DE3302864C1 - Schaltungsanordnung zum Schutze eines beruehrungslos ansteuerbaren Halbleiterschalters - Google Patents

Description

sehr geringem Aufwand die Einhaltung eines geringen Toleranzbereiches des Ansprechwertes, sondern ermöglicht auch eine Miniaturisierung des Steuerteils und damit seine Integrierung in eine miniaturisierte Schaltung. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß sie mittels einfacher Schaltungsmaßnahmen eine automatische Rückstellung des Transistors der Stromsteuerschaltung in den leitenden Zustand erlaubt. Bei diesem Transistor handelt es sich vorzugsweise um einen bipolaren Transistor oder einen MOS-FET-Transistor, da sich mit ihnen zum einen ein sehr geringer Spannungsabfall im leitenden Zustand und ein so geringer Wert des Stromes im gesperrten Zustand erreichen läßt, daß der Selbsthaltestrom eines den Halbleiterschalter bildenden Thyristors unterschritten wird. Deshalb ist eine Abschaltung des Halbleiterschalters mit Hilfe von dessen Ansteuerschaltung nicht erforderlich.

Der Transistor der Stromsteuerschaltung kann mit dem im Überlastfall vom hohen auf das niedrige Potential übergehenden Ausgang des Flip-Flops über einen Widerstand verbunden sein. Der Aufwand für den Steuerteil ist dann minimal.

Mit Hilfe des Flip-Flops kann man auch ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand den Steuerteil so ausbilden, daß er erst nach einem Abschalten und Wiedereinschalten der Versorgungsspannung den Transistor wieder in den leitenden Zustand umsteuert, oder daß diese Umsteuerung nach einer wählbaren Zeitspanne erfolgt. Für den erstgenannten Fall braucht das Flip-Flop nur mit einem Widerstand, für den anderen Fall mit einem Kondensator und einem Widerstand, beschaltet zu werden, wobei die Zeitkonstante dieses /?C-Gliedes bestimmend ist für die gewünschte Zeitverzögerung zwischen dem Auftreten des Kurzschlusses oder des Überstromes und dem Rückführen des Transistors in den leitenden Zustand.

Auch der Stromsensor kann bei der erfindungsgemäßen Lösung mit einem sehr geringen Aufwand und mit einer miniaturisierbaren Schaltung verwirklicht werden. Sofern die Schaltung nicht verzögert auf einen Überstrom anzusprechen braucht, genügt die Ansteuerung des Flip-Flops mittels eines Transistors und dessen Ansteuerung über einen Widerstand, der den Eingang dieses Transistors mit dem Abgriff am Widerstand des Stromsensors verbindet. Um ein Ansprechen bei kurzzeitigen Überströmen zu verhindern, braucht nur ein Kondensator hinzugefügt zu werden, der zusammen mit dem den Transistor an den Widerstand des Stromsensors ankoppelnden Widerstand ein parallel zum Widerstand des Stromsensor liegendes RC-G\\ed bildet.

Um trotz des Nichtansprechens bei kurzzeitigen Überströmen oder Stromimpulsen im Kurzschlußfalle oder bei einem sehr hohen Überstrom die Abschaltung zu verzögern, braucht die Stromsensorschaltung nur einen zweiten Transistor aufzuweisen, dessen Ausgang mit dem Eingang des Flip-Flops verbunden ist und dessen Steuereingang mit dem Abgriff eines ohmschen Spannungsteilers in Verbindung steht, der parallel zum Widerstand des Stromsensors liegt. Die Unterteilung dieses Spannungsteilers bestimmt hierbei die Obergrenze des Stromes, bei dem die Ansprechverzögerung unwirksam, das Flip-Flop also ohne Verzögerung getriggert wird.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels,

F i g. 2 ein Einzelheiten der Schaltung gemäß F i g. 1 zeigendes Schaltbild,

Fig.3 ein Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels.

