DE3330045C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Speisung von elektrischer Gleichstrom-Reihenspeisung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus der DE-PS 10 44 175 bekannt. Die bekannte Schaltungsanord­ nung dient zum Schutz gegen übermäßig hohen Strom, und zwar für ein Kabel mit Verstärkerstationen, die über das Kabel mit Gleichstrom ferngespeist werden. Die Schutzein­ richtung enthält Relais, die eine Regelvorrichtung steu­ ern. Dadurch werden der Strom verringert und die zum An­ sprechen veranlaßten Relais zum Abfallen gebracht.

Es ist ferner bereits bekannt (Funkschau 1/1983, Seiten 67 bis 71), Schaltregler mit einem Stromkreis-Schutz zu versehen. Eine Abschaltung der Steuerung bei offenem oder kurzgeschlossenem Regler-Ausgang vermeidet eine Über­ lastung des Steuerbausteins, der sonst unter Umständen mit maximalem Tastverhältnis reagiert und dann zerstört werden kann. Solche Maßnahmen können jedoch nicht verhin­ dern, daß in einem an einen ausgangsseitigen Speicherkondensator eines Schalt­ reglers angeschlossenen Lastkreis dynamische Überströme fließen, wenn der Lastkreis ganz oder teilweise kurzge­ schlossen wird. In der Folge wird der ausgangsseitige Speicherkondensator auch als Ladekondensator bezeichnet.

Bei Speisegeräten, die nach dem Sperrumrichter- bzw. Durchflußumrichter-Prinzip arbeiten, wird der Ladekonden­ sator impulsweise aufgeladen. Insbesondere wird durch eine Strom- oder Spannungsregeleinrichtung die Ladungs­ menge des Ladekondensators so gesteuert, daß sich im stationären Betrieb eine entsprechende Speisespannung einstellt.

Bei einem Kurzschluß am Ausgang eines solchen Speisege­ rätes wird der Ladekondensator nur über die dann wirk­ samen Widerstände entladen. Da eine Strom- oder Spannungs­ regeleinrichtung in diesem Falle nicht ohne weiteres ein­ greifen kann, können auch bei geregelten Umrichtern er­ hebliche Entladungsströme fließen. Dies kann sich beson­ ders nachteilig auswirken, wenn an die Schaltungsanord­ nung eine Verbraucheranordnung angeschlossen ist, die aus einer Serienschaltung mehrerer Verbraucher besteht und bei der die Möglichkeit besteht, daß im Betrieb wenig­ stens einer der Verbraucher vorübergehend kurzgeschlossen wird. Dies ist insbesondere bei Einrichtungen zur Fern­ speisung mittels Gleichstrom-Reihenspeisung der Fall, bei denen in einem derartigen Kurzschlußfall beträchtliche Entladungsströme aus dem Fernsprechgerät über die Fern­ speiseweiche, die Strecke mit den Regeneratoren zur Kurz­ schlußstelle und zurück fließen können.

Man könnte einem geregelten oder ungeregelten Schaltregler einen Verlustregler nachschalten, der den Verbraucher­ strom auf einem konstanten Wert hält und zugleich einen Schutz gegen Überströme bietet. Dies führt jedoch dazu, daß auch bei Normalbetrieb Verluste auftreten, die den Wir­ kungsgrad der Speiseeinrichtung verschlechtern.

Bei Speisegeräten mit kleinen Speiseströmen kann man in den Stromkreis einen Strombegrenzungswiderstand einfügen, des­ sen Verlustleistung sich in akzeptablen Grenzen hält. Insbesondere bei größeren Strömen kann die Verlustlei­ stung jedoch Werte annehmen, die eine Verwendung eines solchen Begrenzungswiderstandes ungeeignet erscheinen läßt.

Ferner wirken für eine Siebung vorgesehene Drosseln eben­ falls dämpfend. Die Wirkung derartiger Drosseln ist je­ doch begrenzt, da bei vertretbaren Baugrößen die Indukti­ vität bei Überstrom im dynamischen Kurzschlußfall sehr stark absinkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsan­ ordnung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sich eine Begrenzung des Stromes im dynamischen Kurzschlußfall ergibt, ohne daß dies mit einem uner­ wünscht großen Spannungsabfall bei Nennlast im Normalfall verbunden ist. Insbesondere soll bei Speiseeinrichtungen, bei denen eine Verbraucheranordnung mit mehreren in Reihe geschal­ teten Verbrauchern an einen Ladekondensator angeschlossen ist, sichergestellt werden, daß bei einem zeitweisen Kurzschluß an einem Teil der Verbraucher die vom Speisestrom weiter durchflossenen Verbraucher dyna­ misch nicht überlastet werden.

Gemäß der Erfindung wird die Schaltungsanordnung zur Lö­ sung dieser Aufgabe wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben.

