DE3332427T1 - In einem Gleichstromverteilungssystem enthaltener elektronischer Stromunterbrecher - Google Patents

Description

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TELEFONAKTIEBOLAGET LM ERICSSON
Stockholm

In einem Gleichstromverteilungssystem enthaltener elektronischer Stromunterbrecher

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen in einem Gleichstromverteilungssystem enthaltenen elektronischen Stromunterbrecher, speziell für Telefonstationen, und soll Schmelzsicherungen und automatische Sicherungen in derartigen Systemen ersetzen.

Genauer gesagt, wird ein elektronischer Stromunterbrecher geschaffen, der den Kurzschlußstrom in dem System begrenzt.

Technischer Hintergrund
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Wenn in Energieverteilungssystemen, die gewöhnliche Schmelzsicherungen haben, ein Kurzschluß auftritt, stellen sich sehr große Kurzschlußströme ein, die schwerwiegende transiente Über- und Unterspannungen zur Folge haben. In Telefonstationen ζ. B. bedeuten Unterspannungen, daß die Elektronik ihre Funktion einstellt mit der Folge der Gefahr von langen Betriebsunterbrechungen. Überspannungen bergen die Gefahr der Zerstörung elektronischer Schaltkreise in sich.

Es ist bereits bekannt, z. B. aus Ericsson Review No. 4,

1974, S. 120, die bei Kurzschlüssen auftretenden Probleme dadurch zu lösen, daß das Versorgungssystem "hochohmig" gemacht wird. Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein solches hochohmiges System. Der Gleichrichter RL versorgt eine Last L über ein Filter F, eine Schmelzsicherung S1 und eine Leitung K. Eine Batterie B mit der EMK E und einem Innenwiderstand R. ist als Reserve mit dem System verbunden. Die Schmelzsicherungen S2 - S6 sind darüber hinaus mit nicht dargestellten Lasten verbunden. Die hochohmige Situation in dem System bedeutet, daß die Widerstände der verschiedenen Kreise zwischen Batterie und Kabel im Verhältnis von z. B. 1 : 10 aufgeteilt sind. Das bedeutet, daß der Innenwiderstand R. der Batterie und der Leitungswiderstand des Kabels K nicht unter bestimmte Werte absinken. Für ein 48-V-System beispielsweise ist R. = 4,5 mQ und der Leitungswiderstand RK = 45 mn, obgleich dies vom Standpunkt der Verluste her gesehen nicht wünschenswert ist. Aufgrund der Hochohmsituation ist deshalb ein auftretender Kurzschlußstrom in diesem Fall auf maximal 1000 A begrenzt. Dies ergibt einen Spannungsabfall von maximal 4,5 V im Verteilungssystem auch bei auftretendem Kurzschluß. Die an die Schmelzsicherungen, d.h. S2 - S6, angeschlossenen Belastungen können mit Ausnahme der Kurzschluß aufweisenden Last L auf einem annehmbaren Spannungspegel gehalten werden. . ■

Für einen in der Last L auftretenden Kurzschluß erhält man eine Ubergangsfolge am Punkt A (Fig. 1), die in der Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm, daß die Spannung im Kurzschlußaugenblick sprunghaft absinkt und anschließend konstant ist, wobei sie in dem Augenblick, in dem die Schmelzsicherung S1 geschmolzen ist, rasch ansteigt. Bei einen, Hochohmsystem gemäß objcjon Ausf üb r u η <. ι ο η (Kurve b) orh.'i'M.

man einen maximalen Spannungsabfall, und cinL-ii jn.ix i rna I <.;n

Spannungsanstieg von ungefähr 4,5 V im Kurzschlußaugenblick, bzw. wenn die Schmelzsicherung geschmolzen ist. Die voll ausgezogene Linie zeigt den Ablauf in einem herkömmlichen Relais-System, das nicht hochohmisch ist, und die strichpunktierte Linie c gibt den Verlauf wieder, wenn ein elektronischer Stromunterbrecher gemäß der Erfindung eingesetzt wird. Die Hochohmlösung für das Ubergangsproblem, die oben beschrieben ist,erfordert jedoch große Batterien und kann deshalb nur in Verteilungssystemen mit großer Leistung zum Einsatz kommen. In kleinen Systemen, deren Batterien weniger als 2000 Ah haben, sind sehr große Kondensatoren erforderlich, um die Ubergangswerte zwischen annehmbaren Pegeln zu halten. '

Darlegung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektronischen Stromunterbrecher zu schaffen, der den Kurzschlußstrom begrenzt, wodurch Spannungsabfälle und Übergänge während des Kurzschlusses und das Durchbrennen der Schmelzsicherung auf sehr niedrige Werte reduziert werden kann.

