DE3806288C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutzein­ richtung für eine Einspeiseschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Überspannungsschutzeinrichtung ist aus der DE 32 09 186 A1 und aus O. Kilgenstein, Schaltnetzteile in der Praxis, Vogel-Buchverlag, Würzburg, 1986, Seiten 9 bis 13, 115 bis 121, 271, 361, 362 bekannt. Anwendungsgebiete sind inbesondere Netzgeräte und andere vergleichbare Lei­ stungselektronikschaltungen.

Konventionelle Netzgeräte zur Stromversorgung von elektro­ nischen Schaltungen enthalten einen Netztransformator zur Potentialtrennung und Spannungsanpassung. Eine Sekundär­ wicklung dieses Netztransformators speist über einen Gleich­ richter mit nachgeschaltetem hochkapazitivem Elektrolytkon­ densator die elektronische Schaltung. Die große Kapazität des Kondensators verhindert, in Verbindung mit dem ohmschen Innenwiderstand des Transformators und mit dessen Streuin­ duktivität, daß Spannungsspitzen der Netzspannung zu einem nennenswerten Anstieg der Gleichspannung führen.

Primärgetaktete Netzgeräte enthalten keinen Netztransforma­ tor mehr. Die Netzwechselspannung wird gleichgerichtet und mit einem Elektrolytkondensator mäßiger Kapazität geglät­ tet. Ein oder mehrere Transistoren zerhacken die resultie­ rende Gleichspannung, so daß zur Potentialtrennung und Spannungsanpassung dank der hohen verwendeten Frequenz ein Übertrager dienen kann, der wesentlich kleiner ist als ein Netztransformator gleicher Leistung.

Da bei primärgetakteten Netzgeräten zwischen dem Netz und dem Elektrolytkondensator der relativ hohe ohmsch-induktive Innenwiderstand eines Transformators fehlt, führen Span­ nungsspitzen der Netzwechselspannung relativ schnell zu ei­ ner gefährlichen Überladung des Glättungskondensators. Eine daraus resultierende zu hohe Kondensatorspannung gefährdet sowohl den Kondensator selbst als auch den oder die nach­ folgenden Transistoren.

Nach VDE 0160 können gelegentlich Netzspannungsspitzen vom 2,3-fachen Wert des Nennscheitelwertes der Netzwechselspan­ nung auftreten. Will man deren Einfluß auf die Gleichspan­ nung begrenzen, so ist mindestens ein Strombegrenzungswi­ derstand in die Netzeinspeisung des Netzgerätes einzufügen. Nur bei Netzgeräten relativ kleiner Leistung ist es sinn­ voll, allein durch ausreichend große ohmsche und kapazitive Werte die Überhöhung der Kondensatorspannung genügend zu begrenzen. Darüberhinaus sind Begrenzungselemente notwen­ dig.

Die Problematik besteht darin, Begrenzungselemente mit ge­ nügender Stoßstromfestigkeit bei gleichzeitig ausreichend niedrigem differentiellem Widerstand zu finden. Die folgen­ den bekannten Begrenzungselemente erweisen sich als unge­ eignet: Metalloxid-Varistoren (spannungsabhängige Wider­ stände) und Zenerdioden (in Sperrichtung betriebene Dioden mit ausgeprägtem Lawineneffekt).

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzeinrichtung für eine Einspeise­ schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe auftretende Spannungsspitzen der Netzwechselspannung auf ungefährliche Werte der Betriebsgleichspannung begrenzt werden.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß ab einem bestimmten Grenzwert der Netz­ spannungsspitze (= Summe aus dem Schwellwert des Referenze­ lementes und der Ansprechspannung des Zündelementes) das elektronische Schaltelement (Triac oder Thyristor) mit Hilfe des Referenzelementes getriggert wird, wodurch der Ballastwiderstand in Reihe zum Strombegrenzungswiderstand geschaltet wird und sich eine Spannungsteilung ergibt. Als Referenzelement dient vorteilhaft ein Begrenzungselement, das die Überspannung erkennt und das elektronische Schalte­ lement mit mäßigem Strom zündet. Das Begrenzungselement muß also vorteilhaft nicht selbst die Netzspannungsspitze be­ grenzen, so daß eine ausreichende Stoßstromfestigkeit nicht zu berücksichtigen ist. Je nach dem gewählten ohmschen Wi­ derstandsverhältnis zwischen Strombegrenzungswiderstand und Ballastwiderstand gelangt nur noch eine Teilspannung der Netzspannungsspitze (die Hälfte oder weniger) zum Gleich­ richter bzw. zum Glättungskondensator. Der entstehende hohe Querstrom durch den Strombegrenzungswiderstand und den Bal­ lastwiderstand dauert maximal eine Netzhalbperiode, so daß weder der Strombegrenzungswiderstand, der Ballastwider­ stand, noch eine vorgeschaltete Schmelzsicherung Schaden nehmen. Es ergibt sich folglich aufgrund des Ansprechens der Überspannungsschutzeinrichtung auf Netzspannungsspitzen keine Betriebsstörung (z. B. Abschaltung des Gerätes).

