DE3419652A1 - Schaltungsanordnung zum schutz von transienten netzstoerungen von elektronischen stromversorgungseinrichtungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum schutz von transienten netzstoerungen von elektronischen stromversorgungseinrichtungenInfo
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Description
Siemens Aktiengesellschaft . Unser Zeichen
Berlin und München VPA g^ ρ \ 3 9 3 [}£
Schaltungsanordnung zum Schutz von transienten Netzstörungen von elektronischen Stromversorgungseinrichtungen.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz von transi$nten Netzstörungen von elektronischen
Stromversorgungseinrichtungen mit Ladekondensator, wie
ζ. B. Gleichumrichter und mit.nachgeschalteten Varistoren
zum Überspannungsschutz und unter Verwendung einer Schaltung zum Unterdrücken von Einschaltstromspitzen,
die aus einer in Reihe zum Ladekondensator liegenden Parallelschaltung aus Ohmschen Widerstand und Diode
besteht.
Im Niederspannungsnetz können durch Blitzeinwirkungen oder durch Ein- und Ausschalten von Motoren oder anderen
unzureichend entstörten Verbrauchern transiente Netzstörungen mit Amplituden von einigen 1000 V und Steilheiten
von mehreren 100 V pro Nanosekunde auftreten. Ohne ausreichende Schutzeinrichtungen können diese
Überspannungen zu Zerstörungen oder zumindest zu Beeinträchtigungen
der Funktionssicherheit von Datenverarbeitungsanlagen führen.
Zur Begrenzung transienter Netzstörungen werden bei Schaltnetzteilen entsprechend dem Stand der Technik wie er in der
als Überspannungsschutzelemente Varistoren verwendet. Die noch verbleibende Überspannung wird von den dem
Netζgleichrichter nachgeschalteten Speicherkondensator
abgebaut. Da diese Kondensatoren zum Zweck langer Speicherzeit eine große Kapazität besitzen müssen, ergeben
sich die bekannten Nachteile wie sehr großer Nachladestrom, die eine Verklirrung des Netzes und
Zk 1 FdI/ 16. 5. 1984 »Zeitschrift Nachrichtenelektronik u.TeIemetik
37 (1983),H.4,S.164 u.165 beschrieben ist.
einen schlechten cos /verursachen.
Aus der DPS 32 09 754 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die die bekannten Nachteile, wie großer Nachladestrom,
Netzverklirrung und niedriger cos/vermeidet.
Sie besteht aus einer dem Ladekondensator einer Stromversorgungsanlage
vorgeschalteten Parallelschaltung aus Ohmschen Widerstand und Diode .
Da jedoch der Kondensator über den Widerstand an der gleichgerichteten Spannung liegt, können transiente
Netzstörungen trotz einer Varistorschutz einrichtung nach dem bekannten Stand der Technik zu einer Beeinträchtigung
der Funktionssicherheit der nachfolgenden Stromversorgung führen.
Der Grund hierfür liegt zum einen in den großen Toleranzen der Ansprechspannung des Varistors - der Spannungsanstieg
im varistorgeschützten Stromkreis hängt von dem über den Varistor fließenden Strom ab - und zum anderen
darin, daß die Steilheit der transienten Netzstörung durch das zwecks Funkentstörung der Stromversorgung
notwendige Netzeingangsfilter auf einige Volt pro Mikro-Sekunde begrenzt wird, wodurch sich der Nichtlinearitätskoeffizient
des Varistors negativ auf die dynamische Verzögerung der Schutzeinrichtung bemerkbar macht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
zu schaffen, die bei Stromversorgungsanlagen mit einer Anordnung zur Unterdrückung von Einschaltstromspitzen
nach DPS 32 09 754 einen sicheren Schutz vor
transienten Netzstörungen gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß parallel
aus ohmschen",Widerstand und Diode
zur Parallelschaltung/ein Schalter liegt, der abhängig
von einem in einer Meßschaltung festgestellten Überspannungswert schließbar und nach Abklingen der Überspannung
wieder offenbar ist.
5
5
Durch diese Maßnahmen wird eine Schaltungsanordnung geschaffen, bei der die durch Einsatz von Anordnungen zur
Unterdrückung von Einschaltstromspitzen nach D-PS 32 09 bei Stromversorgungen auftretende Gefahr der Beeinträchtigung
der Funktionssicherheit beseitigt wird.
In Weiterbildung der Erfindung kann dem Ladekondensator
eine Unterspannungserkennungsschaltung nachgeschaltet sein, die ein Einschalten der Stromversorgung solange
verhindert, bis die Spannung am Ladekondensator einen Minimalwert unterschreitet und bei der eine Verriegelungsschaltung die Meßschaltung erst freigibt, wenn die
Stromversorgung eingeschaltet ist.
