DE3123804A1

DE3123804A1 - Ueberlastungsschutzschaltung fuer stromversorgungsgeraete

Info

Publication number: DE3123804A1
Application number: DE19813123804
Authority: DE
Inventors: Merle Wilmont Kingston N.H. Faxon
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1981-06-16
Publication date: 1982-04-22
Also published as: IT8148547A0; JPS5743212A; NO163719C; DE3123804C2; SE8103938L; IT1142779B; NO163719B; GB2079082B; JPH0254027B2; NO812161L; SE457921B; FR2485825A1; DK283581A; FR2485825B1; US4318168A; GB2079082A

Description

Raytheon Company, l4i Spring Street, Lexington, MA 02173» Vereinigte Staaten von Amerika

Überlastungsschutzschaltung für Stromversorgungsgeräte

Die Erfindung betrifft eine überlastungsschutzschaltung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Merkmalen.

Derartige Schut.zschaltungen sollen eine Überbeanspruchung oder überlastung der Ausgangstransistoren in nach dem Leistungsrücklauf- oder Schalterprinzip arbeitenden Gleichspannungs-Stromversorgungsgeräten verhindern und sie vor übermäßiger innerer Verlustleistung und den daraus resultierenden Beschädigungen auf Grund von überbeanspruchungen während der Überlastung schützen.

Mögliche Überlastungen der Leistungs- oder Ausgangstransistoren in nach dem Schalterprinzip arbeitenden Stromversorgungen bedingen automatische Schutzschaltungen, die sehr schnell reagieren müssen, wenn die Ausgangstransistoren und die betreffende Beschaltung gegen Schaden durch überbeanspruchung und andere übermäßige Stromeffekte-wirksam geschützt werden sollen. Die Verwendung von Sensorschaltungen zur Begrenzung der Beanspruchung der Leistungstransistoren bei Überlastung der Stromversorgung stößt auf Schwierigkeiten, weil der Laststromkreis mit dem der Treiberstufe der Ausgangstransistoren zugeführten Strom nicht in Phase ist. Ein mit dem Ausgang der Leistungstransistoren gekuppelter Sensorkreis liefert erst dann ein Sensorsignal, wenn der Ausgangsstrom der Transistoren solche Werte erreicht, die bereits Schaden verursachen können.

Ein weiterer Nachteil der. herkömmlichen Sensorschaltungen besteht darin, daß die geschalteten Leistungstransistoren üblicherweise einen übermäßig hohen Strom ziehen, bevor auf Grund übermäßiger Belastung eine Verringerung oder Ausschaltung des Treibersignals stattfindet, so daß sowohl eine Unterbrechung der Ausgangsleistung als auch eine Beschädigung der Leistungstransistoren auftreten können, bevor die mit dem Ausgang ge- •kuppelte Sensorschaltung die Stromzunahme beenden kann. Wenn die Belastung des Stromversorgungsgerätes z.B. zu stark wird, ziehen die Leistungstransistoren einen großen Stpom und die Abtastung dieses Stromes durch die mit dem Ausgangskreis verbundene Sensorschaltung erfolgt zu spät um Beschädigungen auf Grund von Überlastung zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, mittels derer nach dem Schalterprinzip arbeitende geregelte Stromversorgungsgeräte mit Transistoren bei überlastung wirksam gegen Beschädigungen insbesondere Beschädigungen der Leistungstransistoren geschützt werden können, wobei die den Schutzschaltungen gemäß dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile und Beschränkungen vermieden werden sollen. Die Überlastungsschutzschaltung gemäß der Erfindung dient insbesondere dem Schutz der Leistungstransistoren und der mit ihnen verbundenen Komponenten in Gleichspannungs-Stromversorgungsgeräten gegen übermäßige Beanspruchung oder innere Verlustleistung infolge einer während des Betriebes auftretenden Stromüberlastung.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine überlastungsschutzschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Auf sie wird an dieser Stelle zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen.

Gemäß der Erfindung erfolgt der Schutz des Stromversorgungs-

gerätes bzw. der Ausgangstransistoren bei einer überlastung, wie sie beispielsweise beim Einschalten auftritt, durch eine Strombegrenzungsschaltung unter Verwendung einer Klemmschal- %l\ ■ ^: * tung, insbesondere einer Baker-Klemmschaltung, die denAusgangslastkreis der Hauptschalterelemente, vorzugsweise über Dioden zu ihrem Eingangskreis zurückkoppelt. Dabei sind Sensorschaltmittel vorgesehen, die jede. Vergrößerung der für die .•Leistungstransistoren bestimmten Treiberspannung feststellen, wenn eine Stromüberlastung der Leistungstransistoren dazu führt, daß sie aus ihrem normalen Betriebszustand, der dem Sättigungszustand entspricht, herausgeführt werden. Die Dioden der Klemmschaltung werden nichtleitend und üben ihre Klemmwirkung nicht mehr aus, wenn sich auf Grund einer Stromüberlastung eine zu hohe Kollektorspannung aufbaut. Dies führt dazu, daß die Impulsbreite und die Amplitude der den Leistungstransistoren zugeführten Treiberspannungsimpulse rasch anwachsen. Dieses Anwachsen der an der Basis der Transistoren anliegenden Treiberspannung und die wachsende Belastung der Transistoren infolge ihres Ausbruchs aus dem Sättigungsbereich wird mit Hilfe einer Sensorschaltung überwacht, die in Verbindung mit einer herkömmlichen Steuerschaltung die Treiberleistung am Eingang der Leistungstransistoren reduziert. Dadurch wird die Impulsbreite der von der Quelle der Treiberimpulse gelieferten Signale auf einer Reihe schmaler Impulse reduziert, so daß die Einschaltzeit der Leistungstransistoren und die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes entsprechend verringert werden. Die Sensorschaltung fühlt das durch die Klemmschaltung festgehaltene Eingangssignal ab und stellt fest, wann den im Schalterbetrieb arbeitenden Leistungstransistoren eine überbeanspruchung droht. Sie schützt gegen diese überbeanspruchung, indem die Impulsbreite der Treiberimpulse verringert wird.Dabei ist eine unterbrechungsfreie Speisung der angeschlossenen Verbraucher durch das Stromversorgungsgerät sichergestellt.

