DE3926352C2

DE3926352C2 - Schaltungsanordnung mit einer den Speisestrom begrenzenden Schutzeinrichtung

Info

Publication number: DE3926352C2
Application number: DE3926352A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Taubmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2009-08-10
Also published as: DE3926352A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wie im Oberbegriff des Pa tentanspruches 1 angegebene Schaltungsanordnung. Dabei ist unter einem Einschaltpotential ein Potential zu verstehen, das den Transistor in den leitenden Zustand steuert.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus der DE-PS 15 13 057 bekannt.

Die bekannte Schaltungsanordnung enthält in einem Speisestrom pfad einen Meßwiderstand und einen Stelltransistor, der durch einen Steuertransistor gesteuert wird. Der Stelltransistor schützt einen Verbraucher vor Überstrom, indem er im Überlast fall die Betriebsspannung selbsttätig abschaltet. In einem Quer zweig der Schaltungsanordnung ist ein aus einem Kaltleiter und einem Widerstand bestehender Spannungsteiler angeordnet. Die Ba sis des Steuertransistors ist mit dem Abgriff dieses Spannungs teilers verbunden. Im Emitter-Basiskreis des Steuertransistors ist die Summe der Spannungsabfälle am Meßwiderstand und am Kalt leiter als Steuerspannung wirksam. Der Kaltleiter ist mit dem Stelltransistor wärmeleitend verbunden. Steigt die Temperatur über den Ansprechwert des Kaltleiters an, so wird der Steuer transistor durchgeschaltet und der Stelltransistor gesperrt. Nach und nach stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein.

Die bekannte Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß sie ohne einen großen Kühlkörper für den Stelltransistor auskommt und daß andere Bauteile nicht unnötig aufgeheizt werden. Außerdem wird in batteriebetriebenen Geräten eine nutzlose Entladung der Stromquelle verhindert. Allerdings ist außer einem zusätzlichen Steuertransistor ein im Lastkreis angeordneter Meßwiderstand er forderlich, dessen Spannungsabfall sich insbesondere bei kleinen Speisespannungen nachteilig auswirken kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wie im Oberbegriff des Pa tentanspruches 1 angegebene Schaltungsanordnug zu schaffen, die es gestattet, die Stromaufnahme von elektrischen Verbrauchern im Fehlerfall zu begrenzen, die außerdem nach Behebung des Feh lers wieder voll betriebsfähig ist und die mit einem möglichst geringem Spannungsabfall im Speisekreis auskommt, wobei der Feh lerfall insbesondere der Fall eines Kurzschlusses ist. Insbeson dere soll die Schaltungsanordnung für eine möglichst verlustarme Speisung von Verbrauchern mit vergleichsweise geringer Speise spannung geeignet sein. Gegebenenfalls soll die Stromaufnahme sowohl statisch als auch dynamisch begrenzt werden.

Gemäß der Erfindung wird die Schaltungsanordnung zur Lösung die ser Aufgabe in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgebildet. Dabei ergibt sich, daß der Kaltleiter die Größe des in die Basis des Transistors eingepräg ten Basisstromes unmittelbar bestimmt.

Im Normalbetrieb befindet sich der Transistor, der als einziges Schaltelement der Schaltungsanordnung im Lastkreis liegt, im Be reich der Spannungssättigung. Durch die erfindungsgemäßen Maß nahmen ergibt sich der Vorteil, daß die Schaltungsanordnung bei Normalbetrieb einen besonders kleinen Spannungsabfall im Speise kreis hervorruft, so daß die anteilige Verlustleistung auch bei niedrigen Versorgungsspannungen besonders gering gehalten werden kann.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der Weiterbildung nach Anspruch 2 dient in einfach reali sierbarer Weise als Quelle für das Einschaltpotential der andere der beiden Speisestrompfade.

Die Maßnahme nach Anspruch 3 hat den Vorteil, daß sich die Schaltungsanordnung bei Verwendung handelsüblicher Kaltleiter durch Wahl eines entsprechenden ohmschen Serienwiderstandes auf den jeweils gewünschten Grenzwert der Strombegrenzung einstellen läßt.

