DE1165743B - Regler-Schutzschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #Ä PATENTAMT Internat. Kl.: H02j;

AUSLEGESCHRIFT

H02d

Deutsche KL: 21d3-2

Nummer: 1165 743

Aktenzeichen: W 31116 VIII b / 21 d3

Anmeldetag: 22. November 1961

Auslegetag: 19. März 1964

Die Erfindung bezieht sich auf Spannungs- und Stromregler und insbesondere auf Schutzschaltungen für solche Regler.

Wenn bei Reihentransistorreglern der bekannten Art die Ausgangsklemmen zufällig kurzgeschlossen werden, so wird die in dem Eingangs-Filter-Kondensator gespeicherte Energie augenblicklich an den Kollektor- und Emitterelektroden des Reihenregeltransistors auftreten. Die Größe der Spannung, die auf diese Weise über den Kollektor-Emitter-Elektroden des Transistors auftritt, überschreitet üblicherweise die maximale normale Transistorbetriebsspannung und verursacht eine Dauerbeschädigung des Transistors.

Die naheliegende Lösung dieses Problems scheint in der Anbringung einer Schmelzsicherung zu bestehen, die in Reihe mit dem Schaltungsausgang liegt. Eine Schmelzsicherung hat jedoch eine Ansprechzeit, welche vom Augenblick der Überlastung bis zu dem Zeitpunkt reicht, wo die Sicherung endgültig durchschlägt. Da die in dem Eingangs-Filter-Kondensator gespeicherte Energie augenblicklich an den Emitter-Kollektor-Elektroden des Transistors auftritt, wenn ein Kurzschluß am Ausgang stattfindet, so ist die Ansprechzeit der Schmelzsicherung derart groß, daß der Transistor beschädigt wird.

Es wurde gefunden, daß diese Schwierigkeit dadurch überwunden werden kann, daß man einen Kondensator über den Kollektor-Emitter-Elektroden des Transistors in Reihe mit der Schmelzsicherung anbringt. Wenn bei dieser Anordnung ein zufälliger Kurzschluß zwischen den Ausgangsklemmen auftreten sollte, so würde der Kondensator die Geschwindigkeit des Spannungsanstieges über den Kollektor-Emitter-Klemmen des Transistors begrenzen und zur gleichen Zeit die Schmelzsicherung zum Ansprechen bringen, um den Störzustand am Ausgang wirksam zu beseitigen. Die Anwesenheit des Kondensators hat jedoch in Verbindung mit der Reihenbetätigung den Nachteil, daß er die normale Regelfunktion des Transistors stört, die darin besteht, daß einerseits ein rascher Wechsel der Eingangsspannung und andererseits die Hochfrequenzkomponenten der Welligkeit absorbiert werden.

Es ist auch festgestellt worden, daß die Kollektor-Emitter-Elektroden des Reihenregeltransistors dadurch geschützt werden können, daß man dieselben mit einer Zenerdiode überbrückt, die für einen Durchschlag bei einer Spannung bemessen ist, die geringfügig oberhalb des maximalen normalen Spannungsabfalls über den Kollektor-Emitter-Elektroden liegt. Die Zenerdiode stört die normalen Regler-Regler-Schutzschaltung

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Billy Harold Hamilton, Summit, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 15. Dezember 1960

(Nr. 75 972)

funktionen des Transistors nicht. Da jedoch Zenerdioden mit einer Leistungsbemessung, die ausreicht, um dem Spitzertladestrom standzuhalten, nicht ohne weiteres verfügbar sind, so ist diese Verfahrensart begrenzt.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Regler-Schutzschaltung" verfügbar zu machen, welche die normalen Regelfunktionen nicht stört.

Es ist eine Schaltung bekannt, bei der ein Kondensator verwendet ist, der einen Flip-Flop-Kreis auslöst, um den Stabilisiertransistor von dem leitenden Zustand in den nicht leitenden Zustand zu bringen.

Eine andere bekannte Anordnung verwendet eine Diode mit einer besonderen Charakteristik, die von einer hohen Impedanz zu einer niedrigen Impedanz bei Spannungen oberhalb eines bestimmten Pegels wechselt, wodurch ein Transistor, an den die Diode angelegt ist, effektiv kurzgeschlossen wird. Bei einer Überlastung schließt diese Diode den Transistor kurz und bewirkt, daß andere Transistoren gesättigt werden, wodurch eine Sicherung anspricht.