Die Schaltung gemäß der Erfindung be.dient sich der "Antisättigungscharakteristik" einer mit den Leistungstransistoren verbundenen Baker-Klemmschaltung und ermittelt den Anstieg

der durch diese Klemmschaltung festgehaltenen Treiberspannung. Dieser Spannungsanstieg bildet das Kennzeichen dafür, daß den Ausgangstransistoren eine überbeanspruchung droht und bildet ein "Gegenkopplungssignal", mittels dessen die . Treiberleistung, reduziert wird, bevor die Transistoren beschädigt werden.

..•Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gleichspannungs-Stromversorgung mit einer überlastungsschutzschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine vollständige Schaltung eines Ausführungsbeispieles entsprechend Fig. 1 mit weiteren Einzelheiten.

In Fig. 1 ist eine Sensorschaltung 10 zur Feststellung einer Überbeanspruchung dargestellt. Eine positive Eingangsklemme 12 und eine negative Eingangsklemme 14 sind mit einer als Batterie dargestellten Gleichspannungsquelle verbunden. Die Schaltung TO besitzt eine negative Ausgangsklemme 16 sowie eine positive Ausgangsklemme 18, an welche eine durch einen Widerstand 20 repräsentierte Last angeschlossen ist. Die negative Eingangsklemme 14 ist von der negativen Ausgangsklemme 16 galvanisch getrennt. Die positive Eingangsklemme 12 ist mit einem Anschluß der Primärwicklung 21 eines Ausgangstransformators 22 verbunden. Die parallelgeschalteten Kollektoren zweier NPN-Ausgangs- oder Leistungstransistoren 24 und 26 sind mit dem anderen Anschluß der Primärwicklung 21 verbunden. Die parällelgeschalteten Emitter der genannten Leistungstransistoren stehen über die negative Eingangsklemme 14 mit der Spannungsquelle 11 in Verbindung. Der Transformator 22 besitzt eine Sekundärwicklung 31, die mit einer Diode 34 und einem Kondensator 35 zusammengeschaltet ist und an die Ausgangsklemmen 16 und 18 einen gleichgerichteten Strom liefert. Der Kondensator 35 ist so bemessen, daß die Welligkeit der Ausgangsspannung einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Mit dem Eingang der Leistungstransistoren 26 und 24

ist ein Treibertransistor 40 verbunden,dessen Kollektor über eine Leitung 37 mit einer Anzapfung der, Primärwioklung 21 des Transformators 22 und dessen Emitter mit den Basiselektroden 30 bzw- 32 der Leistüngstransistoren 26 und Zk verbunden sind. Die Treiberspannung des Transistors 40 wird den Basiselektroden der beiden Leistungstransistoren über Sensorwiderstände zugeführt, die einen sehr niedrigen Widerstand .von beispielsweise 0,2 Ohm besitzen und die eine Messung der an dem Basis-Emitter-Strecken der -Leistungstransistoren wirksamen Treiberspannung erlauben. Durch die im folgenden beschriebene Schaltungsanordnung läßt sich die Beanspruchung der Leistungstransistoren bei Überlastung ermitteln und die Beanspruchung auf einen vorgegebenen Grenzwert einstellen, bevor sie zu einer Beschädigung führen kann. Die Basis des Treibertransistors 40 ist mit einer als integrierte Schaltung ausgebildeten herkömmlichen Steuerung 44 verbunden, welche rechteckförmige Triggerimpulse, erzeugt. Durch diese Treiberspannungsimpulse werden die Leistungstransistoren 24 und 26 periodisch in ihren leitenden Zustand gesteuert.Der Ausgang der Steuerung 44 ist über eine Schutzdiode 46 und einen Strombegrenzungswiderstand 47 mit der Basis des Treibertransistors 40 verbunden. Der Strombegrenzungswiderstand-47 bildet zusammen mit Widerständen 48 und 49 einen Vorspannkreis für die Treiberimpulse, die von dem Transistor 40 der Basis der beiden Leistungstransistoren zugeführt werden. Zur Bestimmung des Mittelwertes der Treiberspannung dient ein Schaltkreis, der aus einer Diode 50, einer mit dieser in Reihe geschalteten Induktivität 51 und einer damit in Reihe geschalteten Kapazität 53 besteht. Die Induktivität hat einen Wert von beispielsweise 100 mH und ist mit einem Ferritkern realisiert. Parallel zu der von einem Kondensator realisierten Kapazität 53 befindet sich ein Potentiometer 52, welches zur Belastungseinstellung dient. Der an dem Kondensator 53 bei Überlastung auftretende Spannungsmittelwert wird abgetastet. Diese Spannung ist normalerweise ein Maß für die Belastung der Transistoren, welche zu einer Beschädigung der Leistungstransistoren führen würde, wenn keine Kompensation stattfindet. Der unerwünscht hohe Strom