Zum Schließen und Öffnen des Stromkreises einer Last 1, die an eine Wechselspannungsquelle 2 mit einer Spannung zwischen 24 Volt und 250 Volt angeschlossen ist, ist ein Thyristor 3 vorgesehen, der, wie F i g. 1 zeigt, in Reihe mit einem Teil 4 einer elektronischen Stromsteuerschaltung und einem Teil 5 eines Stromsensors geschaltet ist. Diese Reihenschaltung ist an die Gleichstromklemmen einer Gleichrichterbrücke 6 angeschlossen, deren Wechselspannungseingang einerseits mit der Last 1 und andererseits mit der Wechselspannungsquelle 2 verbunden ist. Wenn sich der Thyristor 3 im leitenden Zustand befindet, fließt also ein Strom von der Wechselspannungsquelle 2 über die Last 1 durch die Gleichrichterbrücke 6, den Thyristor 3, die Teile 4 und 5 und dann wieder durch die Gleichrichterbrücke 6 zurück zur Wechselspannungsquelle 2.

Die Zündelektrode des Thyristors 3 ist an eine Triggerschaltung 7 angeschlossen, die ebenso wie ein diese Triggerschaltung ansteuernder Oszillator 8 eines im übrigen nicht dargestellten Näherungsschalters über einen Spannungsregler 9 die erforderliche Betriebsspannung erhält. Letzterer ist an den Gleichspannungsausgang der Gleichrichterbrücke 6 angeschlossen, wie die F i g. 1 und 2 zeigen.

Der mit dem Thyristor 3 in Reihe liegende Teil 4 der Stromsteuerschaltung und der Teil 5 des Stromsensors dienen dazu, im Falle einer Überbrückung der Last 1, wie sie bei einem Kurzschluß auftreten kann, zu verhindern, daß durch den Thyristor 3 hindurch ein Strom fließt, der so groß ist, daß es zu einer Zerstörung des Thyristors 3 kommen könnte. Der Teil 4 der Stromsteuerschaltung besteht im Ausführungsbeispiel aus einem MOS-FET-Transistor 10. Man könnte aber auch statt dessen einen bipolaren Transistor verwenden. Mit der erstgenannten Transistorart läßt sich ein Drain-Source-Widerstand von weniger als 0,5 Ohm erreichen.

Der Teil des Stromsensors wird durch einen ohmschen Widerstand R\ gebildet, an dem eine dem Strom durch den Thyristor 3 proportionale Spannung abfällt. Die Spannung liegt über einen Widerstand R2 an der Basis eines Transistors 11, dessen Emitter wie der nicht als Abgriff dienende Pol des Widerstandes R\ auf Masse liegt, während der Kollektor über einen Widerstand i?3 an die geregelte Ausgangsspannung des Spannungsreglers 9 angeschlossen ist. Der Transistor 11 und die Widerstände R2 und R3 bilden einen weiteren Teil des Stromsensors.

Die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 11 liegt am Eingang eines als Ganzes mit 12 bezeichneten Flip-Flop, das, wie F i g. 2 zeigt, in bekannter Weise aus zwei zusammengeschalteten NAND-Gattern besteht. Derjenige Ausgang Q des Flip-Flop 12, welcher beim Einschalten der Versorgungsspannung gesetzt wird, also das hohe Potential führt, ist über einen ohmschen Widerstand R^ mit der Steuerelektrode des Transistors 10 verbunden. Der andere Ausgang des Flip-Flop 12 ist im Ausführungsbeispiel über einen Kondensator 13 und einen mit diesem in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand R5 mit Masse verbunden. Das Flip-Flop bildet zusammen mit den Widerständen R4 und R5 und dem Kondensator 13 den Steuerteil der Stromsteuer-

schaltung, der mit dem das Signal, welches am Teil 5 des Stromsensors abgenommen wird, auf den Eingang des Flip-Flop übertragenden Schaltungsteil des Stromsensors in Fig. 1 zu dem mit 14 bezeichneten Steuerungsblock zusammengefaßt ist.

