DE4117617C2

DE4117617C2 - Überstromdetektorschaltung

Info

Publication number: DE4117617C2
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: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2011-05-30
Also published as: KR950007442B1; GB2245114B; JP2656370B2; US5235505A; JPH0438176A; GB2245114A; GB9111511D0; KR910020445A; DE4117617A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromdetektorschaltung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Detektorschal tung ist beispielsweise aus der DE 24 59 155 C3 bekannt.

Ferner ist aus der DE 30 34 023 C2 eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Steuersignals bei Überschreiten eines vor gebbaren Stromwertes bekannt, die eine Serienschaltung aus einem als Diode geschalteten Transistor und einem Widerstand aufweist, wobei der Wert des Widerstandes so bemessen ist, daß der Strom in diesem Widerstand wesentlich kleiner als der für die Überwachung festgestellte Wert ist. Weiterhin ist aus der DE 28 26 134 A1 eine Schaltungsanordnung zur Stromüberwachung eines Verbrauchers bekannt, bei der ein Element, welches einen Spannungsabfall erzeugt, ein in Durchlaßrichtung geschalteter Halbleiter ist. Schließlich ist aus der US-A-4,706,160 eine Schaltung mit einem Überstromschutz bekannt, bei der ein Op tokoppler mit einem Vorwiderstand zu einem Meßwiderstand pa rallel geschaltet ist. Keine dieser Schaltungsanordnungen zur Stromüberwachung nach dem Stand der Technik weist dabei den erfindungsgemäßen Aufbau des Detektors der Überstromdetek torschaltung auf.

Aus der JP 61-132 080 A ist eine Überstromdetektorschaltung bekannt, bei der ein Meßwiderstand im Gleichstrompfad des Wechselrichters liegt. Der Wechselrichter enthält für jede Ausgangsphase ein in Serie geschaltetes Paar von Leistungs transistoren, welche von einer Steuerschaltung gesteuert wer den. Der Meßwiderstand wirkt mit Optokopplern zusammen, an deren Ausgängen das Überstromsignal entsteht.

Eine ähnliche herkömmliche Wechselrichter-Einrichtung mit ei nem Überstromdetektor ist in der schematischen Darstellung von Fig. 1 gezeigt. In Fig. 1 wird ein Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle 1 von einem Gleichrichter gleichgerich tet, von einem Glättungskondensator 3 geglättet und einem Spannungswechselrichter 4 zugeführt. Der Wechselrichter 4 ist aus Lei stungstransistoren GT₁ bis GT₆ aufgebaut, die in Drei-Phasen- Anordnungen verbunden sind. Ein Ausgangs-Wechselstrom des Wechselrichters wird einem Wechselstrommotor 5 zugeführt. Der Wech selstrommotor treibt beispielsweise einen Kompressor 5a in dem Kühlkreis an. Ein Frequenz-Steuersignal (d. h. ein periodisches Signal mit einer bestimmten Frequenz) für den Wechselrichter 4 wird in eine Steuereinrichtung 6 eingegeben. Die Steuereinrichtung 6 erzeugt entsprechend dem Frequenz-Steuersignal Ein- und Aus schaltsignale, die über eine Treiberschaltung 7 den Steuer elektroden der Leistungstransistoren GT₁ bis GT₆ zugeführt wer den, welche den eigentlichen Wechselrichter bilden. Freilauf dioden D₁ bis D₆ (Fig. 2) sind antiparallel zu den Schalt strecken der Leistungstransistoren 7 geschaltet. In der Trei berschaltung ist beispielsweise ein Treiberabschnitt zum An steuern des Leistungstransistors GT₂ aus zwei in Reihe geschal teten Transistoren und einem in Sperrichtung betriebenen Schaltkreis aufgebaut. Andere Treiberabschnitte zum Ansteuern der Leistungstransistoren GT₁ und GT₃ bis GT₆ sind ebenso auf gebaut wie der Abschnitt für den Leistungstransistor GT₂. Die Verbindungsstelle zwischen den beiden in Reihe geschalteten Transistoren ist mit der Basis des Leistungstransistors GT₂ verbunden. Der in Sperrichtung betriebene Schaltkreis ist an die negative Seite der in Reihe geschalteten Transistoren und an den Emitter des Leistungstransistors GT₂ angeschlossen und beteht aus einer Parallelschaltung 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 Wechselrichters 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 Wechselrichter 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 Verbindungsstelle zwischen Fototransistor PT und Widerstand R₂ auf einen "L"-Pegel, so daß ein Überstrom-Detektorsignal S_oc an die Steuer einrichtung 6 gegeben wird, um den Wechselrichter 4 zu schützen. Bei Empfang des Überstrom-Detektorsignales S_oc führt die Steuereinrichtung eine Schutzoperation aus, wie beispielsweise ein Absenken der Ausgangsleistung des Wechselrichters oder ein Abschalten aller Leistungstransistoren GT₁ bis GT₆.