Die Meßschaltung kann dabei aus einer Reihenschaltung von mindestens einer Zenerdiode oder einer Avalanchediode
und eines Ohmschen Spannungsteilers bestehen, wobei als Schalter ein Thyristor verwendet ist, der
über einen Metalloxydfeldtransistor, dessen
Torelektrode am Abgriff des Spannungsteilers liegt, gesteuert ist.
Dadurch wird der Überspannungsschutz erst wirksam, wenn die Stromversorgung arbeitet.
·
Zwischen Steuerelektrode und Anode des Thyristors kann außerdem eine Parallelschaltung aus Ohmschen Widerstand
und Kondensator angeordnet sein.
Damit wird ein ungewolltes Einschalten des Thyristors infolge induktiver und kapazitiver Einstreuungen verhindert
.
'U- VPA 84 P 1 3 9 3 DE
Die Unterspannungseinrichtung läßt sich dabei ebenfalls
aus einer Reihenschaltung von mindestens einer Zener- oder einer Avalanchediode und einem Ohmschen
Spannungsteiler ausbilden, an dessen Abgriff die Torschaltung eines weiteren Metalloxydfeldeffektransistors
liegt, dessen Quellenelektrode mit einem die Stromversorgung betätigenden Optokoppler verbunden ist.
Die Verriegelungsschaltung besteht aus einem Spitzenwertgleichrichter,
der mit der Torschaltung eines dritten Metallox.ydfeldeff ekttransistors verbunden ist. Der
Eingang der Verriegelungsschaltung ist mit der RCD-Schutzbeschaltung
eines Schalttransistors der Stromversorgung und der Ausgang mit der Torelektrode
des ersten Metalloxydfeldeffekttransistors verbunden.
Anhand der Schaltungsanordnungen nach den FIG 1 bis und 5 bis 6 sowie des Diagramms nach FIG 4 wird die
Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
FIG 1 die aus der deutschen Patentschrift 32 09 754
bekannte Anordnung zum Unterdrücken von Einschaltstromspitzen in einem Versorgungsnetz, bei
der zusätzlich ein Varistor eingeschaltet ist, FIG 2 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach
der Erfindung,
FIG 3 eine konkrete Ausführung des Meß- und Schaltteils, FIG 4 ein Stromspannungsdiagramm,
FIG 5 ein detailliertes Schaltbild der Verriegelungsschaltung,
FIG 6 ein detailliertes Schaltbild der Unterspannungserkennungs e inri chtung.
■
VPA J34 P 1 3 93 DE
Eine Anordnung, wie sie in der deutschen Patentschrift 32 09 754 beschrieben ist, zeigt FIG 1. Der Eingang der
Gleichrichteranordnung 1 ist mit einem Versorgungsnetz verbunden, welches beispielsweise mit einer Eingangswechselspannung
U^ beaufschlagt ist. Der Ausgang der Gleichrichteranordnung 1 ist über den Gleichspannungsleiter
7 und dem Bezugspotentialleiter 8 mit einem nicht dargestellten Verbraucher, beispielsweise
einem für Stromversorgungszwecke geeigneten Schaltnetzteil
verbunden. Die Gleichspannung der Gleichrichteranordnung ist mit UG bezeichnet. Die Eingangswechselspannung
kann beispielsweise einem Drehstromnetz ohne Mittelpunkt entnommen werden. Der Gleichspannungsleiter
7 ist über einen Ladezweig, in welchem ein Ohmscher Widerstand 3 liegt und einem Entladezweig, in welchem
eine Diode 4 liegt, mit einem als Kondensator 2 ausgebildeten Energiespeicher verbunden. Dieser ist mit dem
Bezugspotentialleiter 8 verbunden. Die Durchlaßrichtung der Diode 4 verläuft vom Energiespeicher 2 zum Gleich-Spannungsleiter
7.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung besteht darin, daß bei Überstrom am Widerstand 3 eine Spannung abfällt, die
sonst die im Durchlaßbereich gesteuerte Diode 4 sperrt. Dadurch dient der Widerstand 3 als Begrenzungswiderstand
für im Netz auftretende Stromspitzen.
Das Schaltprinzip nach der Erfindung ist in FIG 2 gezeigt.
Die durch das nicht dargestellte Netzeingangsfilter in ihrer Steilheit begrenzte Überspannung wird von der Meßeinrichtung
M erfaßt. Der Schalter S liegt parallel zum Widerstand R und der Diode D, die zur Unterdrückung von
Einschaltstromspitzen dienen. Beim Auftreten transienter Netzstörungen wird der Schalter S geschlossen, der Kondensator
C an die Gleichspannung U6 gelegt und die Überspannung abgebaut. Nach Abklingen der transienten Netzstörung
wird der Schalter S wieder geöffnet, und die Vor-
■i- ' VPA 84 P 1 3 9 JDE
teile der aus der deutschen Patentschrift 32 09 754
bekannten Schaltung sind wieder voll gewährleistet.
