DE1488957A1

DE1488957A1 - Schutzanlage fuer transistorisierte Stellglieder

Info

Publication number: DE1488957A1
Application number: DE19651488957
Authority: DE
Inventors: Feldmann Dr-Ing Hans-Helmut
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1965-10-08
Filing date: 1965-10-08
Publication date: 1969-07-31

Description

achutzschaltuxi; für transistorisierte ateilglieder

Die Erfindung betrifft eine ichutzschzil txxn,; i'ür transistori#

sierte elektronische Stellglieder, in:;beaori,iere fär stetig

auistnuerbare Verstärker, vieren .iueit;;azr@;@@strme in einer Rich-

tung von jeweils einem Leistungstransistor oder einer Leietunt;e-

transiatorgruppe so geführt weriien, (lall l ie Verstärker Leiatung

abgeben oder, was besonders bei motorischen Verbrauchern wich-

tig ist, Leistung aufnehmen können.

Vür die Brauchbarkeit derartiger Verstärker iat oft ein wirk-

samer Schutz gegen flIerlastung und Kurzschluß von großer-4#ah-

tigkeit, besonders bei Verbrauchern mit einer sich ändernden

Gegen-EMi;, .iie sie z.B. ankergespeiste Gleichstrommotoren dar-

stellen. Hier können beim Anfahren und bremsen sowie bei apruag-

arti;er Aussteuerung unzulässig hohe Ströme fließen, die Ver-

stärker und Motor gefährden.

Es sind bereits Schutzschaltungen bekannt, bei denen in Reihe mit dem Laststromkreis eines Transistorsein Widerstand geschaltet ist, an dem eine dem Laststrom proportionale Spannung abfällt. Überschreitet der Laststrom einen bestimmten Jert, so ;vird ein von der proportionalen Spannung oder einem dieser entsprechenden Strom beaufschlagtes Steuerelement ausgesteuert und beeinflußt den stromführenden Transistor in sperrendem Sinn. Bei derartigen Begrenzungsschaltungen ist nicht darauf Rücksicht genommen, daß es Betriebsbereiche gibt, in denen die durch die Strombegrenzung zugelassenen von der Aussteuerung abhängigen Ausgangsströme weit über den durch die hyperbolischen Yerlustleistun;skurven der Transistoren begrenzten Werte lieüen. Die zulässigen Ströme sind besonders stark begrenzt, wenn der Verstärker von dem Verbraucher Leistung aufnimmt. Um die Transistoren in den verbotenen Betriebsbereichen nicht zu gefährden, müßte die Stromgrenze sehr weit herabGesetzt :werden, so daß in dem gesamten Bereich, in dem der Verstärker Leistung abgibt, und bei gerinücr Ausstauerung in dem Bereich, in dem er Leistung aufnimmt, die Transistoren nicht ausgenutzt wären.

Zur Behebung dieses Übelstandes wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, jeweils einer zur Ausganbsstrombegrenzung die Steuerelektrode eines elektronischen Steuerelementes über mindestens einen Jiderstand beaufschlagenden, dem Ausgangsstrom eines Transistors proportionalen Spannung eine weitere von der am Stellglied liegenden Spannung abhängige Spannung über einen weiteren Niderstand hinzuschalten, die so gepolt w Ist, daß die Stromgrenze sich mit zunehmender Spannung an dem zu schützenden Transistor erniedrigt.

Als elektronisches Steuerelement dient bei Transistorverstärkern zweckmäßig ebenfalls ein Transistor, ein sogenannter Begrenzungstransistor, dessen Basispotential von über ein Widerstandsnetzwerk fließenden Strömen bestimmt wird, die von der an dem zu schützenden Transistor liegenden Spannung und von dem Laststrom abhängig; diesen Größen beispielsweise proportional sind. Werden die Leistungstransisto..-en des Verstärkers von Steuertransistoren Besteuert, was bei größeren Ausgangsleistungen im allgemeinen üblich ist, so werden zweck- mäßig die Steuertransistoren von dem Begrenzungstransistor beeinflußto Uni eine Begrenzung vereinzelt und kurzzeitig auftr3tender ),astatöße, wie sie z.8. beim Anfahren und Bremsen von Gleichstrommotorgn gelegentlich auftreten, auf im Dauerbetrieb :u-

lässige .:erte zu verhindern, wird die Stromgrenze vorteilhaft

kurzzeitig über den stationären :'rert erhöht Hierzu wird zu

,igm Widerstand, d=ir rait der aus(;ar.3sstroml)roportioii,:len Span-

i ring beaufsehlagt :"ird. ein z.13. als RC-Glied ausgebildeter

@o.n.nungsteiler tiin:uc"?scli"ili:et*, der bei "prulij,ra.it(iii Ände-

-;:,ungen des [email protected]@@ _@es n,ir ei iic-ii '.!'eil der <diesem pi oportio-