Die Erfindung ist zu dem Zweck durch die Merkmale des Anspruchs.. 1 gekennzeichnet.

Mit dem vorgeschlagenen elektronischen Unterbrecher, der vollkommen oder zum Teil an die Stelle der Sicherungen S1 - S6 in der Fig. 1 tritt, wird eine gegenüber dem bekannten System, was mit Hilfe der Kochohm-Dimensionierung von Batterie und Leitungen arbeitet, verbesserte Strombegrenzung erzielt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Strombegrenzers besteht darin, daß diese Dimensionierung nicht mehr erforderlich ist, was eine wesentliche Vereinfachung des Systems 5 und geringere Verluste darin bedeutet. Durch Verwendung des vorgeschlagenen Stromunterbrechers kann auch bei Kurzschlüs-

sen in kleinen Speisungssystemen der Strom begrenzt werden.

Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun im einzelnen mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, worin zeigen:

Fig. 1 ein hochohmiges Leistungsvertei-

lungssystem in schematischer Wiedergabe ;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm des Spannungsab-

■ falls an einer Sicherung während

eines Kurzschlußvorgangs;

Fig. 3 das Blockschaltbild, welches das

Prinzip des erfindungsgemäßen Strom-Unterbrechers darstellt;

Fig. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbei

spiels gemäß der Erfindung;

Fig. 5 den Stromverlauf über der Zeit;und

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer

Stromversorgungsschaltung mit Stromunterbrecher nach Fig. 3. 30

Ausführungsbeispiele

Das Blockschaltbild der Fig. 3 zeigt das Prinzip eines elektronischen Stromunterbrechers gemäß der Erfindung. Es ent-

hält eine Speisungsschaltung EK, die mit einer Last L verbunden ist, deren Kurzschluß strom zu überwachen ist. Die Last ist mit dem neutralen Leiter des Systems verbunden, und die Speisungsschaltung EK ist über einen Stromfühlerwiderstand R mit dem negativen Pol im System (-48 V im vorliegenden Fall) verbunden. Die Speisungsschaltung enthält einen für den normalen Leitungsvorgang vorgesehenen und zu überwachenden Strompfad und einen zu überwachenden Strombegrenzungs-Strompfad und setzt sich aus Transistorschaltungen zusammen, von denen eine den Durchgang des Laststroms ermöglicht und eine den bei einem in der Last auftretenden Kurzschluß sich einstellenden Überstrom auf einen vorgegebenen Nennwert I begrenzt. Wenn die Last L kapazitiv ist, hat die Speisungsschaltung auch die Aufgabe, den während des Anfangs in der Last auftretenden Überstrom zu begrenzen. In bestimmten Ausführungsbeispielen (werden später beschrieben) können der zu überwachende Strompfad und der Strombegrenzungspfad aus einem Strompfad bestehen. Der elektronische Strombegrenzer weist ferner eine Schwellwertschaltung JF auf, die mit einem ihrer Eingänge mit dem Widerstand R und mit ihrem anderen Eingang mit einer Bezugsspannung V verbunden ist. Der Ausgang der Schwellwertschaltung JF ist mit einer Zeitsteuerschaltung TK verbunden, deren Ausgang mit dem Steuerkreis einer Halteschaltung HK über eine Sichtanzeige, z. B. eine Leuchtdiode LD, verbunden ist. Der Ausgang der Halteschaltung ist mit dem Steuereingang des zu steuernden Strompfades verbunden, der in die Speisungsschaltung EK eingefügt ist. Ferner ist ein Taster K für das Rückstellen der Halteschaltung vorhanden. Der Zweck der Halteschaltung besteht darin, die Speisungsschal^ung so zu betätigen, daß sie überhaupt keinen Strom führt. Sämtliche Einheiten (auch

f . ■ der Taster K) bestehen aus elektronischen Schaltungen mit Transistoren, Dioden und passiven Bauteilen (Widerstände, Kondensatoren).

