DE3804074C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schutzeinrichtungen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Eine Schutzeinrichtung dieser Gattung ist bereits bekannt (EP-OS 02 50 158). Die Strombegrenzungseinrich­ tung besteht bei der bekannten Schutzeinrichtung aus einem festen ohmschen Widerstand, zu dem ein Transistor als einstell­ barer Widerstand parallel geschaltet ist. Die Emitter-Kollektor- Strecke eines bipolaren Transistors ist zu zwei in Serie angeordneten Widerständen parallel gelegt. Im Emitterkreis des Transistors ist ein weiterer Widerstand angeordnet, der vom gesamten in den Leistungswandler eingespeisten Strom durchflossen wird. Der weitere Widerstand ist an seinem nicht an den Emitter gelegten Anschluß über zwei in Serie angeordneten Dioden mit der Basis des Transistors verbunden, die weiterhin an eine vom Leistungswandler gespeiste Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist, die von einer Hilfswicklung des Transformators des Leistungswandlers mit Spannung versorgt wird. Der kapazitive Eingang des Leistungswandlers wird über den festen Widerstand mit einem durch den Widerstandswert in der Höhe begrenzten Strom aufgeladen, bis der Transistor durch einen Basistrom leitend gesteuert wird. Der Transistor gelangt allmählich in die Sättigung, so daß der überwiegende Teil des Stroms über den Transistor fließt. Wenn bei gesättigtem Transistor am Eingang der Schutzeinrichtung unerwünscht hohe Spannungen auftreten, erhöht der ansteigende Strom die Gegenkopplungsspannung im Emitterkreis des Transistors. Durch die hiermit verbundene Verkleinerung des Basis-Emitter-Potentials erhöht sich der Widertand der Emitter-Kollektor-Strecke, so daß der Emitterstrom wiederum abnimmt.

Der Strom wird deshalb auch bei der Nennspannung übersteigende Eingangsspannungen an der Schutzeinrichtung während des Betriebs des Leistungswandlers begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß die Aufladung des kapazitiven Eingangs des Leistungswandlers schneller auch bei unterhalb der Nennspannung liegenden Eingangsspannungen an der Schutzeinrichtung abläuft und der Leistungswandler vor unerwünscht hohen Spannungen am kapazitiven Eingang geschützt wird.

Die Aufgabe wird bei einer Schutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung, die neben dem einstellbaren Widerstand einen zu diesem parallel geschalteten festen Strombegrenzungs­ aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der einstellbare Widerstand Stellglied in einem Spannungs- und Stromregelkreis ist, daß der Istwert der Spannung von zumindest einem kapazitiven Element des Leistungswandles und der Istwert des Stroms von einem Shunt abgegriffen wird und daß dem Spannungsregelkreis der Stromregelkreis parallel geschaltet oder unterlagert ist (Variante gemäß Anspruch 1).

Der feste Strombegrenzungswiderstand kann sehr hochohmig ausgebildet werden, so daß der Ladestrom beim Aufschalten der Energiequelle auf einen gewünschten kleinen Wert begrenzt werden kann. Solange die Spannung am jeweiligen kapazitiven Element wie Kondensator unterhalb des eingestellten Spannungs­ sollwerts liegt, bewirkt der - unterlagerte oder vorzugsweise parallel geschaltete - Stromregelkreis das Fließen eines dem Stromsollwert entsprechenden Stroms im einstellbaren Widerstand. Der Kondensator wird deshalb nicht nur mit dem über den Ladestrombegrenzungswiderstand fließenden Strom aufgeladen, wodurch die Aufladung beschleunigt wird. Durch die Abstimmung zwischen dem Ladestrombegrenzungswiderstand und dem Stromsollwert kann ein gewünschter Stromverlauf erreicht werden.

Weiterhin wird die Aufgabe bei einer Schutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der einstellbare Widerstand Stellglied in einem Spannungs- und Stromregelkreis ist, daß der Istwert der Spannung von zumindest einem kapazitiven Element des Leistungswandlers und der Istwert des Stroms von einem Shunt abgegriffen wird, daß dem Spannungsregelkreis der Stromregelkreis parallel geschaltet oder unterlagert ist und daß die Spannungsversorgung für den Spannungs- und Stromregelkreis von der Eingangsspannung der Schutzeinrichtung gewonnen wird. Bei dieser Schutzeinrichtung können am Leistungswandler auch bei weit über der Sollspannung liegender Eingangsspannung an der Schutzschaltung durch einen entsprechend hohen Widerstandswert des einstellbaren Widerstands unerwünscht hohe Spannungen vermieden werden (Variante gemäß Anspruch 2).