läßt sich im Ausgangskreis der Stromversorgungsschaltung nur unter Schwierigkeiten bestimmen, da der Laststrom mit dem Treiberstrom nicht in Phase liegt. D.h., daß ein infolge von überlastung verringertes Ausgangssignal die Transistoren über die übliche Rückkopplungsschleife zu noch höherem Strom führen würde. Durch die Verwendung zweier in Reihe geschalteter. Dioden, welche die Kollektoren der Leistungsstransistoren 24 .•und 26 mit der Basis der Treiberstufe verbinden, wird die Treiberausgangsspannung auf einen vorbestimmten Durchschnittswert begrenzt. Diese Schaltung ist die sogenannte Baker-Klemmschaltung. Durch Einstellung des Abtastpegels des Treiberspannungsmittelwertes ist feststellbar, wann der Sättigungszustand endet und die Impulsbreite der von der Steuerung 44 gelieferten Treiberimpulse mit Hilfe einer herkömmlichen (nicht dargestellten) Schaltung in der Steuerung 44'verringert wird. Dies geschieht bevor in den Leistungstransistoren eine Verlustleistung entsteht, die Beschädigungsgefahr mit sich bringt.

Wenn die Stromversorgungseinrichtung während desBetriebes überlastet wird, verlassen die Leistungstransistoren 24 und 26 den Sättigungszustand, in welchem sie sich normalerweise befinden und der. den am meisten effizienten Betriebszustand darstellt. Das Verlassen des Sättigungszustandes löst die Klemmdioden 60 und 62 aus und hat zur Folge, daß sie durch das Ansteigen der Kollektorspannung der Leistungstransistoren 24 und 26 in ihren nichtleitenden Zustand gelangen. Der Strom durch die Leitung 59 fließt nun nur noch zur Basis des Transistors 40 und bewirkt, daß der Durchschnittswert der Basis-Treiberquellenspannung an dem Schaltungspunkt 54 rasch ansteigt. Die Anstiegsspitze wird mit Hilfe der Induktivität 51 und des Kondensators 53 gemittelt. Sobald'dies geschieht, liefert die Schaltung eine Sens'orrückkopplungsspannung über die Leitung 61. Diese entspricht dem an dem Kondensator 53 aufgebauten Spannungsmittelwert. Durch ihn wird die Steuerung 44 in der Weise beeinflußt, daß die spezifischen Ausgangsimpulse auf der Leitung 59 enden. Die Impulsbreite der folgenden Treiberspannungsimpulse, die

über die Leitung 59 zur Basis des Treibertransistors 40 gelangen, werden durch die Steuerung 44 so eingestellt, .daß sie eine durch die Sensorspannung auf der Leitung 61 bestimmte schmale Impulsbreite besitzen. Diese schmalen Impulse schützen die Leistungstransistoren 24 und 26 bis zum Ende, der überlastung, indem sie die Einschaltzeit und damit die in die Wicklungen des Transformators 22 fließende Energie und somit • die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes reduzieren. Die Schaltung ermittelt auf diese neuartige Weise über die Leitung 61, wann sich eine übermäßige Belastung für die Leistungstransistoren aufzubauen beginnt und schützt sie dagegen durch Verringerung der Ausgangsspannung der Stromversorgungseinrichtung ohne daß die Ausgangsleistung unterbrochen wird, wie es üblicherweise bei anderen Stromversorgungseinrichtungen geschieht. Wenn der Leistungsschalter 63 eine Eingangsgleichspannung von beispielsweise 10 V an den Eingang der Steuerung 44 anlegt, werden der Basis des Transistors 40 während der überlastung schmale Treiberimpulse zugeführt.Die Steuerung 44 kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Halbleiterchip sein, beispielsweise der SG 3524 Transistorchip der Firma Silikon General Company, welche eine Sensor-Eingangsklemme besitzt, über die die Impulsbreite verringerbar ist und die mit dem Potentiometer zur Belastungseinstellung verbunden ist. Die Steuerung 44 enthält ferner eine Vergleicherschaltung, mit deren Hilfe die am Eingang des Rückkopplungskreises 56 liegende Spannung mit einer Referenzspannung verglichen wird, so daß an getrennten Ausgangsklemmen entsprechende Steuersignale auftreten. Das Potentiometer 52 ist normalerweise so eingestellt, daß sich eine Impulsbreite ergibt, welche der gewünschten maximalen Eingangsleistung entspricht. Bei normalem Betrieb findet eine Spannungsregelung der gesamten Stromversorgungseinrichtung durch Rückkopplung von der Sensorwicklung 57 des Transformators 22 über die Diode 58 und die Rückkopplungsleitung 56 zu der Steuerung 44 in der Weise statt, daß. letztere an die Leitung 59 geeignete Gleichspannungs-Treiberimpulse liefert. Diese Treiberspannung wird der Basis des Treibertransistors 40 und den leitenden Baker-