In dem beschriebenen herkömmlichen Überstromdetektor weist die lichtemittierende Diode ED des Optokopplers 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 damit 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 besondere Maßnahmen zum Abführen der Verlustwärme überflüssig macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Überstromdetek torschaltung mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

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 übermäßige 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 Wechselrichter;

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 Bauteilen 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 Wechselrichter 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 lichtemittierenden 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 Wechselrichters 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 Wechselrichters verbessert und übermäßige 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 spannungserzeugenden Optokoppler 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 ED₉ des spannungerzeugenden Optokopplers 9 ist über einen Wider stand R₂₁ mit einer Gleichstromquelle V_DD verbunden.

Wenn die lichtemittierende Diode ED₉ des Optokopplers 9 von der Gleichstromquell V_DD mit Strom versorgt wird, emittiert die lichtemittierende Diode ED₉ 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 Wechselrichter 4 zugewandten Seite wird mit V_C bezeichnet.

Wenn die lichtemittierende Diode ED₉ 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, ergibt 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 ED₉ des Optokopplers 9 elektrisch von dem Hauptschalt kreis isoliert werden, weil zum Erzeugen einer Vorspannung von Optokoppler 8 der spannungserzeugende 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 Wechselrichterschaltung 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 zum Erfassen eines Überstroms in einem Gleichstrompfad, mit
einem Widerstand (R₁) mit einem geringen Widerstandswert, der in den Gleichstrompfad eingesetzt ist, so daß an ihm eine stromabhängige Meßspannung abfällt,
einer Vorspannungschaltung (D₁₂, ZD) zum Erzeugen einer weitgehend konstanten Gleichspannung und
einem Detektor (8) zum Erzeugen eines Überstromsignals, wenn die Summe aus der Meßspannung und der konstanten Gleich spannung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Detektor einen Optokoppler (8) aufweist, welcher aus einem lichtemittierenden Element (ED) und einem licht empfangenden Element (PT) besteht,
die Summe aus der Meßspannung und der konstanten Gleich spannung an das lichtemittierende Element (ED) angelegt wird und
das Überstromsignal von dem lichtempfangenden Element (PT) abgegeben wird.

2. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung eine Diode (D₁₂) aufweist, durch die in Durchlaßrichtung ein Strom aus einer Gleichstromquelle (V_DD) fließt, und daß die an der Diode (D₁₂) abfallende Spannung die konstante Gleichspannung ist, die der Meßspannung überlagert wird.

3. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet,
daß die Vorspannungsschaltung aufweist:
einen (zweiten) spannungserzeugenden Optokoppler (9), bestehend aus einem lichtemittierenden Element (9/ED) und einem lichtempfangenden Element (9/RD) zum Erzeugen einer Spannung bei Lichtemission durch das lichtemittierende Element (9/ED),
eine Gleichstromquelle (V_DD) zum Versorgen des lichtemittie renden Elements (9/ED) des spannungserzeugenden Optokopplers (9) mit einem Strom in Durchlaßrichtung,
eine Zenerdiode (ZD), die mit entgegengesetzter Polung parallel zu dem lichtempfangenden Element (9/ED) des spannungserzeugenden Optokopplers (9) angeschlossen ist,
und daß die von dem lichtempfangenden Element (9/ED) erzeugte und durch die Zenerdiode (ZD) begrenzte Spannung die konstante Gleichspannung ist, die der Meßspannung überlagert wird.

4. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet,
daß die Vorspannungsschaltung aufweist:
einen Transformator (11), an den ein Taktimpuls angelegt wird,
einen Gleichrichter (13) zum Gleichrichten der Ausgangsspannung des Transformators (11),
einen Kondensator (C₂₁), der von der Ausgangsspannung des Gleichrichters aufgeladen wird,
eine Zenerdiode (ZD), die mit entgegengesetzter Polung parallel zu dem Kondensator (C₂₁) geschaltet ist,
und daß die durch die Zenerdiode (ZD) begrenzte Ladespannung des Kondensators (C₂₁) die konstante Gleichspannung ist, die der Meßspannung überlagert wird.