Die bekannten Schutzschaltungen arbeiten alle indirekt auf den Reglertransistoren, wodurch — abgesehen von höheren Kosten — die Betriebssicherheit durch die hierzu erforderliche vergleichsweise große Zahl der verwendeten Schaltelemente ungünstig beeinflußt wird.

Es ist daher auch ein Ziel der Erfindung, eine Regler-Schutzschaltung verfügbar zu machen, welche einfach aufgebaut ist und eine hohe Betriebssicherheit aufweist.

409 539/229

Bei einer Schutzeinrichtung für eine Reglerschaltung mit einem Rückkopplungsreglerkreis zum Regeln des aus einer nicht geregelten Spannungsquelle zu einer Last fließenden Stromes, mit einem eine Eingangsklemme der Spannungsquelle mit einer Ausgangsklemme der Last und dem Rückkopplungsreglerkreis koppelnden Transistor mit mit einer parallel zum Transistor geschalteten passiven Impedanz werden diese Ziele dadurch erreicht, daß die passive Impedanz einen Kondensator und eine hiermit in Reihe geschaltete asymmetrisch leitende Vorrichtung aufweist, die von einem Teil der ungeregelten Spannung auf einen Betrag umgekehrt vorgespannt ist, der sicherstellt, daß die passive Impedanz in einem vorbestimmten Laständerungsbereich nichtleitend, aber bei diesen Bereich überschreitenden Laständerungen leitend ist.

Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; die Zeichnung veranschaulicht die schematische Darstellung eines Reihenspannungsreglers im Sinne der Erfindung.

Wie die Zeichnung erkennen läßt, sind PNP-Transistoren 1 und 11, eine asymmetrische leitende Zener-Vorrichtung 10, eine asymmetrisch leitende Vorrichtung 3, ein Schmelzleiter 4, Kondensatoren 2 und 7, eine Wechselstromquelle 9, eine Zweiweggleichrichterbrücke 8, Widerstände 5, 6, 12 und 16 und ein regelbarer Widerstand 13 vorgesehen. Die Klemmen 14 und 15 sind die Ausgangsklemmen.

Die Eingangswechselstromquelle 9 ist an den Eingang der Zweiweggleichrichterbrücke 8 angeschlossen. Der Filterkondensator 7 liegt über dem Ausgang der Brücke 8, und ein Spannungsteiler, der aus den Widerständen 5 und 6 besteht, ist über den Filterkondensator 7 geschaltet. Die Schmelzsicherung 4 ist zwischen einer Klemme des Ausgangs der Brücke 8 und der Ausgangsklemme 14 angeschlossen. Die Kollektor-Emitter-Elektroden des Transistors 1 liegen in Reihe zwischen der negativen Gleichstromklemme der Brücke 8 und der Ausgangsklemme 15. Der Kondensator 2 und die asymmetrisch leitende Vorrichtung 3 bilden eine Reihenschaltung parallel zu den Kollektor-Emitter-Elektroden des Transistors 1. Der Verbindungspunkt zwischen Kondensator 2 und der asymmetrisch leitenden Vorrichtung 3 ist mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstandes und 6 verbunden. Die asymmetrisch leitende Zenervorrichtung 10 und der Widerstand 12 bilden eine Reihenanordnung parallel zu den Ausgangsklemmen 14 und 15. Der einstellbare Widerstand 13 liegt an den Ausgangsklemmen 14 und 15. Der Kollektor des Transistors 11 ist mit der Basis des Transistors 1 verbunden. Der Emitter des Transistors 11 steht mit dem Verbindungspunkt zwischen der asymmetrisch leitenden Vorrichtung 10 und dem Widerstand 12 in Verbindung. Der Widerstand 16 ist über den Basis-Kollektor-Elektroden des Transistors 1 angeschlossen.

Die Arbeitsweise des Reglers ist wie folgt: Wenn die Ausgangsspannung über den Klemmen 14 und 15 mit Bezug auf ihren normalen Betriebswert weniger positiv werden sollte, so wird ein mittels des einstellbaren Widerstandes 13 bestimmter Teil dieser Änderung mit der Standardspannung der asymmetrisch leitenden Zenervorrichtung 10 in Vergleich gestellt, welche ihrerseits die Basis-Emitter-Sperrschicht des Transistors 11 derart vorspannt, daß der Kollektor-Emitter-Stromfluß des Tranisstors 11 geringer wird. Die Verkleinerung des Stromflusses durch den Kollektor-Emitter-Weg des Transistors 11 hat einen erhöhten Stromfluß aus der Basis des Transistors 11 zur Folge, wodurch der Transistör 1 im Leitungssinne weiter vorgespannt wird; daraus ergibt sich ein erhöhter Emitter-Kollektor-Stromfluß durch den Transistor 1. (Der Stromfluß durch den Vorspannungswiderstand 16 ändert sich nicht merklich.) Der erhöhte Stromfluß durch den Emitter-Kollektor-Weg des Transistors 1 hat einen erhöhten Stromfluß durch die Belastung zur Folge, die an die Ausgangsklemmen 14 und 15 angeschlossen ist; auf diese Weise wird die ursprünglich weniger positive Änderung über den Ausgangsklemmen 14 und 15 ausgeglichen.

