DE2928227C2 - Gleichstromwandler mit Schutzschaltung - Google Patents

Description

Wandlerbetriebes nach einer störungsbedingten Sperrung »weich« erfolgt, so daß zunächst eine Erregung mit Impulsen geringerer Dauer erfolgt.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Gleichstromwandler der eingangs genannten Gattung, der die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist

Es wird hier also zunächst in üblicher Weise auf das Auftreten überhöhter Energiewerte hin der DC-Wandler für eine vorbestimmte Zeitlänge gesperrt, das Wiedereinsetzen des Wandlerbetriebes erfolgt jedoch nicht, wie nach dem Stand der Technik bekannt, mit vollem Energiewert, sondern die Ansteuerimpulse für den Erregungs-Transistor werden zunächst mit sehr geringem Einschaltverhältnis in der Nähe Null abgegeben, und während der Dauer der Rückkehr zu dem stabilen Zustand des Multivibrators steigt dann das Einschaltverhältnis der Basistreiberimpulse bis zu dem normalen Betriebswert an. Wenn also der ausgangsseitige Kurzschluß nicht beseitigt ist, wird bereits bei geringer Beanspruchung der Wandlerschaltung wiederum ein Sperren der Basistreiberimpulse erfolgen, während dann, wenn die Störung beseitigt ist, der Wandler weich zu seiner vollen Leistung durchschaltet

Dabei ergibt sich beispielsweise der Vorteil, daß bei einer durch Feuchtigkeitsniederschlag herbeigeführten Störung diese sich mit geringerem Leistungsverbrauch selbst beseitigen kann, ohne die Wandlerschaltung in Gefahr zu bringen. Liegt dagegen eine erhebliche, nicht sich selbst beseitigende und länger andauernde Störung vor, so ist die Wandlerschaltung geschützt da bereits bei geringer Impulsdauer, d. h. bei kleinem Einschaltverhältnis ein Auslösesignal für die Schutzschaltung auftritt

Dabei ergibt die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 den Vorteil der freien Wählbarkeit der Sperr- wie auch der Wiedereinschaltdauer, so daß der erfindungsgemäße Gleichstromwandler unterschiedlichen Bedürfnissen angepaßt werden kann.

Schließlich ermöglicht die in Anspruch 3 gegebene vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung eine Entkopplung des Spannungsregelkreises von der Schutzschaltung bei gleichzeitiger Regelung der Einschaltverhältnisse der Basistreiberimpulse nach den Lastverhältnissen während des Normalbetriebes.

Insbesondere kann an den ersten Eingang des genannten !Comparators ein Sägezahngenerator mit fester Spitzenspannung und Periodendauer angelegt werden, wie es grundsätzlich aus der US-PS 37 98 531 bekannt ist, die eine getastete Wechselstrom-Energiequelle beschreibt Es wird dann durch einen Vergleich der gerade anliegenden Sägezahnspannung mit der Abweichung der in einer tertiären Wicklung des Wandler-Transformators gewonnene Spannung von einer festen Bezugsspannung das jeweiligen Einschaltverhältnis der Basistreiberimpulse geregelt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines Gleichstromwandlers mit im mittleren linken Teil gestrichelt eingezeichneter Schutzbeschaltung nach einem früheren Vorschlag, und

F i g. 2(a—f) Zeitdiagramme von bestimmten, an verschiedenen Stellen der Schaltung nach F i g. 1 beim Betrieb auftretenden Spannungen.

