverzögert kurzgeschlossen wird, sobald die Spannung am Ladekondensator einen vorgegebenen Wert erreicht hat (GB-PS 15 89 663).
Es ist bereits bekannt, den Einschaltstromstoß von Transformatoren durch einen vorgeschalteten Dämpfungswiderstand zu verringern, der nach einer bestimmten Verzögerungszeit mittels zwei antiparallel zum Dämpfungswiderstand angeordneter Thyristoren überbrückt wird (DE-PS 11 92 315). Der maximale Einschaltstrom ist dabei &wedgeq; = û R.
Aus der GB-PS 15 89 663 ist es auch bekannt, einen dem Strombegrenzungswiderstand in einem Stromversorgungsgerät parallel liegenden Thyristor in Abhängigkeit vom Ladungszustand des nachgeschalteten Ladekondensators in den leitenden Zustand zu steuern und den Strombegrenzungswiderstand nach der Einchaltung des Stromversorgungsgerätes verzögert kurzzuschließen.
Eine Schaltung zur Begrenzung des Einschaltstromes von Gleichspannungseinrichtungen, bei der die Stromspitze, die bei Überbrücken des Strombegrenzungswiderstandes entsteht, durch entsprechende Dimensionierung der Schaltung nicht größer als die durch den Strombegrenzungswiderstand bestimmte Stromspitze wird, ist aus der DE-OS 22 47 816 bekannt.
Um auch bei kurzzeitigem Netzausfall von z. B. einer halben Periode der Netzspannung den Einschaltstromstoß bei Netzwiederkehr zu begrenzen, ist es bekannt, die Abschaltung einer Thyristor-Parallelschaltung zur Überbrückung des Vorwiderstandes bei Ausfall des Netzes zu gewährleisten und die Wiedereinschaltung der Thyristoren nach wählbarer Zeit vorzunehmen (DE-AS 23 48 524).
Eine andere bekannte Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung bei Stromversorgungsgeräten mit Ladekondensatorschaltung besteht darin, den Laststrom ohne Vorwiderstand direkt über einen Thyristor in der Nähe des Spannungsnulldurchganges einzuschalten (DE-PS 27 08 673). Der maximale Einschaltstrom ist dabei &wedgeq; _e = u · ω · C.
Strombegrenzerschaltungen, die mit einem überbrückbaren Vorwiderstand arbeiten, haben jedoch den Nachteil, daß der zweite Einschaltstromstoß, der durch Kurzschließen des Vorwiderstandes entsteht, sehr viel größer als der erste Einschaltstromstoß werden kann, wenn die Überbrückung zu einem ungünstigen Zeitpunkt erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß der Scheitelwert des zweiten Einschaltstromes auf einen definierten optimalen Wert einstellbar ist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Schaltzustand des elektronischen Schalters von zwei Steuertransistoren bestimmt wird, von denen der erste Steuertransistor mittels einer an der ungeglätteten Spannung am Vorwiderstand liegenden Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und zwei Widerständen die Zündung des elektronischen Schalters bewirkt, wenn ein zweiter Steuertransistor nach einer durch ein an der Spannung des Ladekondensators liegendes RC-Glied bestimmten Verzögerungszeit gesperrt wird und der Augenblickswert der Spannung am Vorwiderstand die Zenerspannung an der Zenerdiode unterschreitet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann dabei die Größe des Vorwiderstandes und die Zeitverzögerung bis zur Überbrückung des Vorwiderstandes so an den Verbraucherwiderstand und Ladekondensator angepaßt werden, daß der erste und der zweite Einschaltstromstoß gleich groß sind. Diese Ströme sind bei einer vorgegebenen Schaltung das Minimum und kleiner als &wedgeq; _e = û · ω · C.
Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Schaltungsprinzip der Anwendung eines verzögerten Null-Spannungs-Schalters bei einer Ladekondensatorschaltung,
Fig. 2 das Prinzip der Anwendung eines verzögerten Null-Spannungs-Schalters in einem Netzgerät mit einem Transformator und Ladekondensatorschaltung,
Fig. 3 den gleichgerichteten Spannungs- und Stromverlauf am Eingang einer Stromversorgungsschaltung bei Anwendung des verzögerten Null-Spannungs-Schalters,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung gemäß der Erfindung.
In der Ladekondensatorschaltung nach Fig. 1 ist ein verzögerter Null-Spannungs-Schalter VNS zwischen einer am Wechselstromnetz liegenden Gleichrichterschaltung Gl und einem Ladekondensator C mit einem parallel geschalteten Lastwiderstand R _L (Verbraucher) angeordnet. Parallel zu den Eingangsklemmen des verzögerten Null-Spannungs-Schalters VNS ist ein Vorwiderstand für den Einschaltstrom vorgesehen.
Der Einschaltstrom i _e dieser Ladekondensatorschaltung mit dem Innenwiderstand R _S ist ein Maximum, wenn diese Schaltung im Spannungsmaximum eingeschaltet wird. &wedgeq; _e = û/R _S. Wird der Einschaltstrom &wedgeq; _e durch einen Vorwiderstand R _V begrenzt, der nach einer gewissen Zeit kurzgeschlossen wird, kann der dann auftretende zweite Einschaltstromstoß &wedgeq; _e&min;&min; > &wedgeq; _e&min; größer sein als der erste, da dieser von der Phasenlage der Versorgungsspannung zum Zeitpunkt des Kurzschließens des Vorwiderstandes R _V abhängt.
