DE2306013A1

DE2306013A1 - Verfahren und anordnung zur begrenzung der verlustleistung in elektronischen bauelementen

Info

Publication number: DE2306013A1
Application number: DE2306013A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Schaeff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-02-07
Filing date: 1973-02-07
Publication date: 1974-08-15
Also published as: SE395574B; ATA1091073A; DE2306013B2; IT1006219B; US3899718A; GB1460853A; DE2306013C3; AT328025B

Description

Verfahren und Anordnung zur Begrenzung der Verlustleistung in elektronischen Bauelementen

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Begrenzung der Verlustleistung in elektronischen Bauelementen hei unzulässig hohen Verbraucherströmen.

Zum Schutz von wärmeempfindlichen elektronischen Bauelementen, insbesondere Halbleiterbauelementen, bei Kurzschlüssen oder Überströmen im Verbraucherstromkreis sind Sicherungsschaltungen bekannt, die den Verbraucherstrom schnell unterbrechen. Es ist auch eine Wiedereinschaltvorriehtung bekannt, die nach erfolgter Abschaltung den Strom periodisch wieder einzuschalten versucht. Dies gelingt erst dann, wenn die Ursache für die Überlastung beseitigt worden ist.

Diese bekannte Wiedereinschaltvorrichtung ist bei Stromkreisen nachteilig, die Elemente mit hohem Einsehaltstrombedarf enthalten, wie beispielsweise kapazitive Verbraucher oder Glühlampen.

Der Einschaltstromstoß läßt die Sicherungsschaltung ansprechen, die sofort den Strom unterbricht. Beim Wiedereinschalten tritt der Einschaltstromstoß erneut auf und löst wieder eine Abschaltung aus.

Man kann swar "^rs-uchen, diesem EffeJr*: durch eine Anspi'echverzögerung vorzubeugen, die so bemessen ist, daß die

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Sicherungsschaltung erst nach Abklingen des normalen Einschaltstromstoßes wirksam wird. Dann besteht aber die Gefahr, daß bei einem echten Kurzschluß im Verbraueherstromkreis die während der Ansprechverzögerung entstehende Verlustleistung bereits ausreicht, um das elektronische Bauelement zu zerstören. Außerdem ist eine Sicherungsschaltung mit Ansprechverzögerung nicht für elektronische Bauelemente geeignet, die bereits von einem hohen Einschaltstromstoß zerstört wurden. Dies ist beispielsweise bei integrierten Schaltkreisen der Fall.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Verlustleistung bei elektronischen Bauelementen so zu begrenzen, daß sowohl hohe Einschaltstromstöße wie auch Dauerkurzschlußströme nicht zur Zerstörung des Bauelements führen können. Dies wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß der Verbraucherstrom bei einem Anstieg über einen Schwellwert auf einen Maximalwert begrenzt, nach Ablauf einer überschwelligen Stromstandzeit abgeschaltet und nach einer Pausenzeit selbsttätig wieder eingeschaltet wird.

Mit dem Maximalwert des Stromes, der Stromstandzeit und der Pausenzeit hat man drei unabhängige Größen in der Hand, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren auf unterschiedliche Anwendungsfälle abgestimmt werden kann. Zusätzlich kann die Ansprechempfindlichkeit durch Wahl des Schwellwertes eingestellt werden. ,

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Begrenzung der Verlustleistung bei steuerbaren elektronischen Verstärkerbauelementen, insbesondere Transistoren, angewendet werden soll, so sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der Verbrauchers trom durch Einwirkung auf die Ansteuerung begrenzt, bzw. ab- und wieder eingeschaltet wird. Dann braucht nicht der hohe Verbraucherstrom, sondern lediglich der wesentlich kleinere Steuerstrom begrenzt bzw. geschaltet zu werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren, wird' anhand des Stromdiagramms der Figur 1 beispielhaft erläutert, bei dem der Stromverlauf

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über der Zeit aufgetragen ist.

Bis zum Zeitpunkt T, fließt ein normaler Verbraucherstrom I^.

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Im Zeitpunkt I, bildet sich ein Kurzschluß aus, der einen Anstieg des Stromes hervorruft. Beim Überschreiten des Schwellwertes I₁ beginnt die Stromstandzeit t₁, nach deren Ablauf der Strom abgeschaltet wird, wenn er auch dann noch den Schwellwert I₁ übersteigt. Während der Stromstandzeit t₁ wird der Strom auf den Maximalwert I₂ begrenzt, damit eine definierte Strom-Zeit-Fläche nicht überschritten wird. Nach Ablauf der Pausenzeit t₂ wird der Strom wieder eingeschaltet. Da der Kurzschluß noch ansteht, wird nach einer weiteren Stromstandzeit der Strom erneut abgeschaltet. Dies wiederholt sich so lange, bis zum Zeitpunkt T^ der Kurzschluß beseitigt ist und beim darauffolgenden Wiedereinschalten des Stromes der Schwellwert I₁ nicht mehr überschritten wird.