Der Spannungssollwert kann vorzugsweise so hoch eingestellt werden, daß auch beim minimalen Wert des einstellbaren Widerstandes die maximale Nenneingangsspannung nicht ausreicht, damit am Kondensator der Spannungssollwert erreicht wird. Dann hat der einstellbare Widerstand bei der Nennein­ gangsspannung seinen geringsten Wert, wodurch die geringsten Stromwärmeverluste auftreten. Dies wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad des Leistungswandlers wie Netzgerät aus. Steigt die Eingangsspannung über die durch den Spannungssollwert vorgegebene Grenze an, dann verhindert der Regelkreis das Auftreten hoher unerwünschter Spannungen an den kapazitiven Elementen bzw. den nachgeschalteten Stromkreisen. Die Eingangsspannung kann daher z. B. die nach VDE bzw. VG-Richtlinien zulässigen Spitzenspannungen für die definierte Zeit annehmen, ohne daß an den dem Kondensator nachgeschalteten Stromkreisen, insbesondere den Halbleitern, unzulässig hohe Spannungen entstehen.

Der Wert des Ladestrombegrenzungswiderstands entspricht vorzugsweise dem Quotienten aus maximal zulässiger statischer Nenneingangsspannung und dem bei dieser Nenneingangsspannung fließenden Leerlaufstrom zum Leistungswandler.

Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß das kapazitive Element und ein Spannungssollwertgeber an eine Vergleichseinrichtung angeschlossen sind, der ein Regelverstärker nachgeschaltet ist, an den eine zusätzliche mit einem Stromist­ wertgeber verbundene Vergleichseinrichtung angeschlossen ist, der ein weiterer Regelverstärker nachgeschaltet ist, dessen Ausgang die Steuerelektrode eines das Stellglied bildenden Transistors speist, der in Reihe mit dem Shunt angeordnet ist.

In einer weiteren besonders hervorzuhebenden Ausführungsform, bei der die Schutzeinrichtung insbesondere bei autarkem Betrieb durch eine eigene Spannungsversorgung, die ihrerseits aus der Nenneingangsspannung gewonnen wird, versorgt wird, ist vorgesehen, daß die Schutzeinrichtung inaktiv geschaltet wird, um Leerlaufströme aus der Energiequelle bei dennoch bestehender Betriebsbereitschaft zu unterbinden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mit der kapazitiven Last ein Schaltregler für die Erzeugung einer geregelten Gleich­ spannung verbunden, der einen Transformator enthält, der mit einer Hilfswicklung zur Erzeugung der Betriebsspannung für die Regelverstärker im Regelkreis der Schutzeinrichtung versehen ist. Der Schaltregler, der einen üblichen Aufbau haben kann, tritt erst bei einer gewissen Mindestspannung an der kapazitiven Last in Funktion. Dies bedeutet, daß die Schutzeinrichtung bzw. der Regelkreis erst beim Arbeiten des Schaltreglers mit Betriebs­ spannung versorgt werden. In der ersten Zeit unmittelbar nach dem Anlegen der Nenneingangsspannung wie z. B. einer Netzwechselspannung bzw. Batteriespannung, bestimmt daher der Ladestrombegrenzungswiderstand den Aufladestrom des kapazitiven Elements wie Kondensator alleine. Erst wenn die Regelverstärker ihre Betriebsspannung erhalten haben, tritt der einstellbare Widerstand, d. h. der Transistor in Funktion.

In einer weiteren besonders hervorzuhebenden Ausführungsform kann die Schutzeinrichtung insbesondere bei autarkem Betrieb durch eine eigene Spannungsversorgung, die ihrerseits aus der Nenneingangsspannung gewonnen wird, versorgt werden. Bei autarkem Betrieb kann der Strombegrenzungswiderstand entfallen und mittels z. B. eines ferngesteuerten Ausschaltsignals kann das aktiver Filter inaktiv geschaltet werden, um Leerlaufströme aus der Energiequelle bei dennoch bestehender Betriebsbereitschaft zu unterbinden.

Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß die Spannungsistwertregelgröße (Stromistwertgröße) und ein Spannungssollwertgeber (Stromsollwertgeber) an Vergleichs­ einrichtungen angeschlossen sind, denen Regelverstärker nachgeschaltet sind, deren Ausgänge die Steuerelektrode des Transistors speisen. Der Spannungsistwert wird an dem kapazitiven Element und der Stromistwert am Shunt gemessen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Die Erfindung wird an Hand eines Leistungswandlers in Form eines Netzgerätes beschrieben.

Ein Netzgerät zur Erzeugung einer Gleichspannung enthält einen Gleichrichter (1), z.B. einen Doppelweggleichrichter, der mit seinen Wechselspannungseingängen (2), (3) von der Netzwechsel­ spannung gespeist wird. Der Gleichrichter (1) ist mit den Gleichspannungsausgängen (4), (5) an einen Ladestrom­ begrenzungswiderstand (6) und einem dazu in Reihe liegenden kapazitiven Element (10) gelegt. Parallel zu dem kapazitiven Element (10) ist eine Schaltstufe bestehend aus dem als Feldeffekttransistor ausgebildeten Schalttransistor (7) und dem Transformator (9) geschaltet, wobei das kapazitive Element (10) insbesondere zur Glättung und Energiespeicherung der gleichge­ richteten Netzwechselspannung verwendet wird. An die Sekundär­ wicklung (11) des Transformators (9) ist ein weiterer, nicht näher dargestellter Gleichrichter nebst Glättungseinrichtungen angeschlossen, der eine Last speist. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors (7) ist mit einer Steuer- und Regelschaltung (12) verbunden, die den Feldeffekttransistor (7) impulsdauer­ moduliert betätigt, um am Ausgang des Netzgerätes eine geregelte Gleichspannung zu erzeugen. Die Steuer- und Regelschaltung (12) bildet mit dem Transformator (9), dem Gleichrichter auf der Sekundärseite des Transformators (9) sowie mit den Glättungs­ mitteln und einem Spannungsistwertgeber einen Schaltregler.

Parallel zum Ladestrombegrenzungswiderstand (6) ist als einstellbarer Widerstand ein Transistor (13), vorzugsweise ein Feldeffekttransistor, in Reihe mit einem Stromfühler (einem Shunt) (14) angeordnet. Die Steuerelektrode des Transistors (13) ist mit dem Ausgang eines Regelverstärkers (15) verbunden, dessen Eingang an eine Vergleichseinrichtung (16) angeschlossen ist, die mit dem Stromfühler (14) und über einen Widerstand (17) mit dem Ausgang eines anderen Regelverstärkers (18) verbunden ist.

Weiterhin ist an die Vergleichseinrichtung (16) eine Spannungs­ begrenzungseinrichtung (19), z.B. Zener-Diode (19) ange­ schlossen. Der Regelverstärker (18) ist an seinem Eingang mit einer Vergleichseinrichtung (26) verbunden, an die ein Spannungssollwertgeber (20), z.B. eine Zener-Diode, und über einen Widerstand (21) die eine Elektrode (Bezugspunkt (32)) des kapazitiven Elements (10) angeschlossen ist.

Der Transformator (9) enthält eine Hilfswicklung (22), die in Reihe mit einer Diode (23) angeordnet ist, die einen Kondensator (24) speist, an dem die Betriebsspannung für die Regelverstärker (15), (18) abgegriffen wird. Der Kondensator (24) ist parallel zur Reihenschaltung der Hilfswicklung (22) und der Diode (23) angeordnet, und steht mit einer Elektrode mit dem Shunt (14) (Bezugszeichen (30)) und dem kapazitiven Element (10) (Bezugszeichen 31)) in Verbindung (Potential in dem Punkten (30) und (31) ist gleich).

Der Ladestrombegrenzungswiderstand (6) ist hochohmig ausgebildet. Er begrenzt den Einschalt- bzw. Aufschaltstrom der beim Anlegen der ihren maximal zulässigen Überspannungswert aufweisenden Netzwechselspannung. Durch die Aufladung des kapazitiven Elements (10) baut sich eine Spannung auf, die eine Grenze erreicht, ab der die Steuer- und Regelschaltung (12) jeweils in Funktion tritt, wobei der Schaltregler mittels des Feldeffekt­ transistors (7) zu arbeiten beginnt. Hierdurch werden auch die Regelverstärker (15), (18) über die Hilfswicklung (22), die Diode (23) und der Kondensator (24) mit Betriebsspannung versorgt.