In dem in F i g. 1 gezeigten Schaltbild eines Gleichstrom-Wandlers ist mit gestrichelten Linien ein Thyristor 21 eingezeichnet, um den Betrieb einer früher verwendeten Schutzschaltung zu erklären. Mit dem Gleichstrom-Wandler ist ein Vollwellengleichrichter 2 verbunden, der den Wechselstrom einer Wechselstromquelle 1 (beispielsweise einer Kraftfahrzeug-Lichtmaschine) in Gleichstrom umwandelt Die so erzeugte, an den Klemmen 7 und 8 des Wandlers anliegende Gleichspannung wird der Primärwicklung 10 eines Transformators 9 zugeführt Diese Primärwicklung 10 ist an einem Ende mit der positiven Klemme 7 und an dem anderen Ende mit der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 13 verbunden, die wiederum über einen Widerstand 14 mit der negativen Klemme 8 verbunden ist Durch die Primärwicklung 10 fließt ein Strom, wenn an die Basis des

ίο Transistors Ϊ3 ein Basistreiberimpuls angelegt wird. Auf diese Weise werden in der Sekundärwicklung Ii und der Tertiärwicklung 12 des Transformators 9 Spannungen erzeugt, wobei die in der Sekundärwicklung 11 erzeugte Spannung durch eine Diode 15 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 16 geglättet wird, so daß sich eine Gleichspannung ergibt, die einer Lastschaltung 19 zugeführt wird. Die in der tertiären Wicklung 12 induzierte Spannung wird durch eine Diode 30 gleichgerichtet und einen Kondensator 31 geglättet; daraufhin wird diese Spannung an einen aus den ^v-'?derständen 32, 33 und 34 gebildeten Spannungsteiler angelegt Ein Differentialverstärker 23 erfaßt die Größe der Abweichung der am Widerstand 33 anliegenden Spannung gegenüber einer Vergleichsspannung, die durch eine Zenerdiode 22 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des Differentialverstärker 23 wird an den —Eingang eines Komparators 24 angelegt Am +-Eingang des Komparator 24 wird eine Sägezahnspannung angelegt die ein Sägezahnspannungs-Generator 25 erzeugt De.·· Komparator 24 vergleicht den augenblicklichen Wert der Sägezahnspannung mit dem Ausgangssignal des Differentialverstärkers 23 und gibt ein Ausgangssignal mit hohem Spannungswert ab, wenn der augenblickliche Wert der Sägezahnspannung größer als der des Differentialsignals ist Damit besteht das Ausgangssignal des Komparators 24 aus einem Zug von Impulsen, deren Dauer sich reziprok zur Abweichung der Spannung der Tertiärwicklung 12 von der Referenzspannung ändert. Das Ausgangssignal des Komparators wird mittels eines Verstärkers 26 verstärkt und an die Basis des Transistors 13 zur Steuerung des Leitzustandes der Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors angelegt. Da die von den Sekundär- und Tertiärwicklungen des Trensformators 9 abgeleiteten Gleichspannungen proportional zur Leitzeit des Transistors 13 sind, und da das Ausgangssignal der Tertiärwicklung sozusagen negativ an die Basis . des Transistors 13 rückgekoppelt wird, wird dieser Transistor reziprok in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Tertiärwicklung gesteuert und die der Lastso schaltung 19 zugeführte Ausgangsgleichspannung wird auf einen durch die Zenerdiode 22 bestimmten Spannungswert geregelt.

Wenn nun in der Lastschaltung 19 ein Kurzschluß auftritt, vermindert sich die am Widerstand 33 anliegende Spannung auf eir.=n ungewöhnlich niedrigen Wen. Dadurch entsteht am Ausgang des Komparators 24 ein Impuls mit einer derart großen Länge, daß der Transistor 13 durch den sich dadurch ergebenden Strom in der Primärwicklung des Transformators 9 zerstört werden kann.