:i_il.en Spannung auf Iie Fasis des 1?cirenzu@i-siransi.;zi;ors

i;'.@erträgt. Bei in kurzer Znitabständen i.uf'einanderl olGeriden

Laststößen l;önnoi-- hierbei j(---c7.ocli ohne zu"3ätzliclie Ii'._--:.ßnalimen

Jie Leistunjstraiisi.stoi-en des Verstärkers überlastet werden,

. :: #-..n die Strombe;,;reiizun#sschaltung erst: beY der höheren

dynamischen Strom"renze anspricht. wird dafür gesorgt, daß

der über eine Diode aufgeladene Kondensator des 11C-Gliedes

sich über einen hochohmigen .:iderstand entladen kann, so .

erreichen die von Laststößen hervorgerufenen Spannungs- bzw.

Stromimpulse an der Basis des Begrenzungstransistors nur

dann den-Schwellenaert, evenn der Zeitabstand zwischen ihnen

nicht so groß war, daß-der Kondensator sich genügend ent-

laden konnte. Auf diese `,leise werden die LeistungstranAisto-

ren von schnell aufeinanderfolgenden Laststößen entlastet,

d.h. sie erhalten je.veils eine ausreichend bemessene Erhol-

zeit, während ungefährliche, vereinzelt auftretende Strom- "

stöße bis zur Höhe der gegenüber der stationären Stromgrenze "

erhöhten dynamischen Stromgrenze übernommen werden.

Die Linie, die im Kennlinienfeld der über den Ausgangsströmen

aufgetragenen kusüanvsspannungen die durch die erfindungs=

gemäße Schutzschaltung bestimmten Stromgrenzen-bei den ein- `

zelnen Steuerströmen miteinander verbindet, ist eine Gerade.

Ihre Neigung hängt von der Größe des @lider;standes ab=" der

von der Spannung beaufschlagt wird, die vors der Ausgangs-

sparin.ung abhängt; die Stromverte hingegen 1, c`dxnen über den

von der ausgangsstromproportionalen Spannzrri, beaufschlagten

".liderstar.d ein"estellt werden.

Eine besonders Lette Anpassung an die Grenz@<iromlinie ist

durch einen spannungsabhängigen ;Viderstand r.töglich.

Spannungsabhängige .iiderstandsxerte hat z.ßt ein Netzwerk

von ::iderständen, die mittels spannungsabhäij.giger Schwellen-

wertglieder,":vie Zenerdioden= in Abhängigkeit von der--ppannung

zu-, und abgeschaltet werden.

Die-Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise

erläutert. E$ zeigt '

Fig. 1 die erfindungsGemäße Strombegrenzungsschaltung

bei einem aus wvei von Je-- :eils einer Gleichspan-

nungsguelle gespeisten heistungstransistorstufen

bestehenden Gleichspannungaverstätker

Fig. 2 die. Belastungskennlinien mit den Stromrenzen

In Fig. 1 liegen zwei Gruppen parallelgeschalteter Leistungs-

transistoren p2, p3, p49 P5 und p2', p3', p4', p5'! die das

eigentliche Stellglied darstellen, an gleichgroßen Speise-

spannungen U bzw. U'; diese Spannungen werden von einem

gemeinsamen Netzteil N erzeugt, der aus sekundären Transfor-

mator xicklungeh ml, Dioden n1 , n2 bzw, n1 ' , n2' sowie Glättungs-

kondensatoren k2 und k2' besteht. Zdischen den Klemmen A und

liegt

beispielsweise ein Gleichstrom-

motor, dessen Ankerspannung durch die Stellglieder nach Be-

trag und Richtung geändert werden soll.

G.#.@steuert !erden die Leistungstransistoren jeweils von in

rmitterfolgerschaltwa,g betriebenen Steuertransistoren pt1 !

p@2 Lzw. ptl', pt2', die ihrerseits :nieder durch Vorsteuer-

transistoren p1, p1 l angesteuert eerden. Zur Spannungsver-

jorgung der Transistoren p1 und p1' dJ.ent eine Gleich-

richterbrücke n3, deren Jechselspannungseingänge an einer

Sekundärwircklung m2 des Netztransformators m liegen. Die

Primärwicklung m3 des Netztransformators liegt an Netzspan-

nung. jio,

Die Arbeitsweise der in der Fig. 1 enthaltenen Strombegren-

zungsanordnung wird im folgenden bei der Gruppe mit den. un:-

gestrichenen Bauteilen erläutert; die Jirkungsweise der

Strombegrenzungsanordnung der anderen Gruppe ist die gleiche.