Im Normalfall fließt durch den Stromleiterpfad und durch den Widerstand R ein Laststrom I S I . Dies ergibt einen Spannungsabfall U < U _f, und es entsteht keine Größe am Ausgang der Schwellwertschaltung, die die Zeitsteuerschaltung TK aktivieren kann. Diese Schaltung befindet sich genau wie die Halteschaltung HK deshalb im Ruhezustand, und der; Laststrom fließt ohne wesentlichen Widerstand (außer Widerstand R) von 0 V über die Belastung und die Speisungsschaltung EK nach -48 V.

, Im Fall eines Kurzschlusses oder Uberstroms wird I > I , und der Spannungsabfall U_R am Widerstand R wird größer als U _f. In diesem Fall wird von der Schaltung JF eine Ausgangsgröße . (Ausgangsspannung) abgegeben, die als Steuergröße der Speisungsschaltung EK zugeführt wird, um diese auf Konstantstromregelung zu bringen. Dies bedeutet, daß der Kurzschlußstrom auf einen Wert in der Größenordnung des Wertes des Nennstromwertes I des Stromunterbrechers begrenzt wird. Die Zeitsteuerschaltung TK wird gleichzeitig durch die Ausgangsgröße von der Schwellwertschaltung JF betätigt und beginnt den Zählvorgang für eine bestimmte vorgewählte Zeit At. Wenn die Zeit At abgelaufen ist, wird an die LED und den Steuereingang der Halteschaltung HK ein Ausgangssignal abgegeben. Letztere gibt ein Ausgangssignal an die Speisungsschaltung EK, wodurch der Strompfad (Strompfade) darin unterbrochen wird, was den Laststrom vollständig unterbindet. Die Verzögerungsfolge in der Zeitsteuerschaltung TK ist nötig, damit der elektronische Stromunterbrecher nicht durch einzelne Stoßwellen ausgelöst wird, die dem Speisungssystem nicht schaden, und damit der Stromunterbrecher auch nicht beim Einschalten einer kapazitiven Last ausgelöst wird.

Die Halteschaltung kann möglicherweise so dimensioniert sein, daß ein externes Signal für "externe Auslösung" sie zur Betätigung des Unterbrecher?; aktivier L, el. h. um eine

ι in I r. ι In f τ-Ιιιιΐΐ¹) Ί'·:. Ιι.Ί.Ν I f; I ι < ιΐιι.Ί zu οι ro I rlion .. !.Mc.·; orgibt die Möglichkeit für bestimmte Lastprioritäten, d.h. für einen Netzwerkfehler. Der Unterbrecher kann von Hand oder mit Hilfe eines äußeren Signals durch Schließen des Kontakts K rückgesetzt werden. Die Zeitschaltung TK ist zweckmäßigerweise als analoger RC-Kreis (Widerstand + Kondensator) ausgelegt, doch ist auch eine digitale Schaltungslösung mit Binärzähler möglich.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des elektronischen Stromunterbrechers gemäß Fig. 3.

Die Speisungsschaltung EK weist hier zwei Strompfade auf, von denen einer durch den Kollektor-Emitter-Pfad in einem ersten n-p-n-Transistor T1 und der zweite durch einen Widerstand R4 in Reihe mit dem Kollektor-Emitter-Pfad einen zweiten n-p-n-Transistors T2 gebildet werden. Die Kollektor-Emitter-Pfade der Transistoren T1 und T2 sind parallelgeschaltet. Der Widerstand R1, der mit den Emittern der Transistoren T1 und T-2 verbunden ist, entspricht dem Widerstand R in Fig. 2. Die Komparatorschaltung JF weist einen n-p-n-Transistor T3 auf, dessen Basis mit dem Widerstand R1 und dem Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren T1 und T2 verbunden ist. Ein Widerstand R2 liegt als Kollektorwiderstand am Transistor T3. Die Zeitschaltung TK enthält eine RC-Schaltung, die einen n-p-n-Transistor T6 und ein RC-Glied, das den Kondensator C und den Widerstand R3 zusammen mit einem Basiswiderstand R6 des Transistors T6 enthält, der zwischen dem Kondensator C und dem Widerstand R3 angeschlossen ist. Ein Tastkontakt K2 liegt zum Kondensator C parallel, wodurch dieser kurzgeschlossen werden kann. Die Halteschaltung HK enthält zwei Transistorkreise. Ein Kreis wird durch den n-p-n-Transistor T4 gebildet, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors T6 in der Zeitschaltung TK verbunden ist, während der Kollektor mit der Basis des Tran-