Insbesondere kann mittels der Maßnahmen nach Anspruch 4 der bei Kurzschließen des Verbrauchers fließende Speisestrom auf ein vorgegebenes Vielfaches des Nennstromes festgelegt werden.

Entsprechend Anspruch 5 kann man den Grenzwert der Strombegren zung mit Hilfe eines einstellbaren Widerstandes wählen, der ins besondere ein abgleichbarer Widerstand ist.

Die Maßnahmen nach Anspruch 7 haben der Vorteil, daß zusätzlich zur statischen Strombegrenzung auch eine dynamische Strombegren zung wirksam ist, so daß beim Stecken einer die Schaltungsanord nung enthaltenden Baugruppe die Anstiegsgeschwindigkeit des Speisestromes begrenzt wird. Insbesondere kann eine Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit auf Werte erzielt werden, bei denen Störungen in weiteren, aus der gleichen Speisequelle gespeisten Baugruppen sicher vermieden werden.

Die Kipptemperatur des Kaltleiters wird zweckmäßigerweise in der in Anspruch 10 angegebenen Weise gewählt.

Die Schaltungsanordnung ist in besonderer Weise für eine Kurz schluß- und Einschaltstrombegrenzung in elektronische Baugruppen der Nachrichtentechnik, Meßtechnik oder dergleichen geeignet.

Die Erfindung wird anhand des in der Figur dargestellten Ausfüh rungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Speisung des elek trischen Verbrauchers 8 mit einem Speisestrom. Der Verbraucher 8, der aus dem ohmschen Widerstand 82 und dem dazu parallel ge schalteten Kondensator 81 besteht, ist auf der einen Seite über den Speisestrompfad a und auf der anderen Seite über den Speise strompfad b an die Speisequelle 1 angeschlossen. Der Kondensator 81 ist insbesondere ein Siebkondensator.

Im Speisestrompfad a liegt die Emitter-Kollektorstrecke des bi polaren Transistors 3. Der Transistor 3, der vom Typ PNP ist, ist mit seinem Emitter an den Pluspol der Speisequelle 1 ange schlossen. Zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 3 liegt der Widerstand 4. Die Basis des Transistors 3 ist ferner über die aus dem ohmschen Widerstand 5 und dem Kaltleiter 7 be stehende, im Stromzweig c liegende Serienschaltung an den Spei sestrompfad b geführt. Dabei ist der ohmsche Widerstand 5 mit der Basis des Transistors 3 und der Kaltleiter 7 mit dem Speise strompfad b verbunden. Parallel zur Serienschaltung der Wider stände 4 und 5 liegt der Kondensator 6.

Über den Widerstand 5 und den dazu in Serie angeordneten Kalt leiter 7 wird ein Basisstrom in die Basis des Transistors 3 ein geprägt. Die aus dem Widerstand 5 und dem Kaltleiter 7 bestehen de Serienschaltung ist so bemessen, daß im Falle eines Kurz schlusses des Verbrauchers 8 der Eingangsstrom I_E auf den dop pelten Wert des Nennstromes steigt.

Im Normalbetrieb besteht der Verbraucher 8 - vorzugsweise der Speiseeingang einer elektronischen Baugruppe - aus dem ohmschen Widerstand 82 und dem dazu parallel geschalteten Kondensator 81. Der Transistor 3 gelangt wegen des eingeprägten Basisstromes in den Bereich der Spannungssättigung. Dabei nimmt die Kollektor- Emitterspannung Werte an, wie sie den jeweiligen Datenblättern des verwendeten Transistors 3 zu entnehmen sind. Typische Werte hierfür sind bei einem Verbraucherstrom von beispielsweise 1 A Spannungswerte der Spannung U_CESat von ungefähr 0,1 . . . 0,2 V. Dieser niedrige Spannungsabfall ist insbesondere dann von Vor teil, wenn der Verbaucher 8 mit einer vergleichsweise niedrigen Spannung zu versorgen ist, insbesondere bei der Speisung von di gitalen Schaltkreisen.

