DE3829705A1 - Ueberspannungsschutzeinrichtung fuer eine elektronikschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutz­ einrichtung für eine Elektronikschaltung gemäß dem Ober­ begriff des einzigen Anspruchs.

Eine solche Überspannungsschutzeinrichtung ist aus O. Kilgenstein, Schaltnetzteile in der Praxis, Vogel- Buchverlag, Würzburg, 1986, Seite 271 in Verbindung mit Seite 115 bis 121 bekannt. Anwendungsgebiete sind insbe­ sondere Netzgeräte und andere vergleichbare Leistungs­ elektronikschaltungen.

Konventionelle Netzgeräte zur Stromversorgung von elek­ tronischen Schaltungen enthalten einen Netztransformator zur Potentialtrennung und Spannungsanpassung. Eine Se­ kundärwicklung dieses Netztransformators speist über einen Gleichrichter mit nachgeschaltetem hochkapazitivem Elektrolytkondensator die elektronische Schaltung. Die große Kapazität des Kondensators verhindert in Verbin­ dung mit dem ohmschen Innenwiderstand des Transformators und mit dessen Streuinduktivität, daß Spannungsspitzen der Netzspannung zu einem nennenswerten Anstieg der Gleichspannung führen.

Primärgetaktete Netzgeräte enthalten keinen Netztrans­ formator mehr. Die Netzwechselspannung wird gleichge­ richtet und mit einem Elektrolytkondensator mäßiger Ka­ pazität geglättet. Ein oder mehrere Transistoren zerhac­ ken die resultierende Gleichspannung, so daß zur Poten­ tialtrennung und Spannungsanpassung dank der hohen ver­ wendeten Taktfrequenz ein Übertrager dienen kann, der wesentlich kleiner ist als ein Netztransformator glei­ cher Leistung.

Da bei primärgetakteten Netzgeräten zwischen dem Netz und dem Elektrolytkondensator der relativ hohe ohmsch­ induktive Innenwiderstand eines Transformators fehlt, führen Spannungsspitzen der Netzwechselspannung relativ schnell zu einer gefährlichen Überladung des Glättungs­ kondensators. Eine daraus resultierende zu hohe Konden­ satorspannung gefährdet sowohl den Kondensator selbst als auch den oder die nachfolgenden Transistoren der Elektronikschaltung.

Nach VDE 0160 können gelegentlich Netzspannungsspitzen vom 2,3-fachen Wert des Nennscheitelwertes der Netzwech­ selspannung auftreten. Will man deren Einfluß auf die Gleichspannung begrenzen, so ist mindestens ein Strombe­ grenzungswiderstand in die Netzeinspeisung des Netzgerä­ tes einzufügen. Nur bei Netzgeräten relativ kleiner Lei­ stung ist es sinnvoll, allein durch ausreichend große ohmsche und kapazitive Werte die Überhöhung der Konden­ satorspannung genügend zu begrenzen. Darüberhinaus sind Begrenzungselemente notwendig.

Die Problematik besteht darin, Begrenzungselemente mit genügender Stoßstromfestigkeit bei gleichzeitig ausrei­ chend niedrigem differentiellem Widerstand zu finden. Die folgenden bekannten Begrenzungselemente erweisen sich als ungeeignet: Metalloxid-Varistoren (spannungsab­ hängige Widerstände) und Zenerdioden (in Sperrichtung betriebene Dioden mit ausgeprägtem Lawineneffekt).

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, eine Überspannungsschutzeinrichtung für eine Elek­ tronikschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe auftretende Spannungsspitzen der Netz­ wechselspannung auf ungefährliche Werte der Betriebs­ gleichspannung begrenzt werden.

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

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß ab einem bestimmten Grenzwert der Netzspannungsspitze der Halbleiterschalter über seine Steuerschaltung geöffnet wird, wodurch der Einschalt­ strom-Begrenzungswiderstand in Reihe zur Elektronik­ schaltung geschaltet wird und sich hierdurch eine Redu­ zierung der Netzüberspannung auf einen ungefährlichen Wert ergibt. Die meisten Komponenten der Schaltung, wie Einschaltstrom-Begrenzungswiderstand und Halbleiter­ schalter mit Steuerschaltung, sind bereits für die Be­ grenzung des Einschaltstromes notwendig, so daß der bau­ teilseitige Mehraufwand für den zusätzlichen Überspan­ nungsschutz gering ist. Es kann somit eine preisgünsti­ ge, platzsparende Schaltung zur Erfüllung der VDE 0160 erstellt werden. Es ergibt sich auch aufgrund des An­ sprechens der Überspannungsschutzeinrichtung auf Netz­ spannungsspitzen keine Betriebsstörung, z.B. keine Ab­ schaltung des Gerätes.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