Der Widerstand Ri wird so dimensioniert, daß an ihm die zur Durchsteuerung des Transistors 11 erforderliche Spannung abfällt, wenn ein vorgegebener Grenzwert des durch den Thyristor 3 fließenden Stromes überschritten wird. Beträgt beispielsweise die zur Durchsteuerung des Transistors 11 erforderliche Basis-Emitter-Spannung 0,6VoIt und der Grenzwert des Stromes 1,4 Ampere, dann muß der Widerstand R\ eine Größe von 0,42 Ohm haben. Im Falle eines an der Last 1 auftretenden Kurzschlusses würde dieser Grenzwert des Stromes erheblich überschritten, sofern der Transistor 10 im durchgesteuerten Zustand bleiben würde. Sobald jedoch der Kurzschlußstrom den gewählten Grenzwert erreicht hat, wird der Transistor

11 durchgesteuert. Dies hat zur Folge, daß das Flip-Flop

12 zurückgesetzt wird, was bedeutet, daß das Potential an seinem Ausgang Q auf den Low-Pegel abfällt. Da nun der Transistor 10 keine ausreichende Ansteuerspannung mehr erhält, geht er in seinen Sperrzustand über. Dies hat zur Folge, daß der durch den Thyristor 3 und den Transistor 10 fließende Strom auf einen Wert reduziert wird, der kleiner ist als der Selbsthaltestrom des Thyristors 3, weil sowohl ein bipolarer Transistor als auch ein MOS-FET-Transistor einen ausreichend hohen Widerstand im gesperrten Zustand haben. Nach dem Unterschreiten des Selbsthaltestromes geht deshalb der Thyristor 3 in den sperrenden Zustand über.

Solange der Thyristor 10 gesperrt ist, kommt es zu keinem Stromfluß im Lastkreis, obwohl der Thyristor 3 weiterhin Zündimpulse von der Triggerschaltung 7 erhält. Erst wenn nach einer von der Größe des Kondensators 13 abhängenden Zeitspanne das Flip-Flop 12 selbsttätig wieder gesetzt wird, wodurch der Transistor 10 in den leitenden Zustand gebracht wird, führt der nächste Zündimpuls dazu, daß der Thyristor 3 wieder den Laststromkreis schließt. Besteht immer noch der Kurzschluß, dann erfolgt eine erneute Abschaltung. Ist hingegen der Kurzschluß beseitigt, dann ist nun der durch den Thyristor 3 gebildete Halbleiterschalter wieder voll funktionsfähig.

Ersetzt man den Kondensator 13 durch eine Brücke 15, wie dies in Fig.2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, dann kann das Flip-Flop 12 erst wieder gesetzt werden, nachdem zuvor die Versorgungsspannung ab- und dann wieder eingeschaltet worden ist.

Unabhängig davon, ob es sich bei dem Transistor 10 um einen bipolaren Transistor oder einen MOS-FET-Transistor handelt, ist es mit der erfindungsgemäßen Schaltung möglich, den Laststromkreis sehr niederohmig auszulegen. Ferner ermöglicht es diese Schaltung, den Kurzschlußstrom bereits bei einem sehr geringen Wert, also in sehr kurzer Zeit, bezogen auf die Periodendauer der Wechselspannung, abzuschalten, wodurch sowohl die thermische Belastung als auch die Stoßstrombeanspruchung der Bauelemente gering gehalten werden kann. Außerdem ist die Anzahl der erforderlichen Bauelemente sehr gering.

Das in Fig.3 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 1 und 2 nur durch einen Überlastschutz, durch den zeitlich begrenzte Überströme, wie sie z. B. beim Schalten von elektromagnetischen Lasten auftreten können, nicht zu einer Umschaltung des Transistors 10 in den gesperrten Zustand führen, weil diese kurzzeitigen Überströme den Halbleiterschalter nicht gefährden. Bei elektromagnetischen Lasten können die Stromspitzen bis zu zehnmal größer werden als der Nennstrom für eine Dauer bis zu etwa 40 Millisekunden. Nur wenn die Stromspitzen noch größer oder die Zeitdauer des Überstromes länger ist, wird die Schutzschaltung wirksam.