sistors T1 in der Speisungsschaltung in Verbindung steht. Der zweite Kreis enthält einen n-p-n-Transistor T5 und einen in der Speisungsschaltung EK enthaltenen Widerstand R5. Die Basis des Transistors T5 ist mit dem Kollektor des Transistors T6 und der Emitter (genauso wie der Emitter des Transistors T4) mit der -48 V-Klemme verbunden. Der Kollektor des Transistors T5 ist mit der O-V-Klemme über den Basiswiderstand R5 des Transistors T2 verbunden.

Im Normalzustand der Speisungseinrichtung fließt zum Kollektor des Transistors T1 ein Laststrom I, < I . Der Widerstandswert von R1 ist so dimensioniert, daß der Basis-Emitter-Spannungsabfall beim Laststrom I, kleiner als 0,7 V ist, so daß der Transistor T3 gesperrt ist. Außerdem wird der Widerstandswert von R2 so gewählt, daß ein hinreichender Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors TI erzielt wird und Transistor T1 dadurch vollständig leitend ist, so daß für den Laststrom zwischen Belastungsausgang und -48 V ein niederohrniger Strompfad besteht.

Wenn der Laststrom I, soweit steigt, daß I, > I wird, d.h. ein Überstrom auftritt, beispielsweise als Ergebnis eines Kurzschlusses, dann steigt der Spannungsabfall am Widerstand R1 auf über 0,7 V an, was für das Öffnen des Tran-' sistors T3 erforderlich ist. Transistor T3 beginnt dann, leitend zu werden, und es fließt ein Strom durch den Widerstand R2 und den Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors T3 nach - 48 V. Dies führt dazu, daß der Basisstrom zum Transistor T1 über den niederohmigen Pfad an -48 V abfließt und der Transistor T1 sperrt (das Potential am Punkt a wird negativ). Der Kurzschlußstrom wird dann durch den nun leitenden Transistor T2 (Basisstrom über den Widerstand R5) geleitet und durch Widerstand R4 begrenzt. Der Strom fließt nun auch von 0 V zum Kondensator C, über den Widerstand R3 in der Zeitsteuerschaltunq und durch den vollständig qeöfi-

neten Transistor T3 nach -48 V. Dadurch wird der Kondensator C geladen (Kontakt K2 ist offen). Nach einer bestimmten Zeitspanne At ist Kondensator C soweit aufgeladen, daß der Basis-Emitter-Spannungsabfall für den Transistor T6 0,7 V übersteigt und dieser Transistor zu leiten beginnt, was wiederum dazu führt, daß durch die Widerstände R7, R8 und den Transistor T5 Strom fließt, was einen weiteren Stromfluß von 0 V über den Widerstand R5, jedoch nun durch den Transistor T5, bedeutet. Der Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 10. T2 wird nun zu klein, so daß der Transistor sperrt. Dadurch kommt der elektronische Strombegrenzer in Wirkung, da der Laststrompfad durch die nicht leitenden Transistoren T1 und T2 blockiert worden ist. Der Strom durch den leitenden Transistor T5 ist durch den Widerstand R5 begrenzt. . '