Der Kaltleiter 7 ist mit dem Gehäuse des Transistors 3 thermisch gekoppelt. Steigt in Folge der Kurzschlußleistung im Transistor 3 dessen Gehäusetemperatur auf die Kipptemperatur des Kaltlei ters 7 an, so steigt der Widerstand des Kaltleiters 7 um einige Größenordnungen an und verringert den dem Transistor 3 zugeführ ten Basisstrom. Über die Stromverstärkung B des Transistors 3 verknüpft, vermindert sich infolgedessen der durch die Emitter- Kollektorstrecke des Transistors 3 fließende Kurzschlußstrom. Bei Erreichen des thermischen Gleichgewichtes zwischen der Ge häusetemperatur des Transistors 3 und der Kipptemperatur des Kaltleiters 7 verharrt die Schaltung in diesem Zustand, bis der Kurzschluß behoben ist. Der Transistor 3 ist daher wirksam gegen Überlastung geschützt.

Da die Kipptemperaturen von Kaltleitern relativ eng toleriert und deren Höhe in weiten Grenzen wählbar sind, kann die Schal tungsanordnung durch geeignete Wahl des Kaltleiters 7 für die jeweils geforderte Temperatur der Baugruppe ausgelegt werden, in der sie untergebracht ist.

Der Kondensator 6 hat die Aufgabe, beim Stecken der Baugruppe die Geschwindigkeit des Stromanstieges im Speisekreis auf Werte zu begrenzen, bei denen Störungen in benachbarten, aus der glei chen Speisequelle gespeisten Baugruppen sicher vermieden werden. Beim Ziehen der die Schaltungsanordnung enthaltenden Baugruppe wird der Kondensator 6 über die Widerstände 4 und 5 entladen, so daß beim Wiedereinstecken der Baugruppe der Anstieg des Stromes nicht sprungartig, sondern weich erfolgt. Die Stromaufnahme wird daher sowohl statisch als auch dynamisch begrenzt, insbesondere auf höchstens den doppelten Nennstrom. Nach Behebung des Fehlers beziehungsweise Kurzschlusses ist die Schaltungsanordnung wieder voll betriebsfähig. Die Schaltungsanordnung bildet somit eine zerstörungsfreie elektronische Sicherung.

Der Kaltleiter 7 ist vorzugsweise konstruktiv so ausgebildet, daß er in einfacher Weise auf dem Gehäuse des Transistors 3, insbe sondere mittels einer Befestigungsschraube des Transistors be festigt werden kann.

Im folgenden wird eine zweckmäßige Bemessung der Schaltungsan ordnung angegeben. Dabei sind die Werte der Widerstände 4 und 5 mit R4 und R5 sowie der Widerstandswert der aus Widerstand 5 und Kaltleiter 7 bestehenden Serienschaltung mit R5, 7 bezeichnet.

Die Serienschaltung aus ohmschem Widerstand 5 und Kaltleiter 7 ist hinsichtlich des Widerstandes, den sie bei Normaltemperatur hat, derart bemessen, daß in den Verbraucher 8 höchstens der doppelte Nennstrom fließen kann.

Der Maximalwert des Eingangsstromes I_Emax ergibt sich aufgrund der Gleichstromverstärkung B des Transistors 3 zu

I_Emax = B × I_B,

wobei I_B der Basisstrom des Transistors 3 ist.

Die Eingangsspannung beträgt

U_E = 5 V

und die Basis-Emitterspannung des Transistors 3

U_BE = 0,7 V.

Der Nennstrom beträgt

I_N = 1 A.

Der Speisestrom I soll auf maximal 2 A begrenzt werden. Die Gleichstromverstärkung beträgt B=50.

Der in die Basis des Transistors 3 einzuprägende Basisstrom er gibt sich zu

I_B = 2 A/50 = 40 mA.

Der Widerstand der Serienschaltung aus dem Widerstand 5 und dem Kaltleiter 7 beträgt

R_5,7 = 4,3 V/40 mA = 108.

Der Kondensator 6 sorgt in vorteilhafter Weise für ein weiches Ansteigen des Stromes beim Verbinden der Schaltunganordnung mit der Speisequelle 1. Wäre dieser Kondensator 6 unmittelbar an die Basis-Emitterstrecke des Transistors 3 angeschlossen, so würde er während eines kurzzeitigen Kurzschlusses am Ausgang, der zum Beispiel während eines Durchschlages im Kondensator 81 auftritt, die Spannung an der Basis-Emitterstrecke des Transistors 3 kon stant halten, so daß der Strom I sehr große Werte annehmen könn te. Der Widerstand 5 bewirkt hinsichtlich der durch den Konden sator 6 gebildeten Stromquelle eine Stromeinprägung und gewähr leistet somit, daß sich der Kondensator 5 nicht in der genannten Weise nachteilig auf die dynamische Strombegrenzung auswirken kann.