Wie F i g. 3 zeigt, wird, um diese zeitliche Ansprechverzögerung zu erreichen, zusätzlich nur ein Kondensator 17 benötigt, welcher einerseits an die Basis des Transistors 11 und andererseits auf Massepotential gelegt ist. Der Kondensator 17 bildet hierdurch zusammen mit dem Widerstand R₂ ein parallel zum Widerstand Ri liegendes ÄC-Glied. Die zeitliche Verzögerung der Triggerung des Flip-Flop 12 und damit der Sperrung des Transistors 10 hängt von der Dimensionierung des Widerstandes R₂ und des Kondensators 17 ab.

Damit bei größerem Überstrom, der zur Zerstörung des Halbleiterschalters führen würde, trotz der Ansprechverzögerung bei geringeren Überströmen des Flip-Flop 12 unverzögert anspricht, ist parallel zum Widerstand Ri, an dem eine dem Strom proportionale Spannung abgegriffen wird, ein ohmscher Spannungsteiler geschaltet, der aus den Widerständen Re und Rj besteht. Mit dem Abgriff dieses Spannungsteilers ist die Basis eines weiteren Transistors 16 verbunden, dessen Kollektor über den Widerstand R^ an die geregelte Ausgangsspannung des Spannungsrichters 9 angeschlossen ist. Das Widerstandsverhältnis von R^ zu Ri bestimmt die Obergrenze des Stromes, bei der die Ansprechverzögerung, welche der Widerstand R₂ und der Kondensator 17 bewirken, unwirksam wird und ohne Verzögerung das Flip-Flop 12 getriggert wird. Infolge dieses zusätzlichen Schaltungsteils des Stromsensors braucht die Ansprechschwelle des Überlastschutzes nicht auf den maximalen Strom, der bei elektromagnetischen Lasten sehr viel größer ist als der Dauerstrom, eingestellt zu werden. Daher kann die Belastbarkeit des Thyristors 3 noch stärker ausgenutzt werden, ohne ihn stärker zu gefährden.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 1 und 2 kann der Halbleiterschalter nach einer kurzzeitigen Überlastung, die zu einem Ansprechen der Schutzschaltung geführt hat, selbsttätig wieder betriebsbereit gemacht werden.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schütze eines dem Schließen und Unterbrechen eines Wechselstromkreises dienenden, berührungslos ansteuerbaren Halbleiterschalters gegen Überlastung, mit einer im Wechselstromkreis liegenden Gleichrichterbrücke, an deren Gleichspannungsausgang eine Ansteuerschaltung des Halbleiterschalters sowie eine den Halbleiterschalter, einen Widerstand eines Stromsensors und einen Transistor einer Stromsteuerschaltung enthaltende Reihenschaltung liegen, wobei die Stromsteuerschaltung einen den Schaltzustand des Transistors aufgrund des Spannungsabfalls am Widerstand des Stromsensors festlegenden Steuerteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerteil (12, R₄, R₅, 15) ein die Steuersignale für den Transistor (4,10) erzeugendes Flip-Flop (12) aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor der Stromsteuerschaltung ein bipolarer Transistor oder ein MOS-FET-Transistor (10) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueranschluß des Transistors (10) der Stromsteuerschaltung über einen Widerstand (Ra) mit dem im Überlastfalle vom hohen auf das niedrige Potential übergehenden Ausgang (Q)aes Flip-Flops (12) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flip-Flop (12) mit einem Widerstand (R5) für ein Zurücksetzen erst nach einem Ab- und Wiederanschalten der Versorgungsspannung oder einem Kondensator (13) und einem Widerstand (R$) für ein selbsttätiges Setzen nach einer von der Größe des Kondensators (13) und des Widerstandes (Rj) abhängigen Zeitspanne beschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Flip-Flop (12) aus zwei NAND-Gattern gebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor einen Transistor (11) aufweist, dessen Steuereingang über einen Widerstand (R2) mit dem Abgriff für den Spannungsabfall am Widerstand (R\) des Stromsensors verbunden ist, und daß der Eingang des Flip-Flop (12) mit einem Abgriff zwischen dem Transistor (11) und dessen Arbeitswiderstand (Ri) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Steuereingang des Transistors (11) ein Kondensator (17) verbunden ist, der zusammen mit dem ebenfalls mit dem Steuereingang dieses Transistors (11) verbundenen Widerstand (R2) ein parallel zum Widerstand (Ri) des Stromsensors liegendes RC-Glied bildet.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor einen zweiten Transistor (16) aufweist, dessen Ausgangsspannung am Eingang des Flip-Flop (12) liegt und dessen Steuereingang mit dem Abgriff eines ohmschen Spannungsteilers (Rf₁, Rt) verbunden ist, der parallel zum Widerstand (Ri) des Stromsensors geschaltet ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schütze eines dem Schließen und Unterbrechen eines Wechselstromkreises dienenden, berührungslos ansteuerbaren Halbleiterschalters gegen Überlastung, welche die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.