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 enthält die Speisungsschaltung EK nur einen Transistor TI, der zusammen mit dem Widerstand R1 einen steuerbaren Strompfad für den Laststrom darstellt. Über den Widerstand R10 in der Schwellwertschaltung JF ist die Basis des Transistors T5 mit dem Kollektor des Transistors T1 und mit -48 V über den Widerstand R11 verbunden. Der Transistor T2, der Widerstand R4, der Transistor T5 und der Widerstand R5 (Fig. 4) sind entfallen. Wenn der Strom durch den Transistor TT anwächst, wird Transistor T3 leitend, während Transistor T1 gesperrt zu werden beginnt. Die Kollektorspannung am Transistor T1 steigt dadurch an, und durch den Widerstand R10 fließt Strom zur Basis des Transistors T3. Je mehr die Spannung am Kollektor von Transistor T1 ansteigt, umso stärker schließt dieser Transistor. Dadurch erhält man eine Verringerung des Kollektor-Emitter-Stroms des Transistors T1 , so daß ein Produkt V · I innerhalb des sicheren Arbeits-

C- .Lj C ■

bereichs des Transistors erhalten wird. Das Ergebnis ist eine Begrenzung des Kurzschlußstroms und der Kurzschlußleistung.

3 3 3 2 A 2 7

Fig. 5 zeigt den Verlauf des Kollektorstroms durch den Transistor T1 (Fig. 4) abhängig von der Zeit. Ein Normallaststrom fließt im Augenblick t = 0, z. B. ein Kollektorstrom von 5 A fließt durch den Transistor T1. Im Augenblick t - tO tritt in der Last ein Kurzschluß auf, und der Strom nimmt sprunghaft zu, wird jedoch durch die Speisungsschaltung auf einen vorgegebenen Wert, z. B. 8 A, begrenzt. Dies geschieht mit Hilfe des Strompfades R4 , T2 -jemäß Fig. 2. Im Ausfüh- . rungsbeispiel nach Fig. 6 wird der Kollektorstrom I abhängig von der Kollektorspannung auf einen Wert, der kleiner als I = 5 A ist, begrenzt (gestrichelte Linie).

Claims (2)

1. 'fit-

   PATENTANSPRÜCHE

   j—■—"—-■■ -.

   ( 1.)Elektronischer Stromunterbrecher, der in einem Gleichstromverteilungssystein enthalten ist und in Reihe mit einer Last an der Speisespannungsquelle des Systems liegt, um in Wirkung zu kommen, wenn der Laststrom durch den Unterbrecher nach einer bestimmten Zeit (4t) einen vorgegebenen Wert übersteigt, mit einer strombegrenzenden Speisungsschaltung (EK), die einen Laststrom (11) führt, einer Schwellwertschaltung (JF), die den Laststrom aufspürt und ein erstes Größenwertsignal abgibt, wenn der Laststrom (11) einen gegebenen definierten Wert (In) übersteigt, einer Zeitsteuerschaltung (TK), die durch den ersten Größenwert aktiviert wird, um nach der Zeit (4t) einen zweiten Größenwert zu ergeben,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Speisungsschaltung (EK) einen ersten steuerbaren Strompfad ■ (T1) für den Laststrom (11) und einen zweiten strombegrenzenden und steuerbaren Strompfad (R4, T2) aufweist, der parallel zum ersten Strompfad liegt, wobei der erste Strompfad durch den ersten Größenwert auf Nicht-Leitfähigkeit steuerbar ist, während gleichzeitig der zweite Strompfad zur Begrenzung des Laststroms leitfähig wird, und daß eine Halteschaltung (HK) durch den zweiten Größenwert auslösbar ist, um an die Speisungsschaltung (EK) einen dritten Größenwert abzugeben, wodurch beide Strompfade nichtleitend werden und damit der Laststrom unterbrochen ist.
2. 2. Unterbrecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisungsschaltung (EK) einen ersten Transistor (TI), dessen Kollektor-Emitter-Pfad den ersten steuerbaren Strompfad bildet und dessen Basis mit der Schwellwertschaltung (JF) verbunden ist, und einen zweiten Transistor (T2) ent-

   - Κ2 -

   hält, dessen Kollektor-Emitter-Pfad mit einem ersten Widerstand (R4) in Reihe den zweiten strombegrenzenden Strompfad bildet, während die Basis des zweiten Transistors (T2) über einen zweiten Widerstand (R5) mit einer Anschlußklemme der Speisespannungsquelle .verbunden ist, während der zweite Widerstand (R5) so dimensioniert ist, daß, wenn der Laststrom den Wert übersteigt und wenn der erste Transistor nicht-leitend wird, der zweite Transistor zur Begrenzung des Laststroms leitend wird. 10