Durch geeignete Wahl des Maximalwertes I₂, der Stromstandzeit t₁ und der Pausenzeit T₂ kann die mittlere Verlustleistung so bestimmt werden, daß,selbst ein Dauerkurzschluß das zu schützende elektronische Bauelement nicht zerstören kann. Die anfallende mittlere Verlustleistung ist um einen aus dem Verhältnis von Stromstandzeit zu Pausenzeit ableitbaren Faktor geringer als bei einer einfachen Begrenzung des Verbraucherstroms.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Begrenzung der Verlustleistung in elektronischen Bauelementen ist insbesondere bei VerbraucherStromkreisen mit Elementen vorteilhaft, die einen so großen Einschaltstromstoß erzeugen, daß dieser das elektronische Bauelement zerstören würde. Dies trifft beispielsweise bei kapazitiven Verbrauchern oder bei Glühlampen zu. Bei einer Glühlampe im Verbraucher Stromkreis wird man beispielsweise die Pausenzeit so wählen, daß der G-lühdraht beim Wiedereinschalten nicht völlig erkaltet und sein Widerstand dann bereits größer ist als der Kaltwiderstand.

Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens vorzuschlagen. Eine solche Anordnung umfaßt erfindungsgemäß eine Begrenzer-

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schaltung für den maximalen Verbraucherstrom und einen Grenzwertmelder, der nach Überschreiten des Schwellwertes ein Zeitglied anstößt, das nach Ablauf der Stromstandzeit den Yerbraucherstrom ab- und nach Ablauf der Pausenzeit wieder einschaltet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Anordnung sieht vor, daß das Zeitglied einen Kondensator enthält, dessen Ladespannung einen Kippverstärker mit einstellbarer, selbsttätig umschaltender oberer und unterer Sehaltschwelle beeinflußt, der beiseiner oberen Schaltschwelle den Verbraucherstrom unterbricht und bei seiner unteren Schaltschwelle wieder einschaltet.

Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer solchen Ordnung. Im VerbraucherStromkreis 1 mit dem zu schützenden elektronischen Bauelement 2 liegt ein Meßwiderstand 3, der einen Grenzwertmelder 4 beeinflußt. Sobald der Verbraucherstrom den Schwellwert I₁ übersteigt, schließt der Grenzwertmelder 4 den Schalter 5 und leitet damit die Aufladung des Kondensators 6 über den Widerstand 7 ein. Der Verbraucherstrom wird durch die Begrenzerschaltung 8 auf einen Maximalwert I« begrenzt. Die Spannung am Kondensator 6 liegt auch am Eingang des Kippverstärkers 9 mit der unteren Schaltschwellenspannung TJ ι und der oberen S ehalt Schwellenspannung

Sobald die Spannung am Kondensator 6 die obere Schaltschwellenspannung Up erreicht hat, betätigt der Kippverstärker 9 das Relais 10. Dieses unterbricht mit dem öffner 11 den Verbraucherstromkreis 1 und stellt mit dem Schließer 12 einen Entladestrompfad mit dem Widerstand 13 für den Kondensator zur Verfugung. Durch die Unterbrechung des Verbraucherstroms schaltet der Grenzwertmelder 4 ab, öffnet den Schalter 5 und beendet den Ladevorgang für den Kondensator 6.

Die Entladung des Kondensators 6 setzt sich so lang© fort, bis die untere Sehaltschwellenspannung U. ©rreicht ist, der Kippverstärker 9 umschaltet und damit auch das Relais 10

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entregt wird. Der Verbraucherstrom kann jetzt wieder fließen. Sofern er noch immer den Schwellwert übersteigt,läuft der Vorgang erneut ab.

Die Zeit zur Aufladung des Kondensators 6 bis zur oberen S ehalt Schwellenspannung TJ₂ stellt die Stromstandzeit dar, während die Zeit zur Entladung des Kondensators 6 von der obern Schaltschwellenspannung Up bis zur unteren Schaltschwellenspannung U₁ als Pausenzeit erscheint. Lediglich beim erstmaligen Ansprechen der Sicherungsschaltung ist die Stromstandzeit um eine geringfügige Zeitdauer langer, die die Kondensatorspannung benötigt, um von Full auf U₁ zu gelangen. Dies beeinträchtigt die Wirksamkeit der Anordnung jedoch nicht.

In Figur 3 ist als Ausführungsbeispiel die Schaltung für eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, die den vom Treibertransistor 15 angesteuerten Ausgangstransistor 16 vor unzulässig hohen Verbraucherströmen schützt. Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt dabei zweckmäßigerweise auf die Ansteuerung des Ausgangstransistors 16.

Der Kippverstärker ist aus den mit ihren Emittern gegeneinander geschalteten Transistoren 17 und 18 aufgebaut. Der Transistor 17 steuert den Transistor 19 an, der die an der Baöis des Transistors 17 liegenden Schaltschwellenspannungen umschaltet. Der Transistor 18 steuert den Transistor 20 an, der durch Einwirkung auf den Treibertransistor 15 den Verbraucherstrom unterbrechen kann.