In einigen Anwendungsfällen kann es sinnvoll sein, daß der Überspannungsschutz erst dann wirksam wird, wenn
die Stromversorgung arbeitet, da Resonanzen im Netzeingangsfilter bei Anlegen der Netzspannung ein Überschwingen
der Gleichspannung bewirken können. Durch dieses Überschwingen arbeitet in diesem Fall der Thyristor
S auf eine nur gering aufgeladene Kondensatorbatterie C.
Aufgrund des großen Ladestroms können die Überstromsieherungselemente
der Datenverarbeitungsanlage ansprechen. Mit dem Zusatzschaltkreis V wird dies verhindert.
Der Schaltkreis U (Unterspannungserkennung) verhindert, daß die Stromversorgung eingeschaltet werden kann, bevor
die Spannung am Kondensator C einen bestimmen minimalen Wert erreicht hat.
FIG 3 zeigt eine detaillierte Ausführungsform der
Schaltung nach FIG 2. Die Meßeinrichtung M besteht aus den Avalanche-Dioden V1, V2 und den Widerständen R1, R2.
Da diese Dioden einen größeren Nichtlinearitätskoeffizienten als Varistoren besitzen, baut sich über den
Widerstand R2 bei Erreichen der Durchbruchsspannung der
Dioden V1 und V2 nahezu verzögerungsfrei eine Spannung in der Höhe der Schwellenspannung des Feldeffekttransistors
V4 auf. Dieser wird leitend und der als Thyristor ausgebildete Schalter S gezündet. Im Kondensator
C wird die Überspannung als zusätzliche Energie gespeichert und so der weitere Anstieg der Überspannung
verhindert. Ist die Überspannung abgeklungen, ,sperrt der Feldeffekttransistor V4 und der Kondensator C arbeitet
wieder als Energiespeicher für den Fall einer Netzunterbrechung.
Da die Erfassung der Überspannung durch die Verwendung
von Zener- oder Avalanche-Dioden und eines Feldeffekt-
-J- VPA 84 P 1 3 9 3 DE
transistors nahezu verzögerungsfrei erfolgt, hängt die dynamische Verzögerung nur von der Zündverzugszeit
des verwendeten Thyristors ab. Bei Verwendung eines geeigneten Thyristors beträgt diese einige MikroSekunden.
5
Da die Steilheit der Überspannung im Eingangsfilter auf einige Volt pro MikroSekunde begrenzt wird, läßt sich
durch die Schaltungsanordnung ein Überspannungsschutz mit nahezu idealer Kennlinie erreichen.
Wird der Arbeitspunkt der Avalanche-Dioden V1 und V2 derart gewählt, daß nur eine geringe Eigenerwärmung der
Dioden stattfindet, so läßt sich ohne aufwendige Maßnahmen eine gute Temperaturstabilität der Schaltungs-
anordnung erreichen.
-Das RC-Glied R4, C1 verhindert ein ungewolltes Einschalten
des Thyristors S infolge induktiver und kapazitiver Einstreuung auf die Steuerleitung. Die Dioden
V3 und V5 schützen entsprechend dem Stand der Technik den Feldeffekttransistor V4.
FIG 4 zeigt die typischen Kennlinien herkömmlicher Überspannungsschutzelemente
im Vergleich zur Schaltung nach der Erfindung. Dabei ist die Durchbruchsspannung über
dem Strom dargestellt. D zeigt die Kennlinie der üblichen Überspannungsableiter, C die der Varistoren, A die der idealenKennlinie
und B stellt die Kennlinie der Schaltung nach der Erfindung dar. Man erkennt, daß die Stromspannungskennlinie
sich fast der Idealform angenähert hat.
FIG 5 zeigt eine Ausführungsform der Verriegelungsschaltung
V. Die Stromversorgung SV ist nur insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Funktionsweise notwendig
ist. Ss wird dabei von einem Schaltnetzteil ausgegangen mit dem Schalttransistor T sowie der RCD-Schutzbeschaltung
. 40-
-yß- VPA 84 P t 3 9 3 DE
- mit dem Ohmschen Widerstand R1O der Diode V12 und dem
Kondensator C3, die, wie allgemein bekannt, Ein- und Ausgangselektroden des Transistors überbrücken. Kern
der Verriegelungsschaltung ist ein Spitzenwertgleichrichter, bestehend aus der Gleichrichterdiode V6, dem
Ausgangskondensator C2, dem ein Ohmscher Widerstand R5 in Reihe geschaltet ist sowie dem Spannungsteiler,
bestehend aus den Widerständen R6 und R7. Am Abgriff des Spannungsteilers liegt die Torelektrode eines weiteren
Metalloxydfeldeffekttransistors V7» dessen Senkenelektrode mit der Torelektrode des Metalloxydfeldeffekttransistors
V4 der Schaltung nach FIG 3 verbunden ist. Die Verbindungspunkte sind dabei mit A
gekennzeichnet. Sie besteht wiederum aus einer Meßeinrichtung M1, die ähnlich wie die Meßeinrichtung M
der Schaltung für den Überspannungsschutz entspricht. Sie besteht aus zwei in Reihe geschalteten Zener- oder
Avalanchjiioden V8, V9 sowie einem Spannungsteiler,
bestehend aus den Ohmschen Widerständen R8 und R9. Am Abgriff des Spannungsteilers liegt wiederum die Torelektrode
eines Metallox dfeldeffekttransistors V11.
