WO2000008734A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum schutz gegen verpolungen - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum schutz gegen verpolungen Download PDF

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WO2000008734A1
WO2000008734A1 PCT/DE1999/002399 DE9902399W WO0008734A1 WO 2000008734 A1 WO2000008734 A1 WO 2000008734A1 DE 9902399 W DE9902399 W DE 9902399W WO 0008734 A1 WO0008734 A1 WO 0008734A1
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Inventor
Bostjan Bitenc
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H11/00—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result
    • H02H11/002—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection
    • H02H11/003—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection using a field effect transistor as protecting element in one of the supply lines

Definitions

  • the invention is based on the object of specifying a circuit arrangement and a method which avoids the disadvantage mentioned above.
  • the invention has the advantage that the voltage drop at the polarity reversal protection ent is significantly reduced.
  • the invention has the advantage that the active reverse polarity protection has the same circuit function as a reverse polarity protection caused by a diode.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement with a diode as reverse polarity protection
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement of the polarity reversal protection according to the invention
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement of a consumer U which is connected to a voltage supply NS via a current limiting unit SB.
  • the consumer U has a parallel connection, formed from a capacitor C and a load resistor R.
  • a decoupling diode D is arranged in a main current path as a reverse polarity protection in such a way that a mains voltage drop occurs Discharge of the capacitor C in the consumer U is prevented via the voltage supply NS.
  • the voltage supply NS is connected to the inputs E1 and E2 of the current limiting unit SB.
  • a second input E2 of the current limiting unit SB is connected to a potential corresponding to the earth potential.
  • a first output AI of the current limiting unit SB is connected to a first input EU1 of the consumer U.
  • An actuator M for example a field effect transistor, is arranged in a main current path between a second output A2 of the current limiting unit SB and a second input EU2 of the consumer U.
  • a drain input D of the actuator M is connected to the second output A2 of the current limiting unit SB.
  • a source connection S of the actuator is connected to the second input EU2 of the converter U.
  • a control input G of the Actuator M is connected to the output of a comparator K.
  • a first input of the comparator K is connected to a voltage divider, formed from the resistors RRefl and RRef2.
  • the output of the comparator K is connected to the first output AI of the current limiting unit SB via a pull-up resistor RPU and a series resistor RV.
  • a connection to a cathode of a Zener diode ZH is established between the pullup resistor RPU and the series resistor RV.
  • An anode of the Zener diode ZH is in turn connected to the source terminal S of the actuator M.
  • a capacitor CH is arranged in parallel with the Zener diode ZH.
  • a second input of the comparator K is connected via a resistor RIST to the second input E2 of the current limiting unit SB.
  • a first and a second diode D1, D2 are arranged in parallel with the voltage divider RRefl, RRef2 supplying the reference voltage for the first input of the comparator K.
  • the second input of the comparator K is connected to a cathode of the second diode D2 and an anode of the first diode Dl.
  • the anode of the second diode D2 is connected to the source terminal S of the actuator M, and the cathode of the first diode D1 is connected to the cathode of the Zener diode.
  • the comparator K is supplied with the voltage present at the first output of the current limiting circuit SB via the series resistor RV.
  • the comparator K uses the resistor RIST to compare the voltage applied to the actuator M to determine whether it is positive or negative with respect to the source terminal S of the actuator M.
  • the output of the comparator K can either be equipped with an open collector output or have a driver stage.
  • the series resistor RV, the Zener diode ZH and the capacitor CH serve to supply the active reverse polarity protection AV with a stabilized voltage.
  • the voltage at the resistor RIST is tapped in a suitable manner directly at the output of the voltage supply NS, since this causes further voltage drops and the voltage for the comparator K is greater.
  • the comparator K controls the actuator M in a non-conductive manner.
  • the parasitic diode in the actuator M of the field effect transistor M blocks the connection between the current limiting unit SB and the consumer U.
  • FIG. 3 shows three signal courses A - C, which represent the switching behavior of the active polarity reversal protection element AV, for example in the event of a network breakdown.
  • the voltage at the actuator M is shown in the signal course A.
  • the current I into the consumer U is reproduced in the signal curve B.
  • the mains voltage and the voltage across the capacitive element arranged in the consumer U are shown. Starting from normal mains operation, there is a reduction in the current I flowing into the consumer U in the event of a voltage dip in the voltage supply NS, as indicated in the signal curve C.
  • the input current I which corresponds to the current through the actuator M, is prevented .
  • Discharge of the capacitor C in the consumer U in the direction of the voltage supply NS is immediately prevented by the active polarity reversal protection element AV.
  • the capacitor C is discharged via the load resistor R arranged in the consumer U.
  • the capacitor C which has since been discharged by the load resistor R of the consumer U, is recharged with a limited charging current.
  • the mains voltage returns, the voltage applied to the parasitic diode of the field effect transistor increases. However, this immediately goes back to a lower value when the field effect transistor M turns on.