Im normalen Betrieb ist der Transistor 17 leitend und der Transistor 18 gesperrt. An der Basis des Transistors 17 liegt die Spannung U₁ an, die aus der Versorgungsspannung U-o . , über den Transistor 19 und die Überlaufdiode 21 abgeleitet wird. Der Kondensator 22 ist entladen.

Sobald der Verbraucherstrom über den Schwellwert I₁ ansteigt, und damit der Spannungsabfall an den beiden in Reihe geschalteten Meßwiderständen 23 und 24 die Schwellenspannung

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des Transistors 25 übersteigt, wird dieser leitend und liefert Strom über den Widerstand 26. Ein kleiner konstanter Anteil dieses Stromes fließt über den Entladestrompfad mit dem ständig durchlässig gesteuerten Transistor 27 und dem Serienwiderstand 28 als Stromsenke ab, während der verbleibende Anteil des Stromes den Kondensator 22 auflädt. Die ständig durchlässige Konstantstromsenke 27, 28 bietet den Vorteil, daß kein Schalter für den Entladestrompfad des Kondensators 22 benötigt wird. Außerdem wird der Kondensator 22 auch dann wieder vollständig entladen, wenn seine Spannung die obere Sehaltschwellenspannung U₁ des Kippverstärkers 17, 18 nicht erreicht, weil der unzulässig hohe Verbraucherstrom bereits vor Ablauf der Stromstandzeit wieder unter den Schwellwert abgesunken ist. Wenn jedoch nach Ablauf der Standzeit der Strom noch immer überschwellig ist, so erreicht die Spannung am Kondensator 22 die obere Schaltschwellenspannung TJ₁ des Kippverstärkers 17, 18. Dieser schaltet nun um, der Transistor 18 wird leitend und der Transistor 17 gesperrt. Der Transistor 18 steuert den Transistor 20 voll auf,der Strom an die Basis des Treibertransistors 15 liefert und damit die Ansteuerung des Ausgangstransistors 16 sperrt. Der Verbraucherstrom ist jetzt abgeschaltet und die Aufladung des Kondensators 22 beendet, da der Transistor 25 nicht mehr angesteuert wird. Der Kondensator 22 kann sich über den als Stromsenke dienenden Transistor 27 und den Widerstand 28 mit konstantem Strom entladen, bis seine Ladespannung die untere S ehalt schwell enspannung XI« des Kippverstärkers 17, erreicht hat. Damit ist die Pausenzeit abgelaufen, der Kippverstärker 17, 18 schaltet um und gibt die Ansteuerung des Ausgangstransistors 16 wieder frei.

Zur Begrenzung des Verbraucherstromes auf einen Maximalwert I₂ wird der Spannungsabfall am Meßwiderstand 23 herangezogen, der den Transistor 29 ansteuert. Dieser regelt den Strom des Treibertransistors 15 so, daß der Maximalwert I_? nicht überschritten wird.

3 Figuren
8 Ansprüche

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Claims

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Patentansprüche 2 30 6013

.) Verfahren zur Begrenzung der Verlustleistung in elektronischen Bauelementen bei unzulässig hohen Verbraucherströmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstrom bei einem Anstieg über einen Schwellwert (I-.) auf einen Maximalwert (io) begrenzt, nach Ablauf einer überschwelligen Stromstandzeit (t^) abgeschaltet und nach einer Pausenzeit (tp) selbsttätig wieder eingeschaltet wird.
2. Verfahren zur Begrenzung der Verlustleistung in steuerbaren elektronischen Verstärkerbauelementen, insbesondere Transistoren, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstrom durch Einwirkung auf die Ansteuerung des Verstärkerbauelementes begrenzt, bzw. ab- und wieder eingeschaltet wird.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Begrenzungsschaltung für den maximalen Verbraucherstrom und einen Grenzwertmelder, der nach Überschreiten des Schwellwertes ein Zeitglied anstößt, das nach Ablauf der Stromstandzeit den Verbraucherstrom ab- und nach Ablauf der Pausenzeit wieder einschaltet.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied einen Kondensator enthält, dessen Ladespannung einen Kippverstärker mit einstellbarer selbsttätig umschaltender oberer und unterer Sehaltschwelle beeinflußt, der bei seiner oberen Schaltschwelle den Verbraucherstrom unterbricht und bei seiner unteren Schaltschwelle wieder einschaltet.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kippverstärker aus zwei mit ihren Emittern gegeneinander geschalteten Transistoren (17,18) aufgebaut ist, wobei der eine Transistor (17) einen die an seiner Basis liegenden Schaltschwellenspannungen umschaltenden elektronischen. Schalter (19) und der andere Transistor (18) einen elektronischen Schalter (20) für den Verbraucherstrom ansteuert.

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6. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Meßwiderstand (23, 24) im Yerbraucherstromkreis, dessen Spannungsabfall die Basis eines Transistors (25) ansteuert, der mit dem Kondensator (22) des Zeitgliedes verbunden ist.
7. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Entladestrompfad für den Kondensator des Zeitgliedes, der einen Transistor (27) mit Serienwiderstand (28) als Stromsenke enthält.
8. Anordnung nach Anspruch 7, daß der Transistor (27) der Stromsenke ständig durchlässig gesteuert ist.

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