Der Sollwert der Spannung an der Vergleichseinrichtung (26) entspricht der maximalen Nenneingangsspannung. Wenn der Regelverstärker (18) Betriebsspannung erhält, tritt an der Vergleichseinrichtung (26) daher eine hohe Regelabweichung auf, durch die der Regelverstärker (18) eine hohe Ausgangsgleich­ spannung erzeugt, die beispielsweise mittels des Widerstandes (17) und der Zenerdiode (19) so eingestellt wird, daß sie als Führungsgröße einem zulässigen Stromwert entspricht. Diese dem maximal zulässigen Stromwert entsprechende Spannung bewirkt über die Vergleichseinrichtung (16) und den Regelverstärker (15), daß der Transistor (13) aufgesteuert wird und den maximal zulässigen Stromsollwert in das kapazitive Element (10) und die nachgeschalteten Stromkreise geregelt einspeist. Dabei hat der Transistor (13) einen dem Stromsollwert entsprechenden Widerstand. Über den hochohmigen Ladestrombegrenzungswider­ stand (6) fließt bei arbeitendem Transistor (13) ein vernach­ lässigbar kleiner Strom.

Der Widerstand (21), der Spannungssollwertgeber (20), die Vergleichseinrichtung (28), der Regelverstärker (18), der Widerstand (17), die Zener-Diode (19), die Vergleichseinrichtung (16) und der Regelverstärker (15) sind Bestandteile des zuvor beschriebenen Regelkreises, der als Stellglied den Transistor (13) enthält und als Regelgröße die am Kondensator (10) abfallende Spannung bzw. den über den Shunt (14) fließenden Strom beeinflußt. Dieser Regelkreis (Bezugszeichen (28)) enthält einen Stromregelkreis (33) mit dem Transistor (13) als Stellglied, dem Stromfühler (14) als Stromistwertgeber, dem Regelverstärker (15) und der Vergleichseinrichtung (16) sowie einen Spannungs­ regelkreis (34) mit dem Spannungsfühler (21) als Spannungsist­ wertgeber, dem Regelverstärker (18) und der Vergleichseinrich­ tung (26). Der Strom- und Spannungsregelkreis (33) bzw. (34) können mit ihrem jeweiligen Ausgang auch direkt (parallel) auf das Stellglied (13) einwirken und nicht wie dargestellt.

Bei einer dynamischen Eingangsspannungserhöhung würde der in das kapazitive Element (10) und die nachgeschalteten Stromkreise fließende Strom ohne den Stromregelkreis (33) unbegrenzt ansteigen. lnfolge des Stromregelkreises (33) erhält jedoch der Transistor (13) bei ansteigender Eingangsspannung weniger Steuerstrom, wodurch sein Widerstand erhöht wird, d.h. der Stromsollwert bleibt erhalten, da der Spannungsistwert niedriger als der Spannungssollwert bleibt. Das heißt, daß der Spannungs­ regelkreis (34) nicht aktiv wird.

Bei noch weiter, noch über den eingestellten Spannungssollwert steigender Spannung am Eingang wird die am kapazitiven Element (10) abfallende Spannung geregelt, d.h. die nachge­ schalteten Stromkreise erhalten keine in gleicher Weise über die Eingangsspannung ansteigende Gleichspannung. Der Spannungs­ regelkreis (34) begrenzt die Spannung am kapazitiven Element (10) daher auf einen systemverträglichen Wert. Hohe Eingangs­ spannungen bewirken deshalb Spannungsabfälle am Strombegren­ zungswiderstand (6) und an dem diesem parallel geschalteten einstellbaren Widerstand (13). Daher kann das Netzgerät auch bei dynamischer Überspannung eine geregelte Ausgangsspannung durch gesicherte Funktionalität erzeugen.

