DE3535864A1

DE3535864A1 - Strombegrenzungsschaltung

Info

Publication number: DE3535864A1
Application number: DE19853535864
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Freye
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1985-10-08
Filing date: 1985-10-08
Publication date: 1987-04-16
Also published as: DE3535864C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie deren Verwendung. Eine Strombegrenzungsschaltung dieser Art ist aus DE-AS 22 36 305 bekannt.

Bei der Strombegrenzungsschaltung gemäß DE-AS 22 36 305 wird der Spannungsabfall an dem in Serie zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters gelegenen Strommeßwiderstandes erfaßt und aufgrund des erfaßten Spannungsabfalls der Halbleiterschalter gesperrt. Ein Widerstand parallel zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters dient nur dazu einen Serienregler nach Auftreten eines Kurzschlußes wieder in den geregelten Zustand zu bringen. Aufgabe der Erfindung ist es die Strombegrenzungsschaltung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszugestalten, daß ein über die Strombegrenzungsschaltung betriebener Lastkreis sowohl bei kurzzeitigen Überspannungen als auch bei kurzzeitigen Überströmen wirksam geschützt ist. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.

Aus der DE-AS 11 52 480 ist es zwar bekannt bei einer Strombegrenzungsschaltung den Halbleiterschalter in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom im Sinne einer Laststrombegrenzung und in Abhängigkeit der am Halbleiterschalter stehenden Spannung so zu steuern, daß der Halbleiterschalter oberhalb einer bestimmten Last nichtleitend und unterhalb dieser Last selbsttätig leitend wird. Jedoch wird dort nicht der Stromanteil eines unmittelbar die Schaltstrecke des Halbleiterschalters überbrückenden Parallelwiderstandes erfaßt.

Die Erfindung besitzt folgende Vorteile:
Bei kapazitiven Lasten wird der Einschaltstrom wirksam begrenzt. Bei Verwendung als Strombegrenzungsschaltung zwischen einer Versorgungsspannungsquelle - Batterie oder Netz - und einem Schaltregler wird der Schaltreglereingang bei kurzzeitigen Transienten auf der Versorgungsspannung wirksam geschützt.

Netzschalter werden vor Stromüberlastungen geschützt. Unbeabsichtigtes Auslösen von Sicherungsautomaten während des Einchaltvorgangs wird vermieden. Die Schutzfunktion wird auch bei intermittierender Beanspruchung nicht unwirksam. Der Bauelementeaufwand ist sehr gering. Die Strombegrenzungsschaltung besitzt gute Regeleigenschaften und schnelle Reaktionszeiten. Es erfolgt durch die einfache Energieaufteilung auf Feldeffekttransistor und Parallelwiderstand eine optimale Bauteilenutzung.

Anhand der Figuren wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Stromlaufplan der Strombegrenzungsschaltung,

Fig. 2 ein Strom-/Spannungsdiagramm,

Fig. 3 eine Schaltungsvariante für verzögertes Einschalten des FET-Transistors,

Fig. 4 a und b Strom- und Spannungsverläufe für unverzögertes Einschalten einer TV-Stromversorgung,

Fig. 5 a den Einschaltstrom einer TV-Stromversorgung ohne Strombegrenzungsschaltung,

Fig. 5 b Stromverlauf für verzögertes Einschalten einer TV-Stromversorgung.

In Fig. 1 liegt die Strombegrenzungsschaltung gemäß der Erfindung zwischen einem Netzgleichrichter GL und einem Schaltregler SR mit Netzteil-Querkondensator CN. Die Drain-Source- Strecke des Feldeffekttransistors F liegt im Hauptstromkreis ebenso wie der ihr in Serie geschaltete Strommeßwiderstand R 2. Die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors F ist von einem Parallelwiderstand R 1 überbrückt. An den Strommeßwiderstand R 2 ist eine Stromauswerteschaltung SA angeschlossen. Sie besteht aus einem Bipolartransistor T, dessen Emitter an das netzgleichrichternahe Anschlußende des Strommeßwiderstandes R 2 angeschlossen ist und dessen Basis über einen Basisschutzwiderstand R 3 an das netzgleichrichterferne Anschlußende des Strommeßwiderstandes R 2 und damit an die Sourcelektrode des N-Kanal Feldeffekttransistor F angeschlossen ist. Die Source-Gate-Strecke des Feldeffekttransistors F ist mit einer Zenerdiode ZD überbrückt. Die Gateelektrode des Feldeffekttransistors F ist über den Widerstand R 5 an jene Verbindungsleitung zwischen Neztgleichrichter GL und Schaltregler SR angeschlossen, die nicht über die Drain- Source-Strecke des Feldeffekttransistors F führt. Der Zweck des Parallelwiderstandes R 1 ist es den Feldeffekttransistor bei hohen Energieimpulsen - Einschaltstrom bei kapazitiven Lasten, kurzzeitige Transienten auf der Versorgungsspannung UV - zu entlasten, d. h. im Extremfall vollständig zu sperren. Die Dimensionierung des Parallelwiderstandes R 1 erfolgt mit Hilfe der SOA (SAFE OPERATING AREA) - Transistorkennwerte so, daß bei jeder möglichen Drain-Source-Spannung maximal der nach den SOA-Kennwerten des Transistors zulässige Drain- Strom erreicht wird. Wird der SOA-Bereich überschritten, wird der Spannungsabfall am Strommeßwiderstand R 2 so groß, daß der Bipolartransistor T vollständig durchschaltet. Dies bewirkt, daß das GateSource-Potential zu U _GS = 0 wird und der Feldeffekttransistor F vollständig sperrt. Der gesamte Strom J fließt dann über den Parallelwiderstand R 1. Innerhalb des SOA-Bereiches übernimmt der Feldeffekttransistor F den Stromanteil Die im Begrenzungsfall auftretende Stromverteilung auf Parallelwiderstand R 1 und Feldeffekttransistor F ist aus Fig. 2 ersichtlich. Im unteren Spannungsbereich fließt der Strom J allein über Feldeffekttransistor F. Bei 100 V fließen gleiche Stromanteile von J über den Feldeffekttransistor F und den Parallelwiderstand R 1.Ab 200 V sperrt der Feldeffekttransistor F und der Strom J fließt nur nochüber den Parallelwiderstand R 1.Die Widerstände sind in diesem Beispiel folgendermaßen dimensioniert:

R 1 = 33 Ohm; R 2 = 0,1 Ohm,
R 3 = 68 Ohm; R 4 = 1 MOhm

Die Widerstände R 1 und R 2 bestehen aus impulsfesten Drahtwiderständen.

Im normalen Betriebszustand ist der Feldeffekttransistor F leitend. Der Spannungsabfall am Transistor F ist sehr klein und beträgt Beim Einschalten der Netzspannung wird F in der unverzögerten Schaltungsvariante gemäß Fig. 1 ebenfalls praktisch unverzögert eingeschaltet. Durch den gegenüber dem Nennwert des Verbrauchers stark überhöhten Aufladestromes der Kapazität CN wird dabei der Strom über F als Folge der Stromauswertung an R 2 auf den Wert U _BE/R 2 begrenzt. Mit der Begrenzung des Stromes an F gelangt der Transistor F in den aktiven Bereich und seine Drain-Source-Spannung steigt an. Die ansteigende Spannung U _DS bewirkt einen ansteigenden Strom über den Parallelwiderstand, so daß sich die Stromaufteilung zwischen F und R 1 mit zunehmender U _DS ändert. Über einen weiten Bereich von U _DS hat die sich ändernde Stromaufteilung keinen Einfluß auf den Gesamtstrom J. Wird jedoch der mit R 1 und R 2 einstellbare Regelbereich von F überschritten, so sperrt F vollständig. In diesem Betriebszustand wird der Verbraucher ausschließlich über R 1 gespeist. Abhängig von der Leistungsfähigkeit des Transistors wird dieser Betriebsbereich in der Regel nur bei kurzzeitigen Transienten hoher Amplitude erreicht.

Das Zuschalten des Feldeffekttransistors F kann durch ein Verzögerungsglied - Kondensator C 1/Widerstand R 4 - verzögert erfolgen (Schaltungsvariante, Fig. 3). Dabei muß jedoch auf eine schnelle Entladung des Querkondensators CN nach einer Netzabschaltung geachtet werden, um eine kurze Wiederbereitschaftszeit zu erreichen. Zu diesem Zweck ist dem Kondensator CN ein PTC-Widerstand parallel geschaltet. Die Strombegrenzung ist vom Verzögerungsglied C 1/R 4 entkoppelt, da sonst Spannungsüberhöhungen zur Zerstörung des Feldeffekttransistors F und der Zenerdiode ZD führen würden.

Die Fig. 4 a, b und 5 b zeigen gemessene Strom- und Spannungsverläufe der Strombegrenzungsschaltung für eine Wechselspannung von 255 V. In Fig. 4 a ist der Drain-Source-Strom J _DS und in Fig. 4 b die DrainSource-Spannung U _DS des Feldeffekttransistors F dargestellt. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, wird für die ersten beiden Strom- Halbperioden der Strom begrenzt (abgekappte Spitzen). Ab der dritten Halbperiode ist der Feldeffekttransistor F voll durchgeschaltet (U _DS ≈ 0). In Fig. 5 a ist der Einschaltstrom für eine TV-Stromversorgung ohne Strombegrenzungsschaltung dargestellt. Es tritt eine Stromnadel von 140 A im µs-Bereich auf. Mit anlaufverzögerter Strombegrenzung - Kondensator C 1 = µF - ist der Einschaltstrom auf 6 A begrenzt (Fig. 5 b).

Claims

1. Strombegrenzungsschaltung bestehend aus:
- einem elektronischen Halbleiterschalter F, dessesn Schaltstrecke von einem Parallelwiderstand (R 1)e überbrückt ist und zu der ein Strommeßwiderstand (R 2) in Serie geschaltet ist,
- einer an den Strommeßwiderstand (R 2) angeschlossenen Stromauswerteschaltung (SA) zur Steuerung des elektronischen Halbleiterschalters (F),
dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Halbleiterschalter (F) ein Feldeffekttransistor ist und daß der Parallelwiderstand (R 1), über den bei gesperrtem Halbleiterschalter (F) der gesamte Laststrom fließt, derart mit der Stromauswerteschaltung (SA) verbunden ist, daß sein Stromanteil mitausgewertet wird.

2. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand (R 1) ein impulsfester Drahtwiderstand ist, welcher so dimensioniert ist, daß die Stromauswerteschaltung (SA) den Feldeffekttransistor (F) gegen eine Überlastung schützt.

3. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verzögerungsglied (C 1, R 4) vorgesehen ist, welches das Einschalten des Feldeffekttransistors (F) verzögert.