Aus der DE-OS 28 03 630 ist eine Schaltungsanordnung zur Gleichstrom-Reihenspeisung bekannt, die eine den Strom begren­ zende Schutzeinrichtung aufweist. Diese Schaltungsanordnung ent­ hält einen ersten Kreis, der die Größe des Leitungsstromes auf­ grund des Spannungsabfalls an einem Widerstand mißt und einen zweiten Kreis steuert, der z. B. ein mit einem Transistor-Zer­ hacker arbeitender Stromregelkreis ist, und der die von ihm an die Leitungsklemmen angelegte Spannung so ändert, daß bei Bela­ stungsschwankungen der Leitungsstrom auf seinem festgelegten Wert konstant gehalten wird. Z-Dioden, die in Reihe zwischen die Leitungsklemmen geschaltet sind, begrenzen den Wert der Span­ nung. Ein ausgangsseitiger Speicherkondensator in Verbindung mit einer Begrenzung des Stromes im dynamischen Kurzschlußfall ist dabei jedoch nicht vorgesehen.

Ferner ist aus der DE-OS 22 58 975 eine Schaltungsanordnung zur Kurzschlußschaltung und Strombegrenzung für Verbraucher mit erhöhtem Einschaltstrom und/oder mit stark schwankendem Last­ strom bekannt, bei der eine Stromregelschaltung mit einem vom Laststrom durchflossenen gesteuerten Transistor vorgesehen ist. Ein der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors parallel ge­ schalteter Strombegrenzungswiderstand ist mit einem temperatur­ abhängigen Widerstand als Teil einer Abschaltstufe thermisch derart gekoppelt, daß eine zeitverzögerte Unterbrechung des Laststromkreises erfolgt. Die Basis des mit seiner Emitter- Kollektor-Strecke in dem einen Strompfad liegenden Transistors ist über einen Widerstand an den anderen Strompfad geführt. In Serie zum Strombegrenzungswiderstand liegt ein weiterer Wider­ stand. Parallel zum weiteren Widerstand liegt die Basis-Emitter- Strecke eines Transistors, dessen Kollektor an die Basis des gesteuerten Transistors geführt ist. Die bekannte Schaltungsanordnung dient dazu, durch Einschalt­ stromströme oder Kurzschluß hervorgerufene Spannungseinbrüche in der Betriebsspannung elektronischer Geräte, die zusammen mit anderen Verbrauchern aus einer gemeinsamen Stromversorgung und/oder über eine gemeinsame Leitung versorgt werden, durch einen Strombegrenzerschalter mit Kurzschlußabschaltung zu vermeiden. Eine Begrenzung der am weiteren Widerstand auftre­ tenden Verlustleistung ist dabei jedoch nicht vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß mit besonders geringem Schaltungsaufwand eine praktisch ver­ zögerungsfrei wirkende Begrenzung des Kurzschlußstromes erzielt wird.

Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß der Ladekondensator und der vom Kurzschlußstrom betroffene Teil der Ver­ braucheranordnung wirksam gegen Überlastung geschützt sind.

Anstelle der Z-Diode kann gegebenenfalls ein anderer Zweipol mit nichtlinearer Strom-Spannungscharak­ teristik, vorzugsweise eine Serienschaltung mehrerer Dio­ den, vorgesehen sein.

Der weitere Wider­ stand kann durch den Meßshunt eines Strommessers gebildet werden. Dabei ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß als weite­ rer Widerstand ein in der Schaltungsanordnung ohnehin er­ forderlicher Widerstand Verwendung finden kann und somit bei kurzgeschlossenem Strombegrenzungswiderstand praktisch keine zusätzliche Verlustleistung auftritt.

Eine Begrenzung der am weiteren Widerstand auftretenden Verlustleistung - insbesondere verbunden mit einem wirk­ samen Schutz eines ggf. daran angeschlossenen Strommes­ sers - wird dadurch erzielt, daß der weitere Widerstand durch eine derart gepolte zweite Z-Diode überbrückt ist, daß die zweite Z-Diode die am weiteren Widerstand abfallende Spannung auf den Wert der Zenerspannung begrenzt. Dadurch daß die Zener­ spannung der zweiten Z-Diode größer als die Zenerspan­ nung der ersten Z-Diode bemessen ist, wird er­ reicht, daß die Spannungsbegrenzung am weiteren Widerstand keinen nachteiligen Einfluß auf das selbsttätige Wirksam- bzw. Unwirksamschalten des Strombegrenzungswiderstandes hat.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Schaltungsanordnung in einer Einrichtung zur Fernspeisung von elektrischen Verbrauchern mittels Gleichstrom-Reihenspeisung, insbeson­ dere von Zwischenstellen in Einrichtungen der Nachrichten­ übertragungstechnik, verwenden.