Parallel zum kapazitiven Element (10) ist zweckmäßigerweise eine Spannungsbegrenzungsschaltung (27) angeordnet, deren Ansprechschwelle höher als der an der Vergleichseinrichtung (26) anstehende Spannungssollwert (20) ist. Diese Spannungsbe­ grenzungsschaltung (27) kann bei sehr hohen Eingangs­ spannungen und dem daraus resultierenden Strom über den Widerstand (6) bei statisch anliegender zu hoher Eingangs­ spannung und speziell im Leerlauf des Gerätes das kapazitive Element schützen. Es ist günstig, wenn der Wert des Ladestrombegrenzungswiderstandes dem Quotienten aus der Differenz der maximal zulässigen statischen Überspannung und dem Spannungssollwert am kapazitiven Element (10) und dem Leerlaufstrom des Leistungswandlers entspricht.

Claims (8)

1. Schutzeinrichtung für einen, einen kapazitiven Eingang aufweisenden Leistungswandler wie Netzgerät, Wechselrichter oder Gleichspannungswandler, der mit einer Energiequelle über eine, einen einstellbaren Widerstand aufweisende Strom­ begrenzungseinrichtung verbunden ist, deren Widerstands­ wert zum Schutz des Leistungswandlers in Abhängigkeit von der Differenz der am Eingang der Schutzeinrichtung anliegenden Spannung und der am kapazitiven Eingang des Leistungswandlers anstehenden Spannung verändert wird, wobei dem einstellbaren Widerstand ein fester Strombegrenzungs­ widerstand parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Widerstand (13) Stellglied in einem Spannungs- und Stromregelkreis (33, 34; 28) ist, daß der Istwert der Spannung von zumindest einem kapazitiven Element (10) des Leistungswandlers und der Istwert des Stroms von einem Shunt (14) abgegriffen wird und daß dem Spannungsregelkreis (34) der Stromregelkreis (33) parallel geschaltet oder unterlagert ist.

2. Schutzeinrichtung für einen, einen kapazitiven Eingang aufweisenden Leistungswandler wie Netzgerät, Wechselrichter oder Gleichspannungswandler, der mit einer Energiequelle über eine, einen einstellbaren Widerstand aufweisende Strom­ begrenzungseinrichtung verbunden ist, deren Widerstands­ wert zum Schutz des Leistungswandlers in Abhängigkeit von der Differenz der am Eingang der Schutzeinrichtung anlie­ genden Spannung und der am kapazitiven Eingang des Leistungswandlers anstehenden Spannung verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Widerstand (13) Stellglied in einem Spannungs- und Stromregelkreis (33, 34; 28) ist, daß der Istwert der Spannung von zumindest einem kapazitiven Element (10) des Leistungswandlers und der Istwert des Stroms von einem Shunt (14) abgegriffen wird, daß dem Spannungsregelkreis (34) der Strom­ regelkreis (33) parallel geschaltet oder unterlagert ist und daß die Spannungsversorgung für den Spannungs- und Stromregel­ kreis von der Eingangsspannung der Schutzeinrichtung gewonnen wird (22, 23, 24).

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des festen Strombegrenzungswider­ stands (6) dem Quotienten aus maximal zulässiger statischer Nenneingangsspannung und dem bei dieser Nenneingangs­ spannung fließenden Leerlaufstrom zum Leistungswandler entspricht.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des Spannungsregelkreises (34) auf den Wert der Nenneingangsspannung des Leistungswandlers eingestellt ist.

5. Schutzeinrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Element (10) und ein Spannungssollwert­ geber (20) an eine Vergleichseinrichtung (26) angeschlossen sind, der ein Regelverstärker (18) nachgeschaltet ist, an den eine zusätzliche mit einem Stromistwertgeber verbundene Vergleichseinrichtung (16) angeschlossen ist, der ein weiterer Regelverstärker (15) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang die Steuerelektrode eines das Stellglied bildenden Transisotors (13) speist, der in Reihe mit dem Shunt (14) angeordnet ist.

6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Regelverstärker (18) verstärkte Differenz zwischen Spannungssollwert (20) und Spannungsistwert (21) direkt auf das Stellglied (13) aufschaltbar ist.

7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mittels eines vorzugsweise fernge­ steuerten Schaltsignals inaktiv schaltbar ist.

8. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus der Eingangsspannung der Schutzeinrichtung gewonnene Spannungsversorgung (22, 23, 24) für den Spannungs- und Stromregelkreis (34; 33) vorgesehen ist.