Dieses Problem wird mit der früher verwendeten Schutzschaltung so gelöst, daß ein Thyristcr 21 eingesetzt wird, dessen Torelektrode mit einer Leitung 21a mit dem Emitter des Transistors 13 verbunden ist, so daß sich ein KurzschluSweg durch die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors 21 zwischen der Basis des Transistors 13 und Erde ergibt, wie es durch die Leitung 21 bund 21cgezeichnet ist. Der Thyristor wird gezündet.

wenn eine Überspannung an dem Widerstand 14 auftritt infolge eines Kurzschlußzustandes in der Lastschaltung 19, und dadurch wird augenblicklich die Basis des Transistors 13 geerdet oder an Masse gelegt, um den Transistor vor Überstrombeschädigung zu schützen. Der Thyristor bleibt im Leitzustand, so lange sein Anodenstrom fließt. Da jedoch der Anodenstrom aufrechterhalten bleibt, so lang die Vorrichtung eingeschaltet ist, ist es normalerweise nötig, die Spannungsversorgung kurz auszuschalten, wenn der Kurzschlußzustand beendet ist. Dieses Ausschalten wird nun dadurch vermieden, daß eine Zeitgeberschaltung eingefügt wird, die einen monostabilen Multivibrator 60 und eine Vorstromquelle 70 umfaßt. Der monostabile Multivibrator 60 erhält ein Eingangssignal vom Emitter des Transistors 13, das ihn vom stabilen Zustand in einen quasi-stabilen Zustand schaltet, wenn die an dem Widerstand 14 auftretende Spannung einen vorbestimmten Wert übersteigt. Die

VorStrOm^lielle 7Q !St mit dSf** Anctrancr H«>c monrvctoki-

len Multivibrators so verbunden, daß ein Vorstrom oder Hilfsstrom an den Ausgang des Differentialverstärkers 23 über einen Widerstand 35 abgegeben wird, der zwischen dem Ausgang des Differentialverstärkers 23 und dem invertierenden Eingang des Komparators 27 liegt. Durch diesen Vor- oder Hilfsstrom wird ein Spannungsabfall am Widerstand 35 erzeugt, der das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 23 überlagert, so daß die Summenspannung höher als die Maximalspannung des Sägezahngenerators 25 ist.

Der monostabile Multivibrator 60 enthält zwei Schalttransistoren 45 und 46, deren Emitter an einer Konstantstromquelle 47 liegen, deren entgegengesetzt liegende Seite geerdet ist, während der Kollektor des Transistors 46 über einen Widerstand 44 mit einer Spannungsklemme Vcc verbunden ist und der Kollektor des Transistors 45 direkt mit dieser Klemme verbunden ist Wenn der Transistor 45 sich im Leitzustand befindet, ist damit der Transistor 46 gesperrt Die Basis des Transistors 45 liegt auf einer Vorspannung Vn, die von einem durch Widerstände 36,37 und 38 gebildeten Spannungsteiler erzeugt wird, wenn der monostabile Multivibrator 60 sich im stabilen Zustand befindet. Diese Vorspannung wird so gewählt, daß ihr Wert größer als die Basisspannung des Transistors 46 ist wenn dieser gesperrt ist Diese Basisspannung hat den Wert V_c — V_BE, wobei V_c die Spannung einer Spannungsquelle 57 ist, die an der Basis eines Transistors 51 anliegt und V_BE die Basisemitterspannung des Transistors 51 ist

Der Betrieb der Schaltung nach F i g. 1 wird mit Bezug auf die Diagramme a bis /der Fig.2 erklärt Bei einem auftretenden Kurzschlußzustand in der Lastschaltung 19 zur Zeit t\ überschreitet die am Widerstand 14 auftretende Spannung die Basisemitterspannung V_BE eines Transistors 39 siehe Fig.2a und dieser schließt über seine Emitterbasisstrecke den Widerstand 38 kurz, um die Basisspannung des Transistors 45 auf den Wert Vi. zu erniedrigen, der kleiner als die Basisspannung Vc — Vve des Transistors 46 ist Damit wird der Transistor 4Ϊ gesperrt und der Transistor 46 kann sich einschalten. Der Transistor 46 schaltet auch die Transistoren 43 fycsä 48 ein und hält den Transistor 39 im eingeschalteten Zustand. Zwischen der Basis des Transistors and Erde oder Masse liegt ein Kondensator C, und dieser bildet mit einem Widerstand R, der in Reihe zum Transistor 48 liegt, eine Zeitkonstante. Der Kondensator C wird so auf die Basisspannung des Transistors 46 aufgeladen, wenn der monostabile Multivibrator 60 sich im stabilen Zustand befindet und zwar durch den Tran sistor 51 und den Widerstand 50.