In diesem Fall bietet die Schaltungsanordnung einen wirk­ samen Schutz gegen eine Beschädigung von Zwischenverstär­ kern oder Regeneratoren der Übertragungsstrecke durch Überströme bei Kurzschlüssen im Fernspeisekreis.

Die Erfindung wird anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Um­ richters, der zur Fernspeisung elektrischer Verbraucher mittels Gleichstrom-Reihenspeisung bestimmt und mit einer Schutzeinrichtung 3 zur Begrenzung des dynamischen Kurz­ schlußstromes versehen ist.

Die Schaltungsanordnung enthält einen den Laststrom regelnden Sperr­ wandler. Parallel zum Eingang E liegt der Speicherkon­ densator 10. An den Speicherkondensator 10 ist über den Schalttransistor 11 die Primärwicklung des Transforma­ tors 12 angeschlossen. Die Sekundärwicklung des Transfor­ mators 12 ist über die Diode 14 und den dazu in Serie liegenden, als Stromfühler dienenden Strommeßwiderstand 15 an den ausgangsseitigen Speicherkondensator 21 geführt. Am Strommeßwiderstand 15 liegt der Stromregler 16, der die der Basis des Schalttransistors 11 vorgeschaltete An­ steuerschaltung 17 steuert.

Die Ladungsmenge des Ausgangsspeicherkondensators 21 wird so gesteuert, daß sich im stationären Betrieb, an die Länge der Strecke angepaßt, die entsprechende Fernspeisespan­ nung einstellt.

Ohne die gegen Überströme wirksame Schutzeinwirkung 3 würde bei einem Kurzschluß am Ausgang des Gerätes bzw. auf der Fernspeisestrecke der Kondensator 21 nur über die dann wirksamen Widerstände entladen, da die Strom­ regeleinrichtung in diesem Falle nicht eingreifen kann.

Dies bedeutet, daß erhebliche Entladungsströme aus dem Fernspeisegerät über die in der Figur nicht dargestellte Fernspeiseweiche, die Strecke mit Zwischenverstärkern bzw. Regeneratoren zur Kurzschlußstelle und zurück fließen könnten.

Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ver­ läuft der Fernspeiseausgangskreis bzw. Hauptkreis vom Kondensator 21 über die Drossel 22, die Verbraucheranordnung 4, den weiteren Widerstand 33 und die Drossel 23 zum Kondensa­ tor 21 zurück. Parallel zum Meßshunt 33 liegt das Ampere­ meter 34, das mit der parallel geschalteten Zener­ diode 32 versehen ist. Der Strombegrenzungswiderstand 37, der in der Minusleitung des Hauptkreises liegt, ist durch die Source-Drain-Strecke des MOS-Feldeffekt-Transistors 36 überbrückt. Die Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors 36 ist über den Vorwiderstand 35 an die Plusleitung a des Haupt­ kreises geführt. Außerdem ist die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 36 über die Z-Diode 31 an den Ver­ bindungspunkt zwischen Drossel 23 und Widerstand 33 ge­ führt.

Die Drosseln 22 und 23 und der Strombegrenzungswiderstand 37 bil­ den eine Strombegrenzungsschaltung. Der Widerstand 37 ist im eingeschwungenen Zustand durch den Transistor 36 kurzgeschlossen. Bei dynamischen Stromänderungen wird der Transistor 36 gesperrt d. h. der Widerstand 37 wirksam. Hierdurch läßt sich ein er­ hebliches Maß an Verlustleistung einsparen.

Im eingeschwungenen Zustand ist die Steuerelektrode bzw. das Gate des Feldeffekttransistors 36 über den sehr hochohmi­ gen Widerstand 35 positiv aufgeladen und es fließt der Fernspeisestrom I _F aus dem Kondensator 21 über die Dros­ sel 22, die durch eine Fernspeisestärke gebildete Ver­ braucheranordnung 4, den leitenden Transistor 36, den Wider­ stand 33 und die Drossel zum Kondensator 21.

Am Meßshunt 33 entsteht ein Spannungsabfall von insbeson­ dere etwa U = 2,5 V für das Strommeßgerät 34. Die parallel zum Widerstand 33 liegende Zenerdiode 32 verhindert, daß im dynamischen Kurzschlußabfall die Spannung am Meß­ shunt 33 größer als ein vorgegebener Wert, insbesondere größer als etwa U = 10 V wird. Die Z-Diode 31 hat eine kleinere Zenerspannung als die Z-Diode 32, insbesondere eine Zenerspannung von etwa 6,8 V.

