DE3001632A1

DE3001632A1 - Transistor-schutzschaltung

Info

Publication number: DE3001632A1
Application number: DE19803001632
Authority: DE
Inventors: Luciano Franzolini
Original assignee: SP EL Srl
Current assignee: SP EL Srl
Priority date: 1979-01-30
Filing date: 1980-01-17
Publication date: 1980-07-31
Also published as: US4355342A; DE3001632C2; FR2448243B1; GB2042841B; GB2042841A; FR2448243A1; CH639226A5; IT7919751A0; IT1110628B; JPS55107311A; NL8000560A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum automatischen Schutz von Leistungstransistoren insbesondere bei Umformern im Falle des Auftretens einer zufälligen anormalen Funktionsweise, wie z.B. bei einem Kurzschluß. Vorrichtungen zum Speisen von Elektromotoren mit Gleichoder Wechselstrom mit Umformer sind bekanntlich bezüglich des Schutzes gegen interne oder externe Kurzschlüsse oder ähnliche anormale Zustände besonders kritisch.

Bekanntlich steigt der Stromgewinn des entsprechenden Transistors bei einer Erhöhung des Durchgangsstroms auf 1,so daß, wenn der Strom über den Kollektor und Emitter stark erhöht wird, auch die Kollektor-Emitter-Spannung ansteigt, so daß der Transistor durch übermäßige Verlustleistung zerstört werden kann.

Die bekannten Einrichtungen, die für den Schutz der Transistoren verwendet werden, unterteilen sich im wesentlichen in zwei Arten, von denen bei der einen der Hauptstrom, der automatisch bei einem Kurzschluß auftritt, aufgenommen wird, und bei der zweiten der Nachteil magnetisch beseitigt wird. Bei der ersten Art wird die Stromzunahme, die beim Kurzschluß auftritt, von einem genauen Schwellwertgeber (Trigger) erfaßt, dessen Umschaltung ein Signal erzeugt, das den Umformer sperrt. Diese Einrichtung muß,-um wirksam zu sein, die beiden Arbeitsschwellwerte ausreichend getrennt halten, d.h. das normale Arbeitsniveau und das überStromniveau, das beim Kurzschluß auftritt. In der Praxis müssen die beiden Niveaus wenigstens 20 % voneinander entfernt sein, um evtl. Fehler der Bauelemente und die möglichen Toleranzen der Bauelemente auszugleichen. Dies führt sowohl zu dem Nachteil einer geringeren Ausnützung der Leistungsbauteile einschließlich der Transistoren aufgrund der Erhöhung der geforderten Toleranz als auch dazu, daß die Triggerschaltung genauer, schneller und stabiler und damit komplizierter und teurer sein muß.

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Bei der zweiten Art führt die magnetische Beseitigung des Wachteils sur Sperrung der Steuerschaltung des Transistors, jedoch mit den Nachteilen;, daß sowohl externe magnetische Abgriffelemente mit hohen Kosten zugefügt werden müssen, keine ausreichende Wirksamkeit bei sehr langsamen Vorgängen erzielbar ist als auch zu Fehlern aufgrund evtl„ äußerer kapazitiver Störungen<,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transistorschutzschaltung zu schaffen^ bei der die Leistung maximal nutzbar ist»

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale» Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Im normalen Betrieb hat der geschützte