Klemmdioden 60 und 62 zugeführt, nachdem in der Steuerung 44 in Verbindung mit dem Sensorkreis 56 ein Vergleich mit. den erwähnten Referenzspannungen stattgefunden hat. Während einer überlastung regelt die Steuerung 44 die Impulsbreite in Abhängigkeit von der Spannung auf der Sensorleitung 61 _f welche die Steuerung übernimmt, bis die Überlastung beendet ist, Nach diesem Zeitpunkt übernimmt die herkömmliche äußere Regelschleife, •die sich über die gesamte Stromversorgungseinrichtung erstreckt und die Leitung 56 beinhaltet, die Regelung der Impulsbreite für die von der Steuerung 44 an die Leitung 58 gelieferten Treiberimpulse nach der üblichen Rückkopplüngsprinzipien.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Überlastungsschutzschaltung dargestellt, die im wesentlichen die gleichen Punktionen aufweist wie die Schaltung gemäß Fig. 1. Eine zusätzliche Funktion besteht darin, daß die dualen Ausgänge von getrennten parallelen Stufen von in Baker-Klemmschaltung betriebenen Leistungstransistoren kombiniert werden, indem die sekundären Wicklungen und Sensorwicklungen eines Ausgangstransformators mit den betreffenden Wicklungen des anderen Ausgangstransformators verbunden werden. Die eigentlichen Überlastungssensorschaltungen arbeiten im wesentlichen in der gleichen Weise wie die in Dig. 1 dargestellte Sensorschaltung. Die entsprechenden in Fig. 2 dargestellten Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig.· 1. Die Sekundärwicklung 31 und die Sensorwicklung 57 des Ausgangstransformators 22 sind mit einer Sekundärwicklung 32 bzw. einer Sensorwicklung 70 eines zweiten Ausgangstransformators 33 parallel geschaltet, wobei die Gleichrichter 34 und 58, denen Gleichrichter 36 und 71 des zweiten Ausgangstransformators 33 entsprechen, zugleich als Entkopplungselemente dienen. Der Glättungskondensator 35 ist beiden Sekundärwicklungen 31 und 32 gemeinsam, über die Klemmen 16 und wird.ein Verbraucher R, gespeist, der wieder als Widerstand 20 dargestellt ist. Der negative Pol 16 ist wieder mit .Erd- J potential verbunden. In ähnlicher Weise ist die Sensorwick- t lung 57 des Transformators 22 über die Diode 58, einen Glät- ;

tungskondensator 66 und eine Glättungsdrossel 64 mit den Sensorausgangskleramen 65 und 67 verbunden. Die Sensorwicklung 70 des Transformators 33 ist über die Diode 71 zur Sensorwicklung 57 parallel geschaltet und ebenfalls mit dem den Kondensator 66 und die Drossel 64 beinhaltenden Glättungsglied verbunden, so daß an den Sensorausgangsklemmen 65 und 67 ein kombinierter Sensorkreis für das Ausgangssignal gebildet ist, der eine kom-. 'binierte Ausgangs-Sensorspannung der beiden Sensorwicklungen 57 und 70 an die Rückkopplungsleitung 56 liefert. Die ausgangsseitige Parallelanordnung der beiden Transformatoren 22 und 33 erlaubt einen unabhängigen Betrieb jeder Stufe des Stromv.ersorgungsgerätes, wobei der Verbraucher R_T mit der kombinierten Leistung beider Stufen gespeist wird.

Die als Regelgröße dienende Sensorspannung auf der Leitung 56 wird über einen Spannungsteilerwiderstand 91 zu einer als Regelelement dienenden Zenerdiode 95 und der Basis eines Darlington-NPN-Transistors 72 rückgekoppelt, dessen Emitterausgangssignal mit der Eingangsspannungsklemme V.in. an dem Anschluß 15 der wieder als integrierte Schaltung 3524 ausgebildeten Steuerung 4.4 angeschlossen ist. Der Kollektor des Darlington-Transistors 72 ist über den Schalter 63 mit dem positiven Pol 12 der Eingangsspannung verbunden. Auf diese Weise erhält man eine geregelte Spannung für die Steuerung 44. Die Vorspannung zur Arbeitspunkteinst.ellung des D.arlington-Transistors 72 erfolgt über einen Widerstand 73? der beispielsweise einen Widerstandswert 'von 470 Ohm und eine Belastbarkeit von 10 W besitzt und der nicht Bestandteil der von einer gestrichelten Linie umgebenen mit 96 bezeichneten gedruckten Schaltungsplatte ist. Der Emitter des Darlington-Transistors 72 ist ferner mit den Emittern zweier Treibertransistoren 80 und 82 verbunden und liefert eine geregelte positive Spannung. Ein Kondensator 75 mit einer Kapazität von beispielsweise 10 MF am Ausgang der von dem Darlington-Transistor 72 gebildeten Regelschaltung dient zur Unterdrückung unerwünschter Welligkeit. Die Ausgänge der Treibertransistoren 80 und 82 sind mit der Basis der Treiberverstärker 84 bzw. 86 für die Leistungstran-