Durch das Einschalten des Transistors 48 kann der Kondensator Csich so über den Widerstand R entladen,

daß die Basisspannung des Transistors 46 sich gemäß

Fig.2b exponentiell bis zur Spannung V_L erniedrigt;

nun wird der Transistor 46 gesperrt, woraufhin auch die

Transistoren 43,48 und 39 sperren, so daß die Spannung

an dem Kondensator C wieder exponentiell ansteigt, bis die Spannung V_c minus der Basis-Emitterspannung Vbe

to des Transistors 51 erreicht wird.

Damit befindet sich der monostabile Multivibrator 60 während des Zeitraums zwischen t\ und /2 im quasi-stabilen Zustand und der Kollektor des Transistors 48 liegt in diesem Zeitraum bei einer Spannung, die niedriger ist als Vl. Vom Zeitpunkt f2 an steigt die Spannung am Kollektor des Transistors 48 infolge des Spannungsanstiegs am Kondensator Cexponentiell an (F i g. 2c).

Die Vorstromquelle 70 enthält zwei Transistoren 54

und 55, de

Basisnnsc

huis

ατιύ mit den Kollektoren der Transistoren 54 und 56 verbunden sind, während ihre Kollektoren jeweils über Widerstände 52 bzw. 53 mit der Spannungsversorgungsklemme Vcc verbunden sind. Der Transistor 56 liegt mit seiner Basis an der Vorspannungsquelle 57, während sein Emitter über den Widerstand 58 und die Emitterkollektorstrecke eines Transistors 59 an Erde liegt. Die Basis des Transistors 59 ist mit dem Kollektor des Transistors 48 des mop stabilen Multivibrators 60 verbunden. Der Kollektor des Transistors 55 ist mit dem Widerstand 35 und dem invertierenden Eingang des Komparators 24 verbunden.

Der Transistor 59 ist zum Zeitpunkt t\ durch den negativen Basistreiberstrom vom Kollektor des Transistors 48 eingeschaltet und es wird ein wesentlicher Strom durch den Transistor 55 zum Widerstand 35 geleitet, so daß die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators 24 scharf vom Differenz-Ausgangswert V_B zu einem Wert ansteigt der höher als die Maximalamplitude V(X der Sägezahnspannung liegt (F i g. 2ά\ so daß am Ausgang des Komparators 24 während des Zeitintervalls f 1 bis h kein Impuls erzeugt wird (F i g. 2f). Ab Zeitpunkt ti steigt die Basistreiberspannung am Transistor 59 exponentiell an, so daß der durch den Transistor 55 über den Widerstand 35 gezogene Strom allmählich abnimmt bis zum Zeitpunkt f* an dem die Basistreiberspannung den Wert V_c — 2 V_Be erreicht, wodurch die Schwellspannung des Transistors 59 erreicht ist Dadurch erscheint wieder am Ausgang des Komparators 24 eine Impulsfolge, wobei die Impulslän ge als Funktion der Zeit während des Zeitintervalls von h bis ϋ zunimmt (F i g. 2f), wobei dieser Zeitabstand vi<jI größer als der Impulsabstand der Sägezahnspannung ist (24 Damit wird der Transistor 13 zunächst mit einem sehr geringen Einschaltverhältnis betrieben, wenn die Wirkung des DC-Wandlers wieder einsetzt, so daß ein versagenssicherer Betrieb des Transistors 13 gewährleistet wird. Falls in der Lastschaltung 19 immer noch die Kurz- Schlußbedingung vorhanden ist, steigt die am Wider stand 14 abfallende Spannung wieder an und der beschriebene Vorgang wiederholt sich. Falls der Kurzschlußzustand beendet ist, arbeitet der Wandler mit seiner Sicherheitsbeschaltung wieder in der normalen Be- triebsart