In der einzigen Figur ist eine Überspannungsschutzein­ richtung dargestellt. Zwischen Netzanschlußklemmen 1, 2 liegt die Netzwechselspannung U an. Die erste Wechsel­ spannungsklemme eines Gleichrichters 3 ist über einen Schalter S mit der Netzanschlußklemme 1 verbunden, wäh­ rend die zweite Wechselspannungsklemme des Gleichrich­ ters direkt an der Netzanschlußklemme 2 liegt. Die erste Gleichspannungsklemme des Gleichrichters 3 ist an Masse angeschlossen, während die zweite Gleichspannungsklemme des Gleichrichters mit einem Einschaltstrom-Begrenzungs­ widerstand 4 und einem parallel hierzu angeordneten Halbleiterschalter 5 verbunden ist. Die weiteren, mit­ einander verbundenen Anschlüsse des Widerstandes 4 und des Halbleiterschalters 5 führen über eine Stromerfas­ sungseinrichtung 6 zu den positiven Anschlußklemmen ei­ nes Glättungskondensators (Ladekondensator) 7 und einer Elektronikschaltung 8, z.B. eines Sperrwandlers, Durch­ flußwandlers oder Gegentaktwandlers. Die negativen Klem­ men des Glättungskondensators 7 und der Elektronikschal­ tung 8 liegen jeweils an Masse. Zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 5 ist eine Steuerschaltung 9 vorge­ sehen, die mit einer (z.B. aus der positiven Gleichspan­ nung abgeleiteten) Hilfsspannung UH1 sowie mit Aus­ schaltsignalen A eines Grenzwertkomparators 10 beauf­ schlagbar ist. Dabei liegt dem Grenzwertkomparator 10 die Signalspannung US von der Stromerfassungseinrichtung 6 sowie eine Referenzspannung Uref an. Die Referenzspan­ nung Uref wird mit Hilfe eines Referenzspannungsbildners 11 aus der Hilfsspannung UH1 gebildet (z.B. unter Ein­ satz einer Zenerdiode). Dabei sind die Stromerfassungs­ einrichtung 6 und die Referenzspannung Uref so auszuwäh­ len bzw. einzustellen, daß die von der Stromerfassungs­ einrichtung 6 abgegebene Signalspannung US bei Normalbe­ trieb stets unterhalb des Wertes der Referenzspannung Uref bleibt, jedoch den Wert der Referenzspannung Uref beim Auftreten einer Netzüberspannung bzw. Netzspan­ nungsspitze überschreitet.

In der vorstehend beschriebenen Schaltung wird die Zeit­ konstante des Einschaltstrom-Begrenzungswiderstandes 4 und des Glättungskondensators 7 zur Begrenzung der am Glättungskondensator 7 bzw. an der Elektronikschaltung 8 anstehenden Verbrauchereingangsspannung UB herangezogen. Die Schaltung erfüllt demnach zwei Aufgaben: Sie be­ grenzt einerseits den Einschaltstrom und sie dient ande­ rereits zum Schutz vor Netzüberspannungen bzw. Netzspan­ nungsspitzen.

Nach dem Schließen des Schalters S ergibt sich über den Gleichrichter 3 und den geschlossenen Halbleiterschalter 5 ein relativ hoher Primärladestrom I zur Aufladung des Glättungskondensators 7. Die Stromerfassungseinrichtung 6 ermittelt den entsprechenden Stromwert und wandelt ihn in die korrespondierende Signalspannung US zur Übermitt­ lung an den Grenzwertkomparator 10 um. Der Grenzwertkom­ parator 10 vergleicht die Signalspannung US mit der Re­ ferenzspannung Uref. Der Grenzwertkomparator 10 gibt ein Ausschaltsignal A an die Steuerschaltung 9 ab, wenn die Signalspannung US die Referenzspannung Uref überschrei­ tet. Daraufhin wird der Halbleiterschalter 5 durch die Steuerschaltung 9 gesperrt (geöffnet). Infolgedessen fließt der Primärladestrom I über den parallel zum Halb­ leiterschalter 5 angeordneten Einschaltstrom-Begren­ zungswiderstand 4 zum Glättungskondensator 7 bzw. zur Elektronikschaltung 8. Durch diese ohmsche Begrenzung sinkt der Primärladestrom I auf einen Wert unterhalb des durch den Grenzwertkomparator 10 festgelegten Schwell­ wertes.

Während des Normalbetriebes der Elektronikschaltung 8 ist der Halbleiterschalter 5 geschlossen, d.h. es ergibt sich ein Primärladestrom I vom Gleichrichter 3 über den Halbleiterschalter 5 zur Elektronikschaltung 8. Beim Auftreten einer Netzüberspannung bzw. Netzspannungs­ spitze zwischen den Netzanschlußklemmen 1, 2 steigt der Strom I kurzzeitig über den von der Referenzspannung Uref festgelegten Schwellwert an, so daß der Grenzwert­ komparator 10 folglich ein Ausschaltsignal A an die Steuerschaltung 9 abgibt. Hierdurch wird der Halbleiter­ schalter 5 kurzzeitig geöffnet und die Netzspannungs­ spitze bzw. der damit auch verbundene erhöhte Primärla­ destrom I werden über den Einschaltstrom-Begrenzungswi­ derstand 4 auf ungefährliche Werte herabgesetzt.

Claims (1)

1. Überspannungsschutzeinrichtung für eine Elektronik­ schaltung, deren Betriebsgleichspannung über einen Gleichrichter, einen Einschaltstrom-Begrenzungswider­ stand mit parallelgeschaltetem Halbleiterschalter und einen Glättungskondensator direkt aus der Netzwechsel­ spannung gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromerfassungseinrichtung (6) zwischen der Parallel­ schaltung aus Einschaltstrom-Begrenzungswiderstand (4)/Halbleiterschalter (5) und dem Glättungskondensator (7) vorgesehen ist und daß ein Grenzwertkomparator (10) zum Vergleich der von der Stromerfassungseinrichtung (6) abgegebenen Signalspannung (US) mit einer Referenzspan­ nung (Uref) dient, wobei der Grenzwertkomparator (10) ein Ausschaltsignal (A) an eine Steuerschaltung (9) für den Halbleiterschalter (5) abgibt, wenn die Signalspan­ nung (US) die Referenzspannung (Uref) überschreitet.