sistoren 88 und 89 bzw. 93 und 94 verbunden. Die Sensorspannung des Sensörkreises 56 wird in der weiter unten beschriebenen Weise mit einer von dem mit V.Ref. bezeichneten Anschluß 16 der Steuerung 44 gelieferten Referenzspannung verglichen. In Abhängigkeit von diesem Vergleich ändert sich die Impulsbreite der an den Anschlüssen 12 bzw. 13 erscheinenden Treiberimpulse, die mit den Basiselektroden der Treibertransistoren 82 bzw. 80 verbunden sind. Die Sensorspannung auf der Leitung 56 wird ferner über ein Potentiometer 97 zur Einstellung der Ausgangsspannung zu dem Anschluß 1 der Steuerung 44 rückgekoppelt und mit der Referenzspannung verglichen, die von dem Anschluß 16 an einen aus Widerständen 98 und 99 bestehenden Spannungsteiler von dessen Spannungsteilerpunkt an den Anschluß 2 der Steuerung geliefert wird.

Die externe Sensorspannung der Leitung 56 wird ferner einer aus Spannungsteilerwiderständen 101 und 103 bestehenden Schaltung für den langsamen Start zugeführt. Der Teilerpunkt dieses Spannungsteilers ist über eine Entkopplungsdiode 102 mit einem Kondensator 105 und einem Widerstand 106 verbunden.Diese Schaltung verhindert, daß bei Einschaltung des Gerätes Impulse großer Impulsbreite von den Anschlüssen 12 und 13 zu, den Treibertransistoren 80 und 82 gelangen. Dadurch ist sichergestellt, daß während desEinschaltvorganges die Impulsbreite der Treiberimpulse allmählich anwächst, bis die Sensorschleife zur Abtastung der Ausgangsspannung die Steuerung übernimmt. Der Kondensator 105 wird über den Widerstand 106, der einen vergleichsweise großen Widerstandswert·von z.B. 33 KOhm besitzt, langsam aufgeladen und .begrenzt damit die zur Kompensation dienende Ausgangsspannung am Anschluß 9 während der Startphase der Steuerung 44. Der Anschluß 9 ist intern mit dem Impulsbreitenmodulator der Steuerung 44 verbunden, so daß die Spannung am Anschluß 9 die Breite der Ausgangsimpulse an den Anschlüssen 12 und 13 steuert.. Der Anschluß 9 ist ferner mit Kondensatoren 108 und 109 zur Verstärkungsbegrenzung verbunden, die zusammen mit einem Widerstand 110 zur

Einstellung der Abhängigkeit zwischen Verstärkungsgrad und Frequenz de internen Verstärker regeln, der die Anschlüsse 12 und 13 speist. Die Ausgangssignale an den Anschlüssen 12 und 13 werden auf diese Weise in der Startphase begrenzt, bis dieSpannung des Kondensators 105 allmählich auf einen Wert anwächst, bei welchem der Sensorkreis 56 die Steuerung übernimmt. Die Anschlüsse 6 und 7 der Steuerung 44 biüden externe frequenzbestimmende Komponenten für den internen Oszillator, der im vorliegenden Beispiel alternierende Triggerimpulse mit einer Impulsfrequenz von etwa 20 KHz an die Anschlüsse 12 und 13 liefert.

Die Ausgangsspannung der Transformatoren 22 und 33 wird bei normalem, d.h. unterhalb der Überlastungsgrenze liegendem Transistorbetrieb von der Steuerung 44 in Verbindung mit der über den Sensorkreis 56 gelieferten Sensorspannung geregelt, wobei die Impulsbreite der an den Anschlüssen 12 und 13 anliegenden Treiberimpulse in bekannter Weise variiert werden. In dieser Betriebsperiode arbeiten die Transistoren im Sättigungszustand. Die beiden Baker-Klemmschaltungen halten die Spannung an den betreffenden Leistungstransistoren fest,wenn die in Reihe geschalteten Dioden 60 und 62 bzw. 90 und 92 leitend sind. Bei Auftreten übermäßiger Verlustleistung in den Leistungstransistoren beispielsweise durch überlastung des Stromversorgungsgerätes verlassen die Leistungstransistoren den Sättigungsbereich, so daß die Kollektorspannungen in ihren Ausgangskreisen ansteigen. Da die Dioden der Baker-Klemmschaltungen infolgedessen nichtleitend werden, wächst die Spannung an dem Knotenpunkt 55. Diese Spannung liegt an dem Potentiometer 52 zur Belastungseinstellung an und wird über die Leitung 61 dem Eingangsanschluß 10 der Steuerung 44 zugeführt. D.h., daß der Mittelwert der durch die Baker-Klemmschaltungen festgehaltenen Treiberspannung über die Induktivität 51 an den Kondensator 53 gelangt.Dieser an dem Kondensator 53 auftretende Spannungsmittelwert, von dem ein Teil den durch das Potentiometer 53 einstellbaren Grenzwert erreicht, tritt auf, wenn die Leistungstransistoren nicht mehr im Sättigungsbereich arbeiten. Der genann-