An dem'von den Ausgangsströmen der Leistungstransistoren

p2*.-...p5 durchflossenen Ziderstand r6 ;wird eine strompro-

portionale Spannung abgenommen und dem Potentiometer zuge-

führt, dessen Abgriff über den Widerstand r 12 mit der Basis

des fegrenzungatransistors p6 in Verbindung steht. Erreicht

dessen Basis-Emitterspannung einen bestimmten Schwellenwerts,

so wird der Transistor p6 plötzlich leitend. und senkt dadurch

das Basispotential des Stauertransistors ptlab. Dieser sperrt

und begrenzt dadurch-den Ausgangsstrom.' An dem Abgriff des

Potentiometers r 10 kann die Stromgrenze eingestellt werdend

In Fig. ? ist strichliert das Kennlinienfeld der Ausgangs- -

spannunen U2 über den Ausgangsströmen J2 in Abhängigkeit

von der Eingangsströmen J',1 als Parameter aufgetra en. Bei

einem bsstimmten-:Ies-t, zae:-, J2 m 15 A, setzt die Stroicae-

grenzu.ng ein, so daß J'2 nicht. weiter ansteigen kann. Die

Grenzen der VerlusGleistungen der Leistungstransistoren

sind durch die bekann;en Hyperbeln P und P; gegeben, die der

Tendenz nach ebenfalls eingezeichnet sind. Es ist nun er-

sichtlich,.d.aß insbes. im IIo und IV. Quadrant, deh. im gene-

ratorischen Bereich des Motors V, Betriebsfälle auftreten

können! bei denen d Ze- VQ@@[email protected]:st wagsgrenzen erheblich über-

schritten werden.'Dädurch sind die Leistungstransistoren

gefährdet; oder die Stromgrenze muß so stark herabgesetzt

werden, daB die Ausnützung der Transistoren im gesamten

motorsehen Bereich* (I. und IIIo eüadrant) des Verbrauchers v

sehr ungünstig wird. .

Um diesem f-belstand abzuhelfen, wird-das Einetzen der Strom-

begrenzung gemäß der Erfindung zusätzlich von der Ausgangs-

Spannung am Stellglied abhängig@gemdcht. Hierzu ist in der

Schaltung der Fig. 1 ein Jidersstand r 9 vorgesehen, der so

mit dem-Perstärkerausgang verbunden ist, daß er von einem

spannuägsproportionalen Strom durchflossen:wird, der 'sich Zu

dem stromproportionalen über die :`lider$t'ende r1fl und r12

fließenden Strom hinzuaddiert. Der Kennlinienverlauf in- Fig.2

erhält dann den durch die ausgezogene Kurve dargestellten

Verlauf. Er zeigt, daß die Stromgrenze in erwünschter .!eise

im motorischen Bereich finit zunehmender Aussteuerung ansteigt,

während sie im generatorischen Bereich des Motors abnimmt.

In vielen Fällen ist eine kurzzeitige Erhöhung der Strom-

grenze erwünscht, Z.B. iLu hohe Beschleunigungen das Ankers

des Motors V zu erzielen. Eine derartige kurzzeitig- Erhöhung

der Stromgre-.ze ist mö'_i :h, da insbesondere Leistungstran-

.is4-oren kua,zzeit-4,- Ströme führen können" die erheh:.ich über

. - V J# -

den für Dauerbetrieb zulässigen Strömen. liegen. Inas IC-Glied

rF#" k3 bewirkt eine Teilung ler von dem Potentiometer r 10

auf die Basis des Begrenzungstransistors p6 gelangenden Span-

nung. bie Aufgabe- des Kondensators k3 besteht darin, die

Opannunt;steilung zeitabhängig zu machen. Ist er ungeladen, so

A

gelangt nur ein durch das Widerstandsverhältnis --

bestimmter Anteil der Spannung zu der Bis des Begrengungso-

transistors p 6. Damit setzt die Stromgrenze bei durch das

fiderstandaverhältniß bestimmtem höherem La®tstrom ein:

t

Bei einer sprungartigen Erhöhung des Steuersignals, die

kurzzeitig eine hohe Beschleunigung des Motorankern und

damit eine entsprechende Erhöhung des

zur 3'slge

hat, kann auf die beschriebene leise mit einer kurzzeitig-

wesentlich höheren Stromgrenze gefahren werden, ohne daß die

Transistoren gefährdet sind,

mit zuneh@tender Erhöhung der gondensatorladung über die

Diode n 4 erhöht sich auch das Usis'potential des BeGrenzungs-

transistors p6, so daß eine,immer kleinere auf die Basis

von p6 gelangende stromproportionale Spannung ausreicht, um

die Strombegrenzung zu bewirken.`Dadurch ist sichergestellt,

daß bei schnell hintereinander auftretenden Stromstößen die

dynamische Stromgrenze wieder herabgesetzt.wirä. Der Konden-

sator k3 entlädt sich über den hochohmigen Widerstand r 'I"!

verhältniemä.ßig langsam, wobei sich mit zunehmender Entladung

die dynamische Stromgrenze wieder erhöht. Nach einer von der

Entladezeit des Kondensators k3 bestimmten Erholzeit ist

der Verstärker also zur h.ufnahme voir Laststromstößen bis zur

Höhe der@dynamischen Stromgrenze wieder bereit.