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Überspannungsschutzeinrichtung unter Einbe­ ziehung eines Gleichrichters,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Netzwechselspannung.

In Fig. 1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung unter Einbeziehung eines Gleichrichters dargestellt. Zwischen zwei Netzanschlußklemmen 1, 2 liegt die Netzwechselspannung U an. Ein niederohmiger Strombegrenzungswiderstand 3 ist zwischen Netzspannungsanschlußklemme 1 und Wechselspan­ nungsanschluß 11 eines Gleichrichters 13 angeordnet. Als Strombegrenzungswiderstand kann auch eine Drossel mit nicht vernachlässigbarem Kupferwiderstand eingesetzt werden. Ein erster Thyristor 30 liegt einerseits am Verbindungspunkt von Netzspannungsanschlußklemme 2 und Wechselspannungsan­ schluß 12, andererseits über einem Ballastwiderstand 32 am Verbindungspunkt von negativem Gleichspannungsanschluß 16 und negativem Gleichspannungsausgang 33 des Gleichrichters 13. Ein zweiter Thyristor 31 liegt zwischen dem Wechsel­ spannungsanschluß 11 und dem Verbindungspunkt von Ballast­ widerstand 32 und Thyristor 30. Der positive Gleichspan­ nungsausgang 34 des Gleichrichters 13 ist über eine Diode 35 mit dem positiven Gleichspannungsanschluß 15 verbunden. Ein Referenzelement 36 (Zenerdiode) ist zwischen dem posi­ tiven Gleichspannungseingang 34 des Gleichrichters 13 und dem gemeinsamen Verbindungspunkt eines Bürdenwiderstandes 37, eines Kondensators 38 und eines Zündelementes (Diac) 39 angeordnet. Das Zündelement 39 dient zur Zündimpulsverstär­ kung. Der Widerstand 37 und der Kondensator 38 liegen ande­ rerseits am Verbindungspunkt der Thyristoren 30, 31 mit dem Ballastwiderstand 32. Das Zündelement 39 liegt andererseits über dem Widerstand 40 an der Steuerelektrode des Thyri­ stors 30 und über dem Widerstand 41 an der Steuerelektrode des Thyristors 31.

Mit der positiven bzw. negativen Klemme des zwischen 15 und 16 angeordneten Glättungskondensators 14 ist der positive bzw. negative Gleichspannungsanschluß für die nachgeschal­ tete Elektronikschaltung (z. B. Sperrwandler, Durchflußwand­ ler, Gegentaktwandler, etc., siehe z. B. O. Kilgenstein, Schaltnetzteile in der Praxis, Vogel-Buchverlag, Würzburg, 1986, Seiten 9 bis 13) verbunden. Die beschriebene Schal­ tung dient zur Speisung und zum Schutz der Elektronikschal­ tung vor Netzspannungsspitzen.

Bei der Überspannungsschutzeinrichtung ist der Gleichrich­ ter 13 in das Schutzkonzept selbst einbezogen. Der der be­ schriebenen Schaltung zugrundeliegende Gedanke besteht darin, daß die elektronischen Schaltelemente 30, 31 den Ballastwiderstand 32 zwischen die Wechselspannungsan­ schlüsse 11 und 12 des Gleichrichters 13 schalten, wenn eine Netzspannungsspitze an den Klemmen 1 und 2 die Span­ nung am Glättungskondensator 14 und damit auch die Augen­ blicksspannung an den Anschlüssen 11 und 12 des Gleichrich­ ters über einen gewissen Grenzwert anhebt. Der für den Rest der Netzhalbperiode eingeschaltete Ballastwiderstand 32 bildet mit dem Strombegrenzungswiderstand 3 einen Span­ nungsteiler. Das Teilerverhältnis ist so zu wählen, daß die Teilerspannung unter der Gefahrengrenze bleibt. Der ohmsche Widerstandswert des Ballastwiderstandes 32 ist kleiner oder gleich dem ohmschen Widerstandswert des Strombegrenzungswi­ derstandes 3.

Mit dem Einschalten der elektronischen Schaltelemente fällt bei geeigneter Wahl der Werte für die Widerstände 3 und 32 die Spannung an den Anschlüssen 11 und 12 soweit ab (= Teilspannung), daß der Gleichrichter 13 stromlos wird und die Gleichspannung am Glättungskondensator 14 nicht weiter steigt, sondern zu fallen beginnt. Der Grenzwert hängt im wesentlichen von der Schwellspannung (Referenz­ spannung) des Referenzelementes 36 ab, die bei einer Netz­ spannung von 220 V beispielsweise die Höhe von ca. 350 V aufweisen soll. Zu berücksichtigen ist noch die Ansprech­ spannung des Zündelementes 39, beispielsweise eines Diacs mit 35 V. Die Summe dieser beiden Spannungen beträgt somit 385 V. Dieser Spannungswert liegt einerseits genügend ober­ halb des normalen Nennscheitelwertes Û der Netzwechselspan­ nung (220 V · = 311 V) und entspricht andererseits der höchstzulässigen Betriebsspannung von Elektrolytkondensato­ ren, die als Glättungskondensatoren 14 eingesetzt werden können.