Der zweite Einschaltstromstoß einer solchen Schaltung kann ein Minimum werden, wenn die Überbrückung des Vorwiderstandes R _V durch einen Null-Spannungs-Schalter erfolgt, sobald die Netzspannung den Wert der Ladekondensatorspannung erreicht hat.
Eine optimale an die Schaltung angepaßte Einschaltstrombegrenzung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der erste Einschaltstrom &wedgeq; _e&min; durch einen Vorwiderstand R _V begrenzt wird, der verzögert durch den parallel geschalteten Null-Spannungs-Schalter VNS kurzgeschlossen wird. Da die Phasenlage zum Zeitpunkt des Kurzschlusses genau definiert ist, kann durch geeignete Wahl des Vorwiderstandes R _Verreicht werden, daß der erste und zweite Einschaltstrom gleich groß werden. Diese Ströme sind bei einer Schaltung mit vorgegebenen Werten der Kapazität C des Innenwiderstandes R _S und des Lastwiderstandes R _Ldas Minimum des erreichbaren und kleiner als der Strom &wedgeq; _e = û · ω · C.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann der Null-Spannungs- Schalter VNS auf der Wechselstromseite im Primärkreis des Eingangstransformators Tr eines Netzgerätes angeordnet werden. Der Null-Spannungs-Schalter VNS ist dann über eine Gleichrichterschaltung Gl 1 dem Vorwiderstand R _V parallel geschaltet.
Die Fig. 3 zeigt den gleichgerichteten Spannungs- und Stromverlauf beim Einschalten einer Schaltung nach Fig. 1 oder 2 unter Verwendung eines verzögerten Null-Spannungs-Schalters VNS. Dem Stromverlauf ist zu entnehmen, daß der Wert des maximal auftretenden Stromes beim Einschalten und beim Kurzschließen des Vorwiderstandes R _V gleich groß ist.
In Fig. 4 ist ein verzögerter Null-Spannungs-Schalter VNS im einzelnen dargestellt. Die vorliegende Schaltung ist ohne vorgeschaltete Gleichrichterschaltung nur für eine gleichgerichtete Wechselspannung verwendbar. Dem Lastkreis mit den Klemmen 1 und 2 liegt parallel der Vorwiderstand R _V zur Begrenzung des Einschaltstromes und die Schaltstrecke eines Thyrisors Thy. Ist nach dem Anlegen der Netzspannung die gleichgerichtete Wechselspannung am Thyristor Thy größer als die Spannung U _Z einer Zenerdiode ZD 1, die über die Widerstände R 1 und R 2 an der Thyristorspannung liegt, so ist ein Transistor Ts 1, dessen Basis am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R 1 und R 2 liegt, und dessen Emitter-Kollektorstrecke über einen Widerstand R 3 ebenfalls an der Thyristorspannung liegt, leitend. In diesem Zustand schließt die Kollektor-Emitterstrecke die Steuerstrecke eines mit dem Thyristor Thy in Verbund geschalteten Hilfsthyristors Th 1 kurz. Thyristor Thy und Hilfsthyristor Th 1 können bis zum Ende der Halbperiode der Wechselspannung nicht einschalten.
Sobald die Spannung am Thyristor Thy kleiner wird als die Zenerspannung U _Z an der Zenerdiode ZD 1 , sperrt der Transistor Ts 1. Über den Widerstand R 3 wird der Hilfsthyristor Thy 1 angesteuert und der Thyristor Thy durchgeschaltet.
Die beschriebene Schaltfunktion des Null-Spannungs- Schalters VNS wird durch einen Steuerbefehl eingeleitet. Diese Aufgabe übernimmt ein Optokoppler OK in Verbindung mit zwei Schalttransistoren Ts 2 und Ts 3. Solange über die Leuchtdiode 2 und 3 des Optokopplers OK kein Steuerstrom fließt, ist der Schalttransistor Ts 1, dessen Kollektor-Emitterstrecke der Kollektor- Emitterstrecke des Transistors Ts 2 parallel geschaltet ist, leitend gesteuert. Er schließt daher die Steuerstrecke des Hilfstransistors Thy 1 kurz und verhindert das Einschalten des Thyristors Thy, obwohl die Einschaltbedingungen OV < U < U _Z für den Null-Spannungs- Schalter VNS gegeben wäre. Fließt nach dem Einschalten des Stromversorgungsgerätes ein Steuerstrom im Optokoppler OK, dann werden die Transistoren Ts 3 und Ts 2 gesperrt und der Thyristor Thy kann den Vorwiderstand R _V kurzschließen, wenn bei der nächsten Spannungshalbwelle die Einschaltbedingung OV < U < U _Z erreicht wird. Die Verzögerung des Steuerstromes kann wie folgt erreicht werden:
Eine entsprechende vom Lastkreis des Null-Spannungs- Schalters durch den Optokoppler OK galvanisch getrennte Schaltungsanordnung besteht aus einem Zeitglied R 4, C 1, einer Zenerdiode ZD 2, einem Komparator K 1 und einem Transistor Ts 4, die z. B. an die Verbraucherspannung angeschaltet ist. Erst wenn die Zeitkonstante τ = R 4 · C 1 der Kondensator C 1 auf die Referenzspannung der Zenerdiode ZD 2 aufgeladen ist, kippt der Ausgang des Komparators K 1 nach Minus und schaltet den Transistor Ts 4 ein, über den der Steuerstrom in den Optokoppler OK fließt.
