DE4117617A1

DE4117617A1 - Ueberstromdetektorschaltung

Info

Publication number: DE4117617A1
Application number: DE4117617A
Authority: DE
Inventors: Atsuyuki Hiruma
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1991-12-05
Anticipated expiration: 2011-05-30
Also published as: GB2245114B; DE4117617C2; GB9111511D0; JPH0438176A; US5235505A; JP2656370B2; KR910020445A; KR950007442B1; GB2245114A

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromdetektorschaltung zum Erfassen eines Überstroms entsprechend einer Spannung, die an einem in einen Gleichstromkreis eingesetzten Widerstand erzeugt wird.

Fig. 1 ist die schematische Darstellung eines Schaltplanes einer herkömmlichen Inverter-Einrichtung mit einem Über stromdetektor. In Fig. 1 wird ein Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle 1 von einem Gleichrichter gleichgerich tet, von einem Glättungskondensator 3 geglättet und einem Spannungsinverter 4 zugeführt. Der Inverter 4 ist aus Lei stungstransistoren GT₁ bis GT₆ aufgebaut, die in Drei-Phasen- Anordnungen verbunden sind. Ein Ausgangs-Wechselstrom des Inverters wird einem Wechselstrommotor 5 zugeführt. Der Wech selstrommotor treibt beispielsweise einen Kompressor 5a in dem Kühlkreis an. Ein Frequenzbefehl für den Inverter 4 wird in einen Kontroller 6 eingegeben. Dieser Kontroller 6 er zeugt entsprechend dem Frequenzbefehl ein An-Signal und ein Aus-Signal. Entsprechend dieses An-Signales und Aus-Signales steuert ein Treiber 7 die Leistungstransistoren GT₁ bis GT₆. Die den Inverter 4 bildenden Leistungstransistoren GT₁ bis GT₆ weisen Umlaufdioden D₁ bis D₆, die antiparallel zu den Transistoren angeordnet sind, auf. Ein Teil des den Trei ber 7 zum Ansteuern der Leistungs transistoren GT₁ bis GT₆ bildenden Schaltkreises, beispiels weise der Leistungstransistor GT₂ ist aus zwei in Reihe ge schalteten Transistoren und einem in Sperrichtung betriebenen Schaltkreis aufgebaut. Die Verbindungsstelle zwischen den bei den in Reihe geschalteten Transistoren ist mit der Basis des Leistungstransistors GT₂ verbunden. Der in Sperrichtung be triebene Schaltkreis ist an die negative Seite der in Reihe geschalteten Transistoren und an den Emitter des Leistungs transistors GT₂ angeschlossen, und besteht aus einer Parallel schaltung aus einem Kondensator C₁₁ und einer Dioden-Reihen schaltung D₁₁.

Ein Widerstand R₁ mit geringem Widerstandswert ist auf der negativen Seite in einen Gleichstrompfad eingesetzt, um einen Überstrom des Inverters 4 zu erfassen. Der Widerstand R₁ liegt in Parallelschaltung mit einer lichtemittierenden Diode ED, welche zusammen mit einem Fototransistor PT einen Opto koppler (photocoupler) 8 bildet. Der Fototransistor PT wird über einen Widerstand R₂ von einer Gleichstromquelle V_DD ver sorgt. Diese Schaltkreiselemente bilden einen Überstromde tektor.

Wenn ein den Inverter 4 durchfließender Strom einen Schwell wert überschreitet, wodurch ein Überstrom bestimmt wird, emit tiert die lichtemittierende Diode ED des Optokopplers 8 Licht, so daß der Widerstandswert des Fototransistors PT sehr klein wird. In Folge dessen sinkt das Potential an der Verbindungs stelle zwischen Fototransistor PT und Widerstand R₂ auf einen "L"-Pegel, so daß ein Überstrom-Detektorsignal S_oc an den Kon troller 6 gegeben wird, um den Inverter 4 zu schützen. Bei Empfang des Überstrom-Detektorsignales S_oc führt der Kontroller eine Schutzoperation aus, wie das Senken einer Inverteraus gangsleistung oder das Unterbrechen aller Leistungstransistoren GT₁ bis GT₆.