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  • Amplifiers (AREA)
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Abstract

Als aktiver Verpolschutz wird anstelle einer Entkoppeldiode die Regelstrecke eines Feldeffekt-Transistors verwendet und der Steuereingang des Feldeffekt-Transistors derart angesteuert, daß der Feldeffekt-Transistor das Schaltverhalten einer Entkoppeldiode aufweist.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Schutz gegen Verpolungen
Als Verpolschutz für einen Verbraucher ist eine Diode seriell in den Eingangskreis einzufügen. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß an der Diode bei hohen Eingangsströmen hohe Verlustleistung entsteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren anzugeben, das den oben angeführten Nachteil vermeidet.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die Patentansprüche 1 und 6 gelöst.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß der Spannungsabfall an dem Verpolschutzele ent erheblich reduziert wird.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß der aktive Verpolschutz die gleiche schaltungstechnische Funktion wie ein durch eine Diode bewirkter Verpolschutz aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Schaltungsanordnung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus den nachfolgenden näheren Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung mit einer Diode als Verpolschutz, Figur 2 eine Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Ver- polschutzes, und
Figur 3 Strom-/Spannungskennlinien.
In Figur 1 ist eine Schaltungsanordnung eines Verbrauchers U gezeigt, der über eine Strombegrenzungseinheit SB an eine Spannungsversorgung NS angeschlossen ist gezeigt. Der Verbraucher U weist in dieser Ausführungsform eine Parallelschaltung auf, gebildet aus einem Kondensator C und einem Lastwiderstand R. Zwischen einem Ausgang der Strombegrenzungseinheit SB und einem Eingang des Verbrauchers U ist als Verpolschutz eine Entkoppeldiode D in einen Hauptstrompfad derart angeordnet, daß bei einem Netzspannungseinbruch ein Entladen des Kondensators C im Verbraucher U über die Spannungsversorgung NS verhindert wird.
In Figur 2 ist anstelle der Entkoppeldiode D ein aktiver Verpolschutz AV eingefügt.
Die Spannungsversorgung NS ist mit den Eingängen El und E2 der Strombegrenzungseinheit SB verbunden. Ein zweiter Eingang E2 der Strombegrenzungseinheit SB ist mit einem dem Erdpotential entsprechenden Potential verbunden. Ein erster Ausgang AI der Strombegrenzungseinheit SB ist mit einem ersten Eingang EU1 des Verbrauchers U verbunden. Zwischen einem zweiten Ausgang A2 der Strombegrenzungseinheit SB und einem zweiten Eingang EU2 des Verbrauchers U ist in einem Hauptstrompfad ein Stellglied M, beispielsweise ein Feldeffekt-Transistor, angeordnet. Ein Draineingang D des Stellgliedes M ist mit dem zweiten Ausgang A2 der Strombegrenzungseinheit SB verbunden.
Ein Sourceanschluß S des Stellgliedes ist mit dem zweiten Eingang EU2 des Umrichters U verbunden. Ein Steuereingang G des Stellgliedes M ist mit dem Ausgang eines Komparators K verbunden. Ein erster Eingang des Komparators K ist mit einem Spannungsteiler, gebildet aus den Widerständen RRefl und RRef2, verbunden. Der Ausgang des Komparators K ist über einen Pullup- Widerstand RPU und einem Vorwiderstand RV mit dem ersten Ausgang AI der Strombegrenzungseinheit SB verbunden. Zwischen dem Pullup- Widerstand RPU und dem Vorwiderstand RV ist eine Verbindung zu einer Kathode einer Zenerdiode ZH hergestellt. Eine Anode der Zenerdiode ZH ist wiederum mit dem Sourceanschluß S des Stellgliedes M verbunden. Parallel zu der Zenerdiode ZH ist ein Kondensator CH angeordnet. Ein zweiter Eingang des Komparators K ist über einen Widerstand RIST mit dem zweiten Eingang E2 der Strombegrenzungseinheit SB verbunden. Parallel zu dem die Referenzspannung für den ersten Eingang des Komparators K liefernden Spannungsteilers RRefl, RRef2 sind eine erste und eine zweite Diode Dl, D2 angeordnet. Der zweite Eingang des Komparators K ist mit einer Kathode der zweiten Diode D2 und einer Anode der ersten Diode Dl verbunden. Die Anode der zweiten Diode D2 ist mit dem Sourceanschluß S des Stellgliedes M, und die Kathode der ersten Diode Dl ist mit der Kathode der Zenerdiode verbunden. Über den Vorwiderstand RV, wird der Komparator K mit der am ersten Ausgang der Strombegrenzungsschaltung SB anliegenden Spannung versorgt.
Der Komparator K vergleicht über den Widerstand RIST die am Stellglied M anliegende Spannung, ob diese bezogen auf den Sourceanschluß S des Stellgliedes M positiv oder negativ ist.