Bei Halbleiterschaltern der vorstehend genannten Art besteht die Gefahr der Zerstörung, wenn die im Wechselstromkreis liegende Last bei geschlossenem Schalter überbrückt wird, wie dies bei einem Kurzschluß der Fall ist. Der Strom durch den Schalter wird dann nur vom Innenwiderstand der Spannungsquelle und dem dynamischen Widerstand des Schalters begrenzt. Dieser Grenzwert liegt aber in der Regel weit über dem für den Halbleiterschalter maximal zulässigen Strom.

Um im Kurzschlußfalle den Strom so weit zu begrenzen, daß er vom Halbleiterschalter noch abgeschaltet werden kann, ist es bekannt, in den Stromkreis einen Schutzwiderstand zu schalten. Ein solcher Schutzwiderstand vergrößert jedoch nicht nur den Schaltungsaufwand. Vor allem hat er die Entstehung einer relativ großen Verlustwärme zur Folge, was aus verschiedenen Gründen nachteilig ist. Günstiger ist deshalb eine andere bekannte Lösung (DE-OS 25 45 919), bei der im Strompfad des als Thyristor ausgebildeten Halbleiterschalters eine Strombegrenzung mit veränderbarem Widerstand und eine Stromüberwachung liegen. Der Widerstand der Strombegrenzung ist, solange der Nennstrom nicht überschritten wird, relativ gering. Er erhöht sich erst im Kurzschlußfalle selbsttätig auf einen Wert, der den Kurzschlußstrom auf einen mittels des Thyristors noch schaltbaren Wert begrenzt. Die Stromüberwachung wirkt im Kurzschlußfalle auf die Zündstufe des Thyristors ein und schließt die Zündspannung kurz. Der Schaltungsaufwand für diese Lösung ist jedoch verhältnismäßig groß.

Geringer ist der Schaltungsaufwand bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art (DE-OS 31 15 214). Hier liegt in Reihe mit dem den Halbleiterschalter bildenden Thyristor und einem für die Stromüberwachung erforderlichen festen Widerstand ein MOS-FET, der im Kurzschlußfalle oder mit Zeitverzögerung bei Überstrom in den gesperrten Zustand umgesteuert wird und dadurch den Strompfad, in dem der Thyristor liegt, praktisch sperrt. Nachteilig ist bei dieser Lösung, daß zur Ansteuerung des MOS-FET ein Thyristor erforderlich ist, der gezündet werden muß, wenn der MOS-FET in den gesperrten Zustand umgeschaltet werden soll. Die Zündspannung von Thyristoren streut relativ stark. Sofern ein Schutz nicht nur für den Kurzschlußfall, sondern auch für den Fall eines Überstromes gewährleistet sein soll, muß deshalb ein verhältnismäßig großer Sicherheitsabstand von dem maximal zulässigen Überstrom eingehalten werden. Ferner kann ein Thyristor wegen seines Raumbedarfs nicht in eine miniaturisierte Schaltung integriert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Schütze eines berührungslos ansteuerbaren Halbleiterschalters zu schaffen, deren Ansprechwert in engeren Grenzen gehalten werden kann, ohne hierzu einen erhöhten Aufwand in Kauf nehmen zu müssen, und die auch eine Miniaturisierung gestattet. Diese Aufgabe löst eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Der Einsatz eines Flip-Flops zur Erzeugung des Steuersignals für den Thyristor der Strombegrenzungsschaltung anstelle eines Thyristors erlaubt nicht nur mit