In dem beschriebenen herkömmlichen Überstromdetektor weist die lichtemittierende Diode ED des Optokoppler 8 normalerweise eine sich aus ihrer Kennlinie ergebende Lichtemissions-Grenzspannung von 1,0 V auf. Unter der Annahme, daß der Grenzwert zum Erfassen eines Überstromes 14,5 A ist, muß der Widerstand R₁ einen Wider standswert haben, der der folgenden Gleichung genügt.

1,0/14,5 = 0,069 Ω (1)

Die Verlustleistung des Widerstands R₁ ergibt sich daraus zu

14,5² × 0,069 =14,5 W (2)

Es ist offensichtlich, daß durch diese Verlustleistung von 14,5 W erhebliche Wärme erzeugt wird. Im Normalbetrieb tritt, selbst wenn ein so hoher Strom nicht fließt, eine Verlustlei stung von annähernd 14,5 W auf. Der Wirkungsgrad wird ent sprechend niedrig, und eine Gegenmaßnahme gegen die Wärmeer zeugung ist notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Überstromdetek torschaltung anzugeben, mit der die Verlustleistung eines in einem Gleichstrompfad eingesetzten Widerstandes verringert und dadurch der Wirkungsgrad verbessert wird, und die eine Gegenmaßnahme gegen Wärmeerzeugung überflüssig macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorspannungs- Schaltung in einem Überstromdetektor gelöst, welcher einen Über strom in einem Gleichstrompfad entsprechend einer Spannung an einem in diesen Gleichstrompfad eingesetzten Widerstand mit kleinem Widerstandswert erfaßt, wobei die Vorspannungs-Schal tung der Spannung an dem Widerstand eine weitgehend konstante Gleichspannung überlagert.

Ein Vorspannungsschaltkreis erzeugt eine Spannung mit dersel ben Polarität wie die der Spannung an dem Widerstand im Gleich strompfad und überlagert der Spannung am Widerstand die er zeugte Spannung. Entsprechend der resultierenden Spannung wird ein Überstrom erfaßt. Dafür kann zum Erfassen eines Überstromes die Spannung am Widerstand gesenkt werden, wodurch mit einem Widerstand mit geringem Widerstandswert die Verlustleistung reduziert und Wärmeerzeugung verhindert wird.

Die Vorspannungsschaltung besteht aus einer Diode und einer Gleichstromquelle zum Versorgen der Diode mit einem Strom in Durchlaßrichtung. Die Durchlaßspannung der Diode wird der Spannung am Widerstand überlagert.

Eine Vorspannung an der Diode kann mit einer einfachen Schal tungsanordnung durch Versorgen der Diode mit einem Strom in Durchlaßrichtung erzeugt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorspannungsschaltung be steht aus einem spannungserzeugenden Optokoppler zum Erzeugen einer Spannung an einem lichtempfangenden Element bei Licht emission eines lichtemittierenden Elementes, einer Stromquelle zum Versorgen des lichtemittierenden Elementes eines spannungerzeugenden Optokopplers mit einem Vorwärtsstrom und einer zu dem licht empfangenden Element des spannungerzeugenden Optokopplers paral lel geschalteten, in Sperrichtung betriebenen Zenerdiode. Die Spannung an dem lichtempfangenden Element des spannungerzeugen den Optokopplers wird durch die Zenerdiode begrenzt. Die be grenzte Spannung wird der Spannung am Widerstand überlagert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorspannungsschaltung be steht aus einem Impulstransformator, auf welchen ein Taktpuls gegeben wird, einem Gleichrichter zum Gleichrichten der Aus gangsspannung dieses Impulstransformators, einem Kondensator, der von der Gleichrichterspannung aufgeladen wird, und einer Zenerdiode, welche antiparallel mit dem Kondensator verbunden ist. Die durch die Zenerdiode begrenzte Ladespannung des Kon densators wird der Gleichspannung am Widerstand überlagert.