Sinkt die Verbraucherspannung (z. B. bei Netzausfall) schnell ab, kippt der Ausgang eines zweiten Komparators K 2, der die Spannung am Verbraucher RL überwacht, nach Minus, da am NI-Eingang das Absinken über einen Spannungsteiler R 7, R 8 erscheint, während der Pegel am Inv.-Eingang durch einen Kondensator C 2 in Verbindung mit einem weiteren Spannungsteiler R 5, R 6 festgehalten wird. Vom Ausgang des Komparators K 2 werden Schalttransistoren Ts 5 und Ts 6 leitend gesteuert. Über die Kollektor-Emitterstrecke Ts 6 entlädt sich der Kondensator C 1 des Zeitgliedes sehr schnell. Der Null-Spannungs-Schalter wird gesperrt, da der Komparatorausgang von K 1 positiv wird, der Transistor Ts 4 sperrt und somit kein Steuerstrom durch den Optokoppler OK fließen kann.
Der Gesamt-Einschaltvorgang verläuft in folgenden Schritten. Bei Anlegen der Netzspannung fließt zunächst durch den Vorwiderstand R _V begrenzt ein Einschaltstrom, dessen Scheitelwert maximal &wedgeq; _e = U _eff · √ &wedgeq;/R _V beträgt. Dieser Strom lädt den Ladekondensator C auf, und die Spannung am Thyristor Thy wird um diese Gegenspannung kleiner. Nachdem der Ladevorgang mit dem Vorwiderstand R _V beendet ist, kann der Null-Spannungs-Schalter VNS den Vorwiderstand R _V verzögert überbrücken. Der Kondensator wird danach auf seinen Endwert aufgeladen, sobald die Differenz zwischen Netzwechselspannung und Ladekondensatorspannung "Null" ist. Der dabei auftretende zweite Stromstoß &wedgeq; _e&min;&min; ist bei geeigneter Dimensionierung des Vorwiderstandes R _V kleiner bzw. gleich dem ersten Einschaltstromstoß &wedgeq; _e&min;.
Bei Betrieb des Null-Spannungs-Schalters VNS im Wechselstromkreis gemäß der Schaltung nach Fig. 2 kann dem Null-Spannungs-Schalter VNS eine Gleichrichterschaltung vorgeschaltet oder ein zweiter Null-Spannungs-Schalter in Antiparallelschaltung verwendet werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Einschaltstrombegrenzung für Stromversorgungsgeräte mit oder ohne Netztransformator, bei der eine Ladekondensatorschaltung mit einem Verbraucher über einen Vorwiderstand an ein Wechselstromnetz angeschlossen sind, wobei der Vorwiderstand durch einen elektronischen Schalter nach dem Einschaltzeitpunkt zeitverzögert kurzgeschlossen wird, sobald die Spannung am Ladekondensator einen vorgegebenen Wert erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltzustand des elektronischen Schalters (Thy) von zwei Steuertransistoren (Ts 1, Ts 2) bestimmt wird, von denen der erste Steuertransistor (Ts 1) mittels einer an der ungeglätteten Spannung am Vorwiderstand (R _V) liegenden Reihenschaltung aus einer Zenerdiode (ZD 1) und zwei Widerständen (R 1, R 2) die Zündung des elektronischen Schalters (Thy) bewirkt, wenn ein zweiter Steuertransistor (Ts 2) nach einer durch ein an der Spannung des Ladekondensators (C) liegendes RC-Glied (R 4, C 1) bestimmten Verzögerungszeit gesperrt wird und der Augenblickswert der Spannung am Vorwiderstand die Zenerspannung an der Zenerdiode (ZD 1) unterschreitet.

2. Schaltungsanordnung zur Einschaltstrombegrenzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Vorwiderstandes (R _V) und die Zeitverzögerung bis zur Überbrückung des Vorwiderstandes (R _V) so gewählt sind, daß der erste und der zweite Einschaltstromstoß gleich groß sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung mittels eines aus einem RC-Glied (R 4, C 1) bestehenden Zeitgliedes in Verbindung mit einem Referenzspannungsglied (ZD 2) und einer an der Ladekondensatorspannung betriebenen Vergleichsschaltung (Komparator K 1) erzielt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei kurzzeitigem Netzausfall und damit verbundenem Absinken der Ladekondensatorspannung der elektronische Schalter sofort ausschaltet, und daß bei Netzrückkehr der folgende Einschaltstrom durch den Vorwiderstand (R _V) begrenzt wird.