Bei Kurzschluß steigt der Strom, begrenzt durch die Dros­ seln 22 und 23 über seinen Nennwert an. Dadurch wird der Spannungsabfall am Meßshunt 33 so groß, daß das Gate- Potential des MOS-Transistors 36 über die Z-Diode 31 ne­ gativ wird. Der Transistor 36 wird daher gesperrt bzw. ausgeschaltet. Der Strombegrenzungswiderstand 37 ist jetzt wirksam. Nach Abklingen des Fernspeisestromes I _F auf etwa seinen Nennwert schließt der MOS-Transistor 36 den Wider­ stand 37 wieder kurz.

Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Strombegrenzungswiderstand 37 in die Minusleitung b des Hauptkreises eingefügt. Der MOS-Feldeffekttransistor 36 ist vom n-Typ. Die Z-Dioden 31 und 32 sind mit ihren Anoden zusammengeführt, wobei die Anodenverbindung zwi­ schen Drossel 23 und Meßshunt 33 an die Minusleitung b des Hauptkreises angeschlossen ist.

In entsprechender Weise kann man einen Strombegrenzungs­ widerstand in die Plusleitung des Hauptkreises einfügen, der durch die Drain-Source-Strecke eines MOS-Feldeffekt­ transistors vom p-Typ überbrückt ist. Der Meßshunt ist dann zwischen dem Strombegrenzungswiderstand und der Drossel 22 angeordnet. Der MOS-Feldeffekttransistor ist in diesem Fall mit seiner Steuerelektrode über den Vor­ widerstand an die Minusleitung b des Hauptkreises und über eine Z-Diode an den Verbindungspunkt von Drossel 22 und Meßshunt zu führen, wobei die Kathoden der beiden Z-Dioden zusammenzuführen sind.

Die Verbraucheranordnung 4 ist als einstellbarer Wider­ stand dargestellt. Dies soll zum Ausdruck bringen, daß der Widerstand der Verbraucheranordnung veränderbar ist, insbesondere dadurch, daß Verbraucher, aus denen die Ver­ braucheranordnung zusammengesetzt ist, einzeln oder gruppenweise kurzgeschlossen werden können.

Bei einer bevorzugten Bemessung der Schaltungsanordnung betragen die Werte der Widerstände 33, 35 und 37

R ₃₃ = 3,9 Ω
R ₃₅ = 5,4 Ω
R ₃₇ = 20 Ω

Der Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor 36 kann z. B. vom Typ BUZ46 sein.

Anstelle des Sperrumrichters kann gegebenenfalls ein Durchflußumrichter mit ausgangsseitigem Speicher- oder Ladekondensator Verwendung finden. Der Stromfühler kann wie in dem ge­ zeigten Ausführungsbeispiel, vor dem ausgangsseitigen Ladekondensator oder abweichend davon in dem daran ange­ schlossenen Lastkreis angeordnet sein. Selbst im letzt­ genannten Fall ist der Regler selbst nicht in der Lage, dynamische Überströme, die aus der Ladung des ausgangs­ seitigen Speicherkondensators gespeist werden, zu verhindern.

Gegebenenfalls kann anstelle des geregelten ein unge­ regelter Schaltregler Verwendung finden.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Gleichstrom-Reihenspeisung mit einer Schutzeinrichtung, die oberhalb eines vorgegebenen Stromwertes anspricht und den Strom begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß - bei Verwendung eines Schaltreglers als Speisevorrichtung, an dessen Ausgang ein Speicherkondensator (21) angeschlossen ist, an den wiederum der Lastkreis (4) angeschlossen ist - die in Kette zum Schaltregler liegende Schutzeinrichtung (3) aus einer in Reihe zum Lastkreis (4) angeordneten und in einem der beiden Strompfade (a, b) des Hauptstromkreises liegenden Serien­ schaltung aus einem Strombegrenzungswiderstand (37) und einen weiteren Widerstand (33) besteht, daß der Strombegrenzungswider­ stand (37) durch die Source-Drain-Strecke eines Leistungs-Feld­ effekttransistors (36) überbrückt ist, daß die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors (36) sowohl über einen Vorwiderstand (35) zum anderen Strompfad des Hauptstromkreises als auch über eine erste Z-Diode (31) an den äußeren Anschluß des weiteren Widerstandes (33) geführt ist und daß der weitere Widerstand (33) durch eine derart gepolte, zweite Z-Diode (32) überbrückt ist, daß die zweite Z-Diode (32) die am weiteren Widerstand (33) abfallende Spannung auf den Wert der Zenerspannung begrenzt und daß die Zenerspannung der zweiten Z-Diode (32) größer als die Zenerspannung der ersten Z-Diode (31) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einer Einrichtung zur Fernspeisung von elek­ trischen Verbrauchern mittels Gleichstrom-Reihenspeisung, insbe­ sondere von Zwischenstellen in Einrichtungen der Nachrichten­ übertragungstechnik.