Die beiden letztgenannten Vorspannungsschaltungen liefern eine Vorspannung unter Verwendung einer vom Hauptstromkreis elektrisch getrennten Stromquelle.

Die im folgenden beschriebenen Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan einer herkömmlichen Überstrom detektorschaltung mit einem Invertierer;

Fig. 2 einen detaillierten Schaltplan eines Teiles der Überstromdetektorschaltung aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Schaltplan einer Überstromdetektorschal tung gemäß einer Ausführung der Erfindung;

Fig. 4 einen Schaltplan einer Überstromdetektorschal tung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;

Fig. 5 einen Schaltplan einer Überstromdetektorschal tung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.

Fig. 3 ist ein Fig. 2 ähnlicher Schaltplan einer Überstromdetek torschaltung gemäß einer Ausführung der Erfindung. In Fig. 3 werden die den in Fig. 2 gezeigten entsprechenden Bauteile durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Unterschiede des in Fig. 3 gezeigten Detektors zu dem in Fig. 2 gezeigten Detektor sind folgende: Ein Serienschaltkreis aus einem Wider stand R₁₁ und einer Diode D₁₂ ist zwischen einer Gleichstrom quelle V_DD einer Treiberschaltung 7 und einer negativen Ver sorgungsleitung, die die Emitter der einen Inverter 4 bilden den Leistungstransistoren GT₂, GT₄ und GT₆ verbindet, ange schlossen. Die Anode einer lichtemittierenden Diode ED eines Optokopplers 8 liegt an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R₁₁ und der Diode D₁₂.

Der Widerstand R₁₁, die Diode D₁₂ und die Dioden-Reihenschal tung D₁₁ sind mit Bezug auf die Gleichstromquelle V_DD in Reihe geschaltet. Der Wert des Widerstandes R₁₁ ist so gewählt, daß sich die Spannung an der Dioden-Reihenschaltung D₁₁ selbst dann nicht ändert, wenn der Widerstand R₁₁ und die Diode D₁₂ hinzu gefügt werden. Entsprechend liegt an der Diode D₁₂ immer eine konstante Spannung, z. B. 0,6 V an.

Eine Spannung an einem Punkt A, an dem die Kathode der licht emittierenden Diode ED des Optokopplers 8 angeschlossen ist, daß heißt eine Spannung am Widerstand R₁ auf der Versorgungs seite wird mit V_A bezeichnet. Eine Spannung am Punkt B, an dem die Anode der lichtemittierenden Diode ED des Optokopplers 8 angeschlossen ist, d. h. eine Spannung an dem Verbindungs punkt zwischen dem Widerstand R₁₁ und der Diode D₁₂ wird mit V_B bezeichnet. Eine Spannung am Punkt C, d. h. eine Spannung an dem Widerstand R₁ auf der Seite des Invertierers 4 wird mit V_C bezeichnet. Die Spannung V_B am Punkt B ist um den Wert der Durchlaßspannung 0,6 V an der Diode D₁₂ größer als die Spannung V_C am Punkt C. Mit der Annahme, daß die Lichtemissions- Spannung der lichtemittierenden Diode ED des Optokopplers 8 gleich 1,0 V ist, ergibt sich der Widerstandswert des Wider standes R₁, der für das Erfassen eines Überstrom-Grenzwertes 14,5 A im Hauptstromkreis notwendig ist, zu

(1,0 - 0,6)/14,5 = 0,028 Ω (3)

daraus folgt die Verlustleistung des Widerstands R₁:

14,5² × 0,028 = 5,9 W (4)

Die Verlustleistung kann um mehr als die Hälfte der Verlust leistung einer herkömmlichen Überstromdetektorschaltung, nämlich 14,5 W nach Gleichung (2), verringert werden.