Die Bauelemente 38, 39, 40, 41 liefern in bekannter Weise einen definierten Zündimpuls an die Steuerelektroden der elektronischen Schaltelemente 30, 31, während der Wider­ stand 37 eine Bürde für das Referenzelement 36 bildet, denn dessen Referenzspannung gilt nur für einen bestimmten Ar­ beitsstrom.

Die Überlastung des Strombegrenzungswiderstandes 3, des Ballastwiderstandes 32, der elektronischen Schaltelemente und gegebenenfalls einer vorgeschalteten, nicht eingezeich­ neten Schmelzsicherung in einer der Netzzuleitungen ist zeitlich begrenzt, denn beim nächsten Nulldurchgang der Netzspannung gehen die elektronischen Schaltelemente wieder in den gesperrten Zustand über bzw. verlöschen. Die elek­ tronischen Schalter sind somit je nach Lage der Netzspan­ nungsspitze in Bezug zur Netzwechselspannung für maximal eine Netzhalbperiode eingeschaltet und es entsteht kein Schaden (z. B. durch Schmelzen einer Sicherung).

Die Überspannungsschutzeinrichtung ist auch bei Einsatz von Thyristoren mit sehr langer Freiwerdezeit frei vom Risiko, daß ein gezündeter Thyristor beim nächsten Nulldurchgang der Netzspannung nicht in den gesperrten Zustand übergeht.

Allgemein ergibt sich als Vorteil der Überspannungsschutz­ einrichtung, daß die Zündeinrichtung für die elektronischen Schalter nur für eine Spannungspolarität - und nicht für beide Spannungspolaritäten - ausgestaltet sein muß.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Netzwechselspan­ nung U dargestellt. Der Nennscheitelwert ist mit Û bezeich­ net. Zum Zeitpunkt t1 tritt eine Netzspannungsspitze mit dem Wert 2,3 Û auf. Die Summe aus der Feldspannung (Refe­ renzspannung) des Referenzelementes und der Ansprechspan­ nung des Zündelementes ist mit UA bezeichnet. Da 2,3 Û den Wert UA überschreitet, wird der elektronische Schalter zum Zeitpunkt t1 gezündet. Die dem Gleichrichter zugeführte, durch den Spannungsteiler 3/32 gebildete Teilspannung UT ist gestrichelt eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t2 (Nulldurch­ gang der Netzwechselspannung) verlöscht das elektronische Schaltelement wieder.

Claims (5)

1. Überspannungsschutzeinrichtung für eine Einspeise­ schaltung, deren Betriebsgleichspannung über einen nie­ derohmigen Strombegrenzungswiderstand und einen Gleichrich­ ter mit nachgeschaltetem Glättungskondensator direkt aus der Netzwechselspannung gewonnen wird, dadurch gekennzeich­ net, daß ein erstes elektronisches Schaltelement (31) mit­ dem der ersten Netzanschlußklemme (1) abgewandten Anschluß des Strombegrenzungswiderstandes (3) und ein zweites elek­ tronisches Schaltelement (30) mit der zweiten Netzanschluß­ klemme (2) verbunden sind, daß die beiden elektronischen Schaltelemente (30, 31) - vorzugsweise Thyristoren - ande­ rerseits zusammengeschaltet sind und über einen niederohmi­ gen Ballastwiderstand (32) an einem Gleichspannungsausgang (33) des Gleichrichters (13) liegen und daß die Steuerelek­ troden der elektronischen Schaltelemente (30, 31) mit einem die Spannung am Glättungskondensator (14) abtastenden Refe­ renzelement (36) verbunden sind.

2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement (36) in Reihe mit einer Widerstands-Kondensator-Parallelschaltung (37, 38) und dem Ballastwiderstand (32) zwischen Gleichspan­ nungsausgängen (33, 34) des Gleichrichters (13) liegt und die Steuerelektroden der elektronischen Schaltelemente (30, 31) am gemeinsamen Verbindungspunkt von Referenzele­ ment (36), Widerstand (37) und Kondensator (38) angreifen.

3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zenerdiode als Referenzelement (36) dient.

4. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zündele­ ment (39) - vorzugsweise ein Diac - zwischen Referenzele­ ment (36) und den Steuerelektroden der elektronischen Schaltelemente (30, 31) vor­ gesehen ist.

5. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstandswert des Ballastwiderstandes (32) kleiner oder gleich dem ohmschen Widerstandswert des Strombegrenzungswi­ derstandes (3) ist.