te Teil des Spannungsmittelwertes an dem Kondensator 53 wird über die Leitung 61 zu dem Abschältanschluß 10 der Steuerung 44 geführt. Die Steuerung 44 beendet daraufhin die Erzeugung der spezifischen Treiberimpulse, die über die Diode 46 und den Transistor 80 den Treiberverstärker 84 steuern. Die Dioden 50 und 60 stellen in Verbindung mit der Induktivität 51 sicher, daß der Spannungsmittelwert beider Leistungsstu-. .fen an dem Kondensator 53 auftritt und daß die momentane Spannungsspitze, die am Eingang der Treibertransistoren 84 und auftritt, wenn die Leistungstransistoren 88 und 89 bzw. .93 und 94 in den Sättigungszustand zurückkehren, nicht wirksam wird. Die erwähnte Spannungsspitzejtritt üblicherweise auf, bevor· die Leistungstransistoren bei Beginn eines Arbeitszyklus den Sättigungszustand erreichen. Das Ausgangssignal des Anschlusses 12 der Steuerung 44 wird der Basis des Transistors über die Entkopplungsdiode 45 zugeführt, welche unerwünschten Stromrückfluß zu dem Verstärker 82 verhindert. -

Die durch die Baker-Klemmschaltung festgehaltene Ausgangstreiberspannung des Treibertransistors 86 wird über die Entkopplungsdiode 60 mit der Spannung am Schaltungspunkt 55 kombiniert, die über die entsprechende Entkopplungsdiode 50 von der Basis der Leistungstransistoren 88 und 89 der ersten Stufe herangeführt wird. Auf diese Weise wird die kombinierte Sensorspannung beider Stufen über die Filterdrossel 51 in dem Kondensator 53 gespeichert und liegt an einem Sensorspannungs-Teilernetzwerk an, das das Potentiometer 52, die Widerstände 77 und 78 und die parallel geschalteten Widerstände 79 zur Temperatursteuerung umfaßt. An -dem Kondensator 53 entwickelt sich ein Spannungsmittelwert, der von der Steuerung 44 mit den Anschlüssen 10 und 11 abgegriffen wird. Wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen 10 und 11 den durch das Potentiometer 52 eingestellten Schwellwerk überschreitet, was je nach Einstellung früher oder später der Fall ist, wird die Impulsbreite der Treiberimpulse an den Anschlüssen 12 und 13 derart verringert, daß nur derjenige Eingangsstrom geliefert wird, welcher anfänglich durch das Potentiometer 52 bei Vor-

handensein einer temporären überlastung eingestellt wurde. Durch diese Einstellung wird eine übermäßige Beanspruchung der Leistungstransistoren während des nachfolgenden Betriebes vermieden. Bei Beendigung der überlastung am Ausgang endet auch die Beeinflussung der Impulsbreite durch die interne Steuerschleife auf Grund der verringerten Sensorspannung an dem Anschluß 10. Anschließend, wird die Impulsbreite wieder über' die externe Sensorleitung 56 und den Anschluß 1 gesteuert, was der normalen Regelung entspricht. Dämpfungsschaltungen 112 und 114, die jeweils eine Diode, einen Widerstand und einen Kondensator enthalten, dienen zur Ausschal tung der Leistungstransistoren am Ende jedes Impulses, wobei die Kondensatoren die in den Leistungstransistoren verbrauchte Ausgangsleistung begrenzen.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

/ 1. überlastungsschutzschaltung für nach dem Schalterprinzip ^—^arbeitende Stromversorgungsgeräte zur Begrenzung des Laststromes auf Werte, die unterhalb einer vorgegebenen Grenze liegen, ^:

- mit wenigstens einem Leistungstransistor, der mit .einem Ausgangslastkreis verbunden ist,

- mit wenigstens einem Treibertransistor, der mit dem Eingangskreis des Leistungstransistors gekoppelt ist,

- sowie mit einer Quelle für Treiberspannungsimpulse, die zur Erzeugung einer Treiberspannung an den Eingang des Treibertransistors anlegbar sind,

gekennzeichne t durch

- von dem Ausgangslastkreis des Leistungstransistors (24, 26) zu dem Eingang des Treibertransistors (40) führende Klemmschaltmittel (60, 62) zum Festklemmen der Treiberspannung, ■ ...