Dadurch kann der Wirkungsgrad des Invertierers verbessert und Wärmeerzeugung vermieden werden.

Mit der geringen Wärmeerzeugung können beide bisher unterschied lich gesetzten Schwellwerte für 15 A-Leistungstransistoren und 20 A-Leistungstransistoren auf den selben Wert von 14,5 A ge setzt werden. Entsprechend können in beiden Fällen die selben Service Boards benutzt werden.

Fig. 4 zeigt den Schaltplan einer zweiten Ausführung der Über stromdetektorschaltung. Eine spannungserzeugende lichtempfangen de Diode RD eines spannungerzeugenden Optokopplers 9 ist mit einer lichtemittierenden Diode ED eines Optokopplers 8 in Reihe geschaltet. Die lichtempfangende Diode RD ist über einen Wider stand R₂₂ mit einer Parallelschaltung aus einem Kondensator C₂₁ und einer Zenerdiode ZD verbunden. Eine lichtemittierende Diode ED des spannungerzeugenden Optokopplers 9 ist über einen Wider stand R₂₁ mit einer Gleichstromquelle V_DD verbunden.

Wenn die lichtemittierende Diode ED des Optokopplers 9 von der Gleichstromquelle V_DD mit Strom versorgt wird, emittiert die lichtemittierende Diode ED Licht und erzeugt dabei eine der Lichtintensität entsprechende Spannung an der lichtempfangen den Diode RD. Die Zenerdiode ZD begrenzt, und der Kondensator C₂₁ stabilisiert diese Spannung.

Ein Potential am Punkt A des Widerstandes R₁ auf Versorgungs seite ist mit V_A bezeichnet, V_B bezeichnet ein Potential am Punkt B, an dem die Kathode der lichtemittierenden Diode ED des Optokopplers 8 liegt, und ein Potential am Punkt C des Widerstandes R₁ auf der dem Inverter 4 zugewandten Seite wird mit V_C bezeichnet.

Wenn die lichtemittierende Diode ED des Optokopplers 9 mit einem vorher bestimmten Strom versorgt wird, wird eine Spannung mit einem höheren Potential an Punkt A als an Punkt B erzeugt. Die Spannung V_AB am Punkt A gegenüber dem Punkt B ergibt sich also zu:

V_AB = V_A - V_B < 0 (5)

daraus ergibt sich eine Spannung V_CB an der lichtemittierenden Diode ED des Optokopplers 8 zu

V_CB = V_AB + V_CA (6)

Die Spannung an der lichtemittierenden Diode ED des Optokopplers 8 wird also durch Überlagern der Spannung an dem Widerstand R₁ und der Spannung am Optokoppler 9 erhalten. Mit der Annahme, daß die Ausgangsspannung des Optokopplers 9 gleich 0,5 V ist, er gibt sich der Widerstandswert des Widerstandes R₁ zum Erfassen eines Hauptschaltkreis-Stromes von 14,5 A zu:
0,5/14,5 = 0,0345 Ω (7)

die Verlustleistung an dem Widerstand R₁ ist dann

14,5² × 0,0345 = 7,25 W (8)

Die Verlustleistung und Wärmeerzeugung an dem Widerstand R₁ kann daher um ungefähr die Hälfte derer einer herkömmlichen Überstromdetektorschaltung verringert werden.