Der Widerstand 5 bietet somit in vorteilhafter Weise nicht nur eine Einstellmöglichkeit für den Widerstandswert des Stromzwei ges c zum Ausgleich von Exemplarstreuungen der Stromverstärkung B des Transistors 3, sondern gewährleistet darüberhinaus, daß die gewünschte dynamische Strombegrenzung durch den Kondensator 6 praktisch nicht beeinträchtigt wird.

Im betrachteten Bemessungsfall betragen ferner

R4 = 200
R5 = 58.
Kaltwiderstand des Kaltleiters 7 : 50
Warmwiderstand des Kaltleiters 7 : 4 k
Kapazität des Kondensators 6 : 4,7 µF
Einschaltgeschwindigkeit: 30 V/ms
Maximale Umgebungstemperatur des die Schaltungsanordnung enthal tenden Gerätes: 55°C
Bauteileübertemperatur im Innern des Gerätes: 25°K
Mittlere Umgebungstemperatur des Kaltleiters: 80°C
Sperrschicht-Übertemperatur des Transistors 3 gegenüber seiner Umgebung: 5°C
Kipptemperatur des Kaltleiters: 90°C
Die Kipptemperatur des Kaltleiters ist dabei so gewählt, daß sie etwas über dem zu erwartenden Maximalwert der Transistortempera tur liegt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Speisung wenigstens eines elektri schen Verbrauchers (8) mit einem Speisestrom (I) aus einer Spei sequelle (1) über eine den Speisestrom (I) begrenzende Schutz einrichtung, wobei in einem der beiden, den Verbraucher (8) mit der Speisequelle (1) verbindenden Speisestrompfade (a) die Emit ter-Kollektor-Strecke eines bipolaren Transistors (3) angeordnet ist, der mit einem Kaltleiter (7) wärmeleitend verbunden ist und dessen Basis über einen Widerstandsstromzweig (c) an ein Ein schaltpotential geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltleiter (7) im Widerstandsstromzweig (c) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kaltleiter (7) enthaltende Widerstandsstromzweig (c) an den anderen der beiden Speisestrompfade (b) geführt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsstromzweig (c) eine Serienschaltung aus einem Widerstand (5) und dem Kaltleiter (7) enthält.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (5) und der Kaltleiter (7) des Widerstandsstromzweiges (c) hinsichtlich ihres Summenwiderstandes derart bemessen sind, daß der Speisestrom (I) bei Kurzschließen des Verbrauchers (8) auf ein vorgegebenes Vielfaches des Nennstromes ansteigt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (5) durch einen abgleichbaren Widerstand ge bildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors (3) ein Widerstand (4) angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (5) der Serienschaltung mit der Basis des Transistors (3) und der Kaltleiter (7) mit dem Einschaltpoten tial verbunden sind und daß parallel zu der aus dem zwischen Basis und Emitter angeordneten Widerstand (4) und dem Wider stand (5) des Stromzweiges (c) bestehenden Serienschaltung ein Kondensator (6) angeordnet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zur Serienschaltung der beiden Widerstände (4, 5) angeordnete Kondensator (6) derart bemessen ist, daß bei In betriebnahme des Verbrauchers (8) die Anstiegsgeschwindigkeit des Speisestromes auf einen vorgegebenen Wert begrenzt ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltleiter (7) mittels einer Befestigungsschraube des Transistors (3) auf dem Gehäuse des Transistors (3) befestigt ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipptemperatur des Kaltleiters (7) derart gewählt ist, daß sie die Summe aus der maximal zu erwartenden Umgebungstem peratur des die Schaltungsanordnung enthaltenden Gerätes und der bei gesättigtem Transistor (3) herrschenden Übertemperatur des Transistors (3) gegenüber dieser Umgebungstemperatur über steigt.