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Die Erfindung betrifft einen Gleichstromwandler Patentansprüche: nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Bei einem derartigen Gleichspannungswandler nach

1. Gleichstromwandler mit einem Transformaitor DE-AS 10 96 972 bildet in bekannter Weise die Prirnärmit primärer, sekundärer und tertiärer Wicklung, mit 5 wicklung mit einem Transistor oder einem Transistoreinem Schalttransistor, dessen Kollektor-Emitter- paar einen Oszillator, und mindestens eine Ausgangs^ strecke in Reihe mit der Primärwicklung an einer klemme des Gleichspannungswandlers ist über eine Di-Gleichspannungsquelle liegt, um einen pulsierenden ode oder direkt mit einer Klemme der Primärenergie-Strom in der Primärwicklung zu erzeugen, mit einem quelle verbunden; der jeweilige Emitterbasiskreis bzw. Spannungsregelkreis, enthaltend einen gegengekop- io die Emitterbasiskreise sind durch einen in Durchlaßrichpelten Steuerkreis, der einen Impulsgenerator Ifür tung für den Laststrom geschalteten Gleichrichter überImpulse veränderbarer Impulsdauer enthält zum lir- brückt Dadurch wird bei Kurzschluß an den Lastauszeugen von Basistreiberimpulsen für den Transistor, gangsklemmen die Ausgangsspannung schon bei gewobei die in der Sekundärwicklung induzierte Span- ringfügigem Ansteigen de^ Laststromes und damit auch nung in eine Gleichspannung zur Beaufschlagung 15 ces Oszillatorstromes so abgesenkt, daß die Verlustleieiner Lastschaltung gewandelt wird und die in der stung des Gleichspannungswandlers den zulässigen Betertiären Wicklung induzierte Spannung in eine reich nicht überschreitet Gleichzeitig wird dadurch erGleichspannung gewandelt und dem Impulsgeneira- reicht, daß der Primäroszillator erst zu schwingen betör zur Steuerung der Impulsdauer der Basistreiber- ginnt, wenn eine Last angeschlossen wird, so daß im impulse in reziproker Abhängigkeit von der duich 20 unbelasteten Zustand keine unerwünschte Erhöhung die tertiäre ^scklung erzeugten Gleichspannung zu- der Ausgangsspannung auftreten kann.

geleitet wird, und mit einer rücksetzbaren Schutz- Derartig ausgelegte Gleichspannungswandler sind schaltung zur Sperrung des. gegengekoppelten Steu- nur für geringe Belastungen geeignet da bestimmte Beerkreises, wenn die in der Primärwicklung vorhande- Ziehungen zwischen den eingesetzten Transistoren und ne elektrische Energie einen vorbestimmten Wert 25 Dioden erfüllt sein müssen. Beispielsweise können bei überschreitet, um den Transistor bei auftretendem Verwendung von Siliziumdioden nur Germanium-Lei-Kurzschlußzustand in der Lastechaltung zu schüt- stungstransistoren verwendet werden, um die Abstimzen, dadurch gekennzeichnet, daß in der mung der Kniespannung der Basis-Emitterstrecke(n) Schutzschaltung ein monostab'ler Multivibrator (60) mit der Diode zu erreichen. Damit ist bereits eine Bevorgesehen ist, der auf das Oberschreiten des vorbe- 30 grenzung des Einsatzgebietes für einen derartigen stimmten Wertes dieser elektrischen Energie hin Gleichspannungswandler gegeben, von einem stabilen Zustand für eine vorbestimmte Aus der DE-PS 22 50 716 ist eine elektronische Siche-Zeitlänge in einen quar.-stabilrj Zustand schaltet rung mit monostabiler Kippstufe bekannt, die zum um die Erzeugung der Banstreiberimpulse während Schutz der Endstufen von Audioverstärkern dient Die des quasi-stabilen Zustandcs zu sperren, und daß 35 Kippstufe gelangt in ihren quasi-stabilen Zustand, soeine Einrichtung (R, C70) vorgesehen ist um allmäh- bald ein Überlastungssignal der Endstufe eine Leilich die Impulsdauer der Basistreiberimpulse von stungsgefährdung derselben anzeigt Durch das Aus-Null in Abhängigkeit von der Beendigung des quasi- gangssignal wird ein die Kippzeit bestimmender Konstabälen Zustandes des monostabilen Multivibrators densator aufgeladen sowie ein Differentialverstärker auf einen Zeitraum zu steigern, der dem normalen 40 angesteuert, der den Signaldurehgang tar Endstufe unBetrieb entspricht, terbricht Nach Beendigung der Kippzeit wird der

2. Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch Funktionsgenerator wieder freigegeben und damit wird gekennzeichnet, daß der monostabile Multivibrator die Endstufe wieder voll beaufschlagt Bei weiterbeste-(60) zu seinem zeitbestimmenden Kondensator (C) hender Störung, d. h. bei wieder auftretendem Überlaeine so ausgelegte Transistorschaltung (39, 43, 45, 45 stungssignal, läuft eine weitere Kippzeit unter Sperrung 46, 48, 51) enthält, daß während des instabilen Zu- der Endstufe ab. Dabei erfolgt das Wiedereinschalten Standes eine Entladung des Kondensators (C) über sofort mit der vollen Leistung, so daß bei ganz kurzgeeinen ersten Widerstand (R) erfolgt, während die schlossenem Lastausgang und der meist nur kurz eingenachfolgende Aufladung über einen zweiten Wider- stellten Kippzeit eir.e Überhitzung der gefährdeten stand (50) erfolgt wobei die beiden Widerstände (R, 50 Schaltelemente befüchtet werden muß.

50) in Reihe mit einem Transistor (48) der genannten Schließlich ist aus der DE-OS 24 16 985 eine Anord-

Schaltung zwischen einer Spannungsversorgung nung zur schnellen Strombegrenzung bekannt, bei der

(Vcc) und Masse liegen, und daß das Ausgangssignal der Oszillator über eine Logik-Schaltung aus zwei

des monostabilen Multivibrators (60) an der Verbin- NAND-Gliedern so angesteuert wird, daß beim Anstei-

dungsstelle zwischen dem ersten Widerstand (R) und 55 gen des (über eine Strommeßeinrichtung) überwachten

dem zugehörigen Transistor (48) herausgeführt ist. Wandlerstromes ein Schmitt-Trigger anspricht, dessen

3. Gleichstromwandler nach Anspruch 1 oder 2, Ausgangssignal die Logikschaltung und damit die Andadurch gekennzeichnet daß zwischen dem Aus- steuerstufe sperrt Eine Regelschaltung liefert dann ein gang eines Differentialverstärkers (23) des Span- Zeitsignal, das die Pause bestimmt nach deren Ablauf nungsregelkreises und dem zweiten Eingang (—) ei- 60 der Wandler wieder einsetzen kann. Auch hier wird der nes !Comparators (24) ein Widerstand (35) geschaltet Wandler nach Ablauf der Schutzpause sofort wieder mit ist, und daß der Ausgang des monostabilen Multivi- voller Leistung angestoßen.

brators (60) direkt an den zweiten Eingang (—) des Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Be-

Komperators (24) angelegt ist. triebssicherheit eines derartigen Gleichstromwandlers

es noch dadurch zu erhöhen, daß das Wiedereinsetzen des