Die Torelektrode ist außerdem über die Diode V10 vor Überspannung geschützt. Die Senkenelektrode ist mit
dem Optokoppler H und einem in Reihe zu ihm geschalteten Ohmschen Widerstand 10 verbunden, so daß die Freigabe
der nachgeschalteten Stromversorgung SV, in der sich wieder das Schaltnetzteil mit den unterschiedlichen
Gleichstromausgängen befindet, potentialfrei freigegeben wird.
5 FIGUREN
6 Patentansprüche
Lee-44-.,β-
Claims (5)
- VPA 84 P 13 9 3 DEPatentansprüche( .1 »JSchaltungsanordnung zum Schutz von transienten Netzstörungen von elektronischen Stromversorgungseinrichtungen mit Ladekondensator, wie z. B. Gleichumrichter und mit nachgeschalteten Varistoren zum Überspannungsschutz und unter Verwendung einer Schaltung zum Unterdrücken von Einschaltstromspitzen, die aus einer in Reihe zum Ladekondensator(C)liegenden Parallelschaltung aus Ohmschen Widerstand(R)und Diode (D) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Parallelschaltung (R, D) ein Schalter (S) liegt, der abhängig von einem in einer Meßschaltung (M) festgestellten Überspannungswert schließbar und nach Abklingen der Überspannung wieder offenbar ist.
- 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß; dem Ladekondensator (C) eine Unterspannungserkennungsschaltung (U) nachgeschaltet ist, die ein Einschalten der Stromversorgung (SV) verhindert, solange die Spannung am Ladekondensator (C) einenund
Minimalwert unterschreitet, /daß eine Verriegelungsschaltung(V) die Meßschaltung (M) erst freigibt, wenn die Stromversorgung (SV) eingeschaltet ist. - 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die Meßschaltung aus einer Reihenschaltung von mindestens einer Zener- oder Avalanchediode (V1, V2) und einem Ohmschen Spannungsteiler (R1, R2) besteht,daß als Schalter (S) ein Thyristor verwendet ist, der über einen Metallox ]dfeldeffekttransistor (¥4), dessen Torelektrode am Abgriff des Spannungsteilers (R1, R2) liegt, gesteuert ist.·*· VPA 84 P 1 393DE
- 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steuerelektrode und Anode des Thyristors eine Parallelschaltung aus Ohmschem Widerstand R4 und Kondensator C1 angeordnet ist.
- 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterspannungserkennungseinrichtung (U) ebenfalls aus einer Reihenschaltung von mindestens einer Zener- oder Avalanchediode (V8, V9) und einem Ohmschen Spannungsteiler (R8, R9) besteht, an dessen Abgriff die Torschaltung eines weiteren Metalloxydfeldeffektortransistors (V11) liegt ! und dessen Quellenelektrode mit einem die Stromversorgungj 15 (SV) betätigenden Optokoppler (H) verbunden ist.! .6· Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch) gekennzeichnet, daß die Verriegelungsschaltung (V) aus einem Spitzenwertgleichrichter (V6, R5, C2, R6, R7), der mit der Torschaltung eines dritten Metalloxydfeldeffekttransistors (V7) verbunden ist, besteht und daß der Eingang der Verriegelungsschaltung (V) mit der RCD-Schutzbeschaltung eines Schalttransistors der Stromversorgung und der Ausgang mit der Torelektrode des ersten Metalloxydfeldeffekttransistors (V4) verbunden ist.30
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DE19843419652 DE3419652A1 (de) | 1984-05-25 | 1984-05-25 | Schaltungsanordnung zum schutz von transienten netzstoerungen von elektronischen stromversorgungseinrichtungen |
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DE19843419652 DE3419652A1 (de) | 1984-05-25 | 1984-05-25 | Schaltungsanordnung zum schutz von transienten netzstoerungen von elektronischen stromversorgungseinrichtungen |
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DE3419652A1 true DE3419652A1 (de) | 1985-11-28 |
DE3419652C2 DE3419652C2 (de) | 1990-06-13 |
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