Die 7erte, bei denen die Strombegrenzung einsetzt, liegen

s

auf Geraden# deren Neigung durch Änderung von r9 geändert

werden kann. Ersetzt man r9 durch spännungsabhängige Wider-

stände, die z.H. durch ein nicht dargestelltes Widerstanäe@.

netzwerk mit Zenerdioden realisiert werden können, so kann

der oerlauf der $egrenzun,skurve vor allem im #iototischen

Bereich den Verlustleistungshyperbeln noch besser fokpen.

Die Anwendbarkeit der Erfindung .ist nicht auf den in dem Aus-

führungsbeispiel dargestellten Verstärker begrenzt. Die Er-

findung ist z.B. mit Vorteil bei transistoräskerten Verstärkern;

in Brücken.. oder Kittelpunktschaltuugen verwendbar" Auch

elektronisch- tabilislerte Netzgeräte können. mit der erfin-

dungsgemäßen Schutzschaltung optimal geschützt werden.

Claims

Patom@tansprüc«he

1) Schutzschaltung f'ür ,stetig gesteuerte Stellglieder, - ins-. bes. Verstärker mit mindestens zwei den Aung`angegleich- etrom jeweils ii: einer' Riehtwag aufnehmenden und/oder abgebenden Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß je- w414.14ner zur ÄuoSangsstrombegrenzung die Steuerelektrode eines elektroniechSteuerelementes (p6, p6') über minäestens einen 'Jiderstand _(r10 r12, r 10' , r 12' ) beaufschlägenden, . dem Ausgangsstrom eines Transistors (p2....p5, p2'...p'5')

proportionalen Spannung eine heitere von der am Transistor (p2...op5, p2'...:p5') liegenden#bh''aügige Spannung über .

einen weiteren@-,'liderstand (r9, r9') hinzugeschaltet-izt, die sö"gepolt ist, daß d18 Stromgrenze sich mit zunehmen- der Spannung an dem zu schützenden Transistor erniedrigt. 2) Schutzschaltung nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisches Steuerlement.ein Transistor (Begren- zungstransistor) (p6, p6') vorgesehen ist, dessen Basis- potential von über ein Widerstandsnetzwerk fließenden Stre- men bestimmt wird, die von der an dem zu schützenden Tran- sistor (p2....p5, p2'....p5') liegenden Spannung und von dem Laststrom abhängig sind-. 3) Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch jekenazeichnet, daß der BegrenzunG.stransistor_(p6, p6').die Leistungstran-

$ietoren (p2p...p5,.p2'..-..p5') Über deren Steuertransistoren (Ptl , ptl t) beeinflußt, 4) Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet* daß bei stoßartigen .nderungea des last- atrastes die Stromgrenze gegenüber dem stationären Jert kurzzeitig erhöht wird., 5) Sahutasahaltuag mich Anspruah 1 oder folgendem dadurch gekS=eeiahaet- d3 das der 'Steuerelektrode des elektro- nieohen Steuerelenenteo zugeführte Signal über einen: frequenzabgJ.ge -Spannungsteiler (ßC-Glied r8, k3, r8#.9 k3') geführt - int s der bei eprufhaftersiung des Last- stromeä nur einem Teil der dieses proportionalen Spannung überträgt 6) Sahutzechaltung nach Anspruch .1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, dag die Ladung des Kondensators (k3, k3' ) des RC..@Gliedes Über eine Diode (n4, n4') !die Entladung Tiber einen hochohmigen giderstand (r 119 r11') folgt. 7) Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder fAgenden' dadurch. gekennzeichnet, das der Widerstand (r9, r9'), der von der Spannung beaufschla-t wird, die von der an dem zu schützen- den Transistor (p2 ... p5, p2' :..p5,) liegenden. Spannung _ abhängt, einstellbar ist. 8) Schutzsc:,altung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, das die Werte ..des Widerstandes (r9, r9') der von einer .

der am zu schützenden Transistor liegenden Spannung proportionalen Spannung beaufschlagt wird, spannungsabhängig sind* 9) Schutzschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als spannungsabhängiger Widerstand ein Netzwerk aus Zenerdioden und.-Widerständen vorgesehen ist,