- Sensorschaltmittel, durch welche das Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes durch den Mittelwert der festgeklemmten Treiberspannung während einer Stromüberlastung des Leistungstransistors (24, 26) feststellbar ist,

- sowie eine bei dem genannten Ansteigen des Mittelwertes der Treiberspannung über den vorbestimmten Grenzwert aktivierbare Einrichtung (44) zur Verringerung des Eingangssignals des Leistungstransistors (24, 26) durch Verkleinerung der Impulsbreite der Spannungstreiberimpulse und damit zur Verringerung der Einschaltdauer des Leistungstrsnsistors (24, 26) auf einen Wert, der einem unterhalb der vorgegebenen Grenze des Laststromes liegendes Stromwert entspricht. ■

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher der Leistungstransistor bzw. die Leistungstransistoren mit Primärwicklungen eines Ausgangstransformators verbunden sind und bei welcher die Impulsquelle Teil einer- Steuerschaltung zur Impulsbreitenmodulation ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die die Ausgangselektrode jedes Leistungstransistors (24, 26) mit seinem Eingangskreis verbindenden Klemmschaltmittel (60, 62) eine bei überlastung des Leistungstransistors (24, 26) in nichtleitenden Zustand gelangende Schutzklemmschaltung bilden,

- daß die Sensorschaltmittel (50, 51, 52, 53) eine Spannungssensorschaltung zur Abtastung des Mittelwertes der .Treiberspannung am Eingang des Leistungstransistors bzw. der Leistungstransistoren (24, 26) bilden, die in den Eingangskreis der Steuerschaltung (44) eingefügt ist und eine aus einer Diode (50) einer Induktivität (51) und einem Kondensator (53) bestehende Reihenschaltung umfaßt,

- und daß die Steuerschaltung (44) durch die Spannungssensorschaltung (50, 51, 52, 53) in der Weise beeinflußbar ist, daß die Impulsbreite der Treiberspannungsimpulse verringert wird, wenn beim überschreiten des Sättigungszustandes' des Leistungstransistors bzw. der Leistungstransistoren (24, 26) ein Anwachsen des genannten Mittelwertes festgestellt wird, so daß der Leistungstransistor bzw. die Leistungstransistoren (24, 26) durch Verkürzung ihrer Einschaltdauer wirksam gegen innere Überlastung geschützt sind, ohne daß die Leistungszufuhr zu dem Ausgangstransformator (22) unterbrochen wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzklemmschaltung (60, 62) eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Dioden (60, 62) beinhaltet, die vom Ausgangskreis, jedes Leistungst-ransistors (24, 26) zu seinem Eingangskreis rückgekoppelt sind und eine derartige Polung besitzen, daß die Amplitude der Treiberspannungsimpulse verringert wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, zur Vermeidung von Beschädigungen der Leistungstransistoren, dadurch gekennzeichnet,

- daß die mit einer Primärwicklung (21) eines Ausgangs-

transformator (22) verbundenen Leistungstransistoren (24, 26) durch die von der genannten Impulsquelle (44) erzeugten und über den Treibertransistor (40) an ihre Eingangskreise gelegten Treiberspannungsimpulse in ihren Sättigungszustand steuerbar sind,

- daß die aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Dioden bestehende die Ausgangselektroden der Leistungstransistoren (24, 26) mit dem Eingangskreis des Treibertransistors (40) verbindende Klemmschaltung (60, 62) ein Ansteigen des Mittelwertes der Treiberspannungsimpulse bewirkt, wenn.die Leistungstransistoren (24, 26) bei Überlastung der Stromversorgungseinrichtung ihren Sättigungszustand verlassen, . .

- und daß die Sensorschaltmittel (50, 51, 52, 53), die den Eingangskreis der Leistungstransistoren (24, 26) mit der Steuerschaltung (44) verbinden, eine Begrenzung der Impulsbreite der Spannungstreiberimpulse bewirken, wenn für die Leistungstransistoren (24, 26) bei Überlastung der Stromversorgungseinrichtung Beschädigungsgefahr droht, derart daß diese Beschädigungsgefahr ohne Unterbrechung der Ausgangsleistung der Stromversorgungseinrichtung beseitigt wird. ·

Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a durch gekennzeichnet,

- daß der Ausgangstransformator (22) eine Sensorwicklung (57) besitzt,

- daß die Steuerschaltung (44) eine Einrichtung zur Breitenmodulation der Treiberspannungsimpulse in Abhängigkeit von einer an einen Sensoreingang angelegten••Sensorspannung besitzt,

r- daß die mit einer Primärwicklung (21) des Ausgangstransformators (22) verbundenen Leistungstransformatoren (24, 26) in nichtleitendem Zustand Energie zu der Transformatorwieklung (21) übertragen,

- daß eine der Ausgangselektroden (Emitter) des Treibertransistors (40) mit dem Eingangskreis der Leistungs-

transistoren (24, 26) und eine andere Elektrode des Treibertransistors (40) mit der Primärwicklung (21) des Ausgangstransforraators (22) verbunden ist, daß die aus einer Reihenschaltung von Dioden (60, 62) bestehende Klemmschaltung von dem Verbindungspunkt zwischen der Primärwicklung (21) und der Ausgangselektrode (Kollektor) der Leistungstransistoren (24, 26) zu dem Eingang des Treibertransistors (40) führt und so gepolt ist, daß die Treiberspannung während des Betriebes der Leistungstransistoren (24, 26) festgeklemmt ist, daß die Sensorschaltmittel, durch die das Überschreiten einer vorbestimmten Grenze durch den Mittelwert der festgeklemmten Treiberspannung bei Stromüberlastung der Strom versorgungseinrichtung feststellbar ist, einen Speicherkreis (50, 51, 53) beinhalten,