Für den Fall, daß diese Spannung positiv ist, liegt eine Ver- polung vor, und das Stellglied M wird umgehend gesperrt. Bei einer korrekt gepolten Eingangsspannung fließt im ersten Moment der Eingangsstrom über eine parasitäre Diode des Stellgliedes M. Das Stellglied M ist zu diesem Zeitpunkt noch gesperrt. Da jedoch eine negative Spannung am zweiten Eingang des Komparators K anliegt, wird das Stellglied M durch den Komparator K an seinem Steuereingang G derart angesteuert, daß das Stellglied M durchsteuert. Mit dem Spannungsteiler RRefl, RRef2 kann die Schaltschwelle des Komparators K verschoben werden, um beispielsweise eine Worst-Case-Offset-Spannung des Komparators K auszugleichen. Mit den Dioden Dl, D2 wird ein Übersteuern des ersten Einganges des Komparators K verhindert. Der Ausgang des Komparators K kann entweder mit einem Open-Collector-Ausgang ausgestattet sein oder eine Treiberstufe besitzen. Der Vorwiderstand RV, die Zenerdiode ZH und der Kondensator CH dienen zur Spannungsversorgung des aktiven Verpolschutzes AV mit einer stabilisierten Spannung. Der Abgriff der Spannung am Widerstand RIST erfolgt in geeigneter Weise direkt am Ausgang der Spannungsversorgung NS, da hierdurch weitere Spannungsabfälle mit eingehen und die Spannung für den Komparator K größer ist .
Im Fall eines verpolten Anschlusses der Spannungsversorgung NS steuert der Komparator K das Stellglied M nicht leitend. Die parasitäre Diode im Stellglied M des Feldeffekt-Transistors M sperrt die Verbindung zwischen der Strombegrenzungseinheit SB und dem Verbraucher U.
In Figur 3 sind drei Signalverläufe A - C dargestellt, die das Schaltverhalten des aktiven Verpolschutzelementes AV beispielsweise bei einem Netzeinbruch wiedergeben.
Im Signalverlauf A ist die Spannung am Stellglied M wiedergegeben.
Im Signalverlauf B ist der Strom I in den Verbraucher U wiedergegeben.
Im Signalverlauf C ist die Netzspannung sowie die Spannung an dem im Verbraucher U angeordneten kapazitiven Element dargestellt. Ausgehend von einem normalen Netzbetrieb kommt es bei einem Spannungseinbruch in der Spannungsversorgung NS, wie er im Signalverlauf C angedeutet ist, zu einer Reduzierung des in den Verbraucher U fließenden Stroms I. Der Eingangsstrom I, der dem Strom durch das Stellglied M entspricht, wird unterbunden. Eine Entladung des Kondensators C im Verbraucher U in Richtung der Spannungsversorgung NS wird sofort durch das aktive Verpolschutzelement AV unterbunden. Die Entladung des Kondensators C erfolgt über den im Verbraucher U angeordneten Lastwiderstand R.
Bei einer Spannungsversorgung in voller Höhe wird der in der Zwischenzeit durch den Lastwiderstand R des Verbrauchers U entladene Kondensator C mit einem begrenzten Ladestrom wieder aufgeladen. Bei einer Wiederkehr der Netzspannung erhöht sich die an der parasitären Diode des Feldeffekt-Transistors anliegende Spannung. Diese geht aber sofort auf einen niedrigeren Wert zurück, wenn der Feldeffekt-Transistor M durchschaltet.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Verpolungen dadurch geken zeichnet, daß eine Regelstrecke (DS) eines Stellgliedes (M) in einem Hauptstrompfad zwischen einer Spannungsversorgung (NS) und einen Verbraucher (U) vorgesehen ist und ein Steuereingang (G) des Stellgliedes (M) derart angesteuert wird, daß die Regelstrecke (DS) das Schaltverhalten einer Entkoppeldiode aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang (G) des Stellgliedes (M) mit dem Ausgang eines Komparators (K) verbunden ist, wobei ein erster Eingang des Komparators (K) mit einem eine Referenzspannung liefernden Spannungsteiler verbunden und ein zweiter Eingang des Komparators (K) über einen Widerstand (RIST) mit einem ein Bezugspotential abgebenden Anschluß der Spannungsversorgung (NS) und eine Anode einer zweiten Diode (D2) mit einem Sourceanschluß (S) der Regelstrecke (DS) des Stellgliedes (M) verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kathode der zweiten Diode (D2) eine Anode einer ersten Diode (Dl) angeschlossen ist und die Kathode der ersten Diode (Dl) mit einem weiteren Anschluß der Spannungsversorgung (NS) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Parallelschaltung gebildet aus einer Zenerdiode (ZH) und einem Kondensator (CH) parallel zum Spannungsteiler vorgesehen ist und daß ein Anschluß des Spannungsteilers mit dem Sourceanschluß (S) des Stellgliedes (M) verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied M ein Feldeffekt-Transistor ist.
6. Verfahren zur Schutz gegen Verpolungen dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelstrecke (DS) eines Stellgliedes (M) in einem Hauptstrompfad zwischen einer Spannungsversorgung (NS) und einem Verbraucher (U) angeordnet wird und eine Steuereingang (G) des Stellgliedes (M) derart angesteuert wird, daß die Regelstrecke (DS) das Schaltverhalten einer Entkoppeldiode aufweist.
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