In dieser Ausführung kann die Stromquelle für die lichtemittieren de Diode ED des Optokopplers 9 elektrisch von dem Hauptschalt kreis isoliert werden, weil zum Erzeugen einer Vorspannung von Optokoppler 8 der spannungerzeugende Optokoppler 9 eingesetzt wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführung, die eine Modifikation der in Fig. 4 gezeigten Ausführung ist. In dieser Ausführung wird eine Vorspannung anstatt mit dem in Fig. 4 gezeigten Op tokoppler mit Hilfe von Taktpulsen CP erzeugt, welche von einer nicht gezeigten Zentraleinheit (Central Processing Unit CPU) eines Mikrocomputers, der für die Überwachung verschiedener Einrichtungen eingesetzt wird, erzeugt werden. Der Taktpuls CP wird über einen Widerstand 10 auf die Primärwicklung eines Im pulstransformators 11 gegeben. Eine in der Sekundärwicklung des Impulstransformators 11 induzierte Spannung lädt über einen Gleichrichter 12 und einen Widerstand 13 einen Kondensator C₂₁ auf. Der restliche Teil des Schaltkreises entspricht der in Fig. 4 gezeigten Ausführung.

In den beschriebenen Ausführungen wurde die Erfassung eines Über stromes einer Inverterschaltung in einer Klimaanlage näher er läutert. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf dieses Anwen dungsbeispiel, sondern ist generell in Einrichtungen zum Erfassen eines Überstromes in einem Gleichstrompfad anwendbar.

Claims

1. Überstromdetektorschaltung, gekennzeichnet durch
einen Widerstand (R₁) mit einem geringen Widerstandswert, der in einen Gleichstrompfad eingesetzt ist, von dem ein Über strom erfaßt wird;
eine Vorspannungsschaltung (D₁₂, ZD) zum Erzeugen einer weitgehend konstanten Gleichspannung und
Detektor (8) zum Erzeugen eines Überstromdetektorsignales, wenn die Summe aus einer Gleichspannung an dem Widerstand und einer von der Vorspannungsschaltung erzeugten Gleichspannung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.

2. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, in der der Detektor einen Optokoppler (optischer Koppler) (8) auf weist, welcher aus einem lichtemittierenden Element und einem lichtempfangenden Element (PT) besteht, die Summe aus einer Gleichspannung an dem Widerstand (R₁) und einer von der Vor spannungsschaltung (D₁₂, ZD) erzeugten Gleichspannung an das lichtemittierende Element (ED) angelegt wird, und das Über stromdetektorsignal von diesem lichtempfangenden Element (PT) ausgegeben wird.

3. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfangende Element (PT) seinen Widerstandswert ändert, wenn es Licht von dem lichtemittierenden Element (8) empfängt.

4. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschal tung eine Diode (D₁₂) und eine Gleichstromquelle (V_DD) zum Versorgen der Diode mit einem Strom in Durchlaßrichtung um faßt, und eine Vorwärtsspannung an dieser Diode einer Spannung an dem Widerstand überlagert wird.

5. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschal tung aufweist:
einen spannungerzeugenden Optokoppler (9) bestehend aus einem lichtemittierenden Element und einem lichtempfangenden Element zum Erzeugen einer Spannung bei Lichtemission durch das lichtemittierende Element;
eine Gleichstromquelle (V_DD) zum Versorgen dieses licht empfangenden Elementes des spannungerzeugenden Optokopplers mit einem Strom in Durchlaßrichtung und
eine Zenerdiode (ZD), welche parallel entgegengesetzt dem lichtempfangenden Element des spannungerzeugenden Optokopplers angeschlossen ist,
wobei eine von diesem lichtempfangenden Element des spannungerzeugenden Optokopplers erzeugte und durch die Zener diode begrenzte Spannung einer Gleichspannung an dem Wider stand überlagert wird.

6. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschal tung aufweist:
einen Impulstransformator (11), an den ein Taktpuls an gelegt wird;
einen Gleichrichter (13) zum Gleichrichten der Ausgangs spannung des Impulstransformators;
einen Kondensator (C₂₁), der von einer Spannung aus diesem Gleichrichter aufgeladen wird und
eine Zenerdiode (ZD), die parallel und entgegengesetzt zu diesem Kondensator angeschlossen ist,
wobei die durch die Zenerdiode begrenzte Ladespannung des Kondensators einer Gleichspannung an dem Widerstand über lagert wird.