daß Schaltmittel (52) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von dem Anwachsen des genannten Mittelwertes bei Stromüberlastung die genannte Sensorspannung an den Sensoreingang der Steuerschaltung (44) anlegen, wodurch eine Verringerung der Impulsbreite der von der Steuerschaltung (44) an den Treibertransistor (40) angelegten Treiberspannungsimpulse bewirkt und die Einschaltzeit der Leistungstransistoren auf einen Wert begrenzt wird, dereinem unterhalb der vorgegebenen Grenze des Laststromes liegenden Wert entspricht,

daß die Sensorschaltmittel ein Potentiometer (52) beinhalten, das den Eingangskreis der Leistungstransistoren (24, 26) mit der Steuerschaltung (44) verbindet, derart daß durch die an dem Potentiometer (52) abgegriffene Sensorspannung die Erzeugung von Treiberspannungsimpulsen beendet wird, deren Impulsbreite eine Überlastungsgefahr für die Leistungstransistoren (24, 26) bewirkt, und daß ein die genannte Sensorwicklung (57) beinhaltender Regelkreis vorgesehen ist, über welchen der Steuerschaltung (44) eine Regelspannung zuführbar ist,mittels derer die Impulsbreite der Treiberspannungsimpulse während des normalen überlastungsfreien Betriebes der Leistungstransistoren (24, 26) regelbar ist.

-S-

6. Schaltung nach Anspruch 5, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die an der Sensorwicklung (57) auftretende Regelspannung der Steuerschaltung (44) zur Regelung der Impulsbreite der Spannungstreiberimpulse zugeführt wird,wenn der Steuereinfluß der Sensorschaltmittel (50, 51, 52, 53) beendet ist.

■7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ausgangslastkreis der Leistungstransistoren (24, 26) mit dem Eingang des Treibertransistors (40) verbindende Klemmschaltung (60, 62) ein Festklemmen der Treiberspannung bewirkt und daß die Sensorschaltmittel zur Überwachung der Treiberspannung bei Ansteigen des Mittelwertes der festgeklemmten Treiberspannung ein Steuersignal zur Reduzierung der Impulsbreite der Treiberspannungsimpulse erzeugen.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Klemmschaltung bildende Reihenschaltung von Dioden (60, 62) so gepolt ist, daß sie einen zu dem Ausgangslastkreis führenden alternativen Strompfad für die Treiberspannungsimpulse bildet, wenn die Dioden (60, 62)' sich in ihrem leitenden Zustand befinden.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmschaltung als Baker-Klemmschaltung ausgebildet ist.

10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ausgang der Lei- . stungstransistoren (24, 26) mit dem Eingang des Treibertransistors (40) verbindende Klemmschaltung (60, 62) so angeordnet ist, daß sich bei einer einen vorbestimmten Grenzwert überschreitenden Strombelastung der Ausgangstransistoren (24, 26) ein Spannungsanstieg an dem Schaltungspunkt ergibt, an welchem die Treiberspannungsimpulse zugeführt werden, und daß dieser Spannungsanstieg durch

die genannten Sensorschaltmittel feststellbar ist und zur Erzeugung eines Steuersignals zur Verringerung der Impulsbreite der Treiberspannungsimpulse verwendbar ist.

11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einer Reihenschaltung von Dioden (60, 62) bestehende Klemmschaltung die den Ausgangslastkreis des Leistungstransistors bzw. der Leistungstransistoren (24, 26) mit dem Eingang des Treibertransistors (40) verbindet, die Spannung der Treiber- · Spannungsimpulse nur dann festklemmt, wenn der Ausgangsstrom und damit die Kollektorspannung der Leistungstransistoren (24, 26) nicht größer sind als die dem Sättigungszustand entsprechenden Werte und daß aus dem Spannungsanstieg der Treiberspannungsimpulse, der sich bei Überschreitung, des Sättigungszustandes durch Überlastung der Leistungstransistoren (24, 26) ergibt, ein Steuersignal zur Verringerung, der Impulsbreite der Treiberspannungsimpulse ableitbar ist.

Ί2. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungstransistoren (24, 26) bei normalem, d.h. überlastungsfreiem Betrieb durch die mit Hilfe des Treibertransistors (40) in ihren Eingangskreis übertragenen Treiberspannungsimpulse, deren Impulsbreite das .Ausgängssignal der Leistungstransistoren (24, 26) bestimmt, in ihren Sättigungszustand ausgesteuert sind und daß die Sensorschaltmittel z.ur Überwachung des Mittelwertes der Treiberspannungsimpulse ein Steuersignal für die Verringerung von deren Impulsbreite liefern, wenn der genannte Mittelwert eine vorbestimmte Grenze überschreitet, die dem zulässigen Laststrom der Stromversorgungseinrichtung entspricht.

13· Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschaltmittel zur Überwachung des Anstieges des Mittelwertes der festgeklemm-

ten Treiberspannungsimpulse ein Potentiometer (52) zur Einstellung des genannten Grenzwertes des Spannungspittelwertes beinhalten.

Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgangslastkreis eine Vielzahl von parallel geschalteten Leistungstransistoren gekoppelt ist.