Die in dem Eingangsfilterkondensator 7 gespeicherte Spannung hat die gleiche Größe wie die Spannung, welche an den Ausgangsklemmen der Gleichrichterbrücke 8 erscheint. Die Größe der in dem Kondensator 2 gespeicherten Spannung wird durch den Spannungsteiler bestimmt, der aus den Widerständen 5 und 6 besteht; es handelt sich somit um eine Zwischenspannung mit Bezug auf die über dem Kondensator 7 erscheinende Spannung. Die Ladung des Kondensators 2 besitzt die aus der Zeichnung ersichtliche Polarität; aus der Zeichnung ist darüber hinaus leicht erkennbar, daß die herkömmliche asymmetrisch leitende Vorrichtung 3 unter normalen Betriebsverhältnissen in Gegenrichtung vorgespannt ist.

Wenn die Ausgangsklemmen 14 und 15 bei einer Regler-Ausführung zufällig kurzgeschlossen werden sollten, wobei der Kondensator 2, die asymmetrisch leitende Vorrichtung 3 und die Widerstände 4 und 5 nicht vorgesehen sind, so würde das in dem Eingangsfilterkondensator? gespeicherte Potential augenblicklich über den Kollektor-Emitter-Elektroden des Reihenregeltransistors 1 auftreten, wodurch, wie bereits hervorgehoben wurde, eine Dauerbeschädigung des Transistors bestehen würde. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schutzschaltung ist erkennbar, daß im Falle eines zufälligen Kurzschlusses der Ausgangsklemmen 14 und 15 die Ladung des Kondensators 7 die asymmetrisch leitende Vorrichtung 3 im Sinne der Stromleitung vorspannen und dadurch dem Kondensator 2 die Möglichkeit geben, sich langsam auf das höhere Potential des Kondensators 7 aufzuladen. Die Zeitspanne, die der Kondensator 2 für die Aufladung auf das höhere Potential benötigt, ist um ein Vielfaches größer als die Zeitspanne, die für das Ansprechen der Schmelzsicherung 4 und die öffnung des Kreises zur wirksamen Beseitigung des Störzustandes erforderlich ist. In einer ähnlichen Weise werden die Kollektor-Emitter-Elektroden des Transistors 1 ebenfalls gegen Übergangsspannungen geschützt, welche während der Einschaltung des Kreises auftreten. Übergangsspannungen bei der Einschaltung beruhen auf der Kapazität in dem Belastungskreis.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung für eine Reglerschaltung mit einem Rückkopplungsreglerkreis zum Regeln des aus einer nicht geregelten Spannungsquelle zu einer Last fließenden Stromes, mit einem eine Eingangsklemme der Spannungsquelle mit einer Ausgangsklemme der Last und dem Rückkopp-

lungsregelkreis koppelnden Transistor und mit einer parallel zum Transistor geschalteten passiven Impedanz, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Impedanz einen Kondensator und eine hiermit in Reihe geschaltete asymmetrisch leitende Vorrichtung aufweist, die von einem Teil der ungeregelten Spannung auf einen Betrag umgekehrt vorgespannt ist, der sicherstellt, daß die passive Impedanz in einem vorbestimmten Laständerungsbereich nichtleitend, aber bei diesen Bereich überschreitenden Laständerungen leitend ist.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator auf eine zwischen den Spannungsextremen der ungeregelten Spannungsquelle liegende Spannung vorgespannt ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrisch leitende Vorrichtung eine Diode ist, die unter dem Einfluß der an dem Kondensator liegenden Spannung bei normalen Betriebsbedingungen der Reglerschaltung in Sperrichtung vorgespannt ist.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 3, bei der die ungeregelte Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, zu der ein zweiter Kondensator parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler, der aus einem ersten und zweiten Widerstand gebildet ist, an der Spannungsquelle liegt und die Gleichspannungsquelle die Vorspannung für den ersten Kondensator bildet, und daß der erste Kondensator an die Verbindungsstelle der beiden Widerstände angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 093 886,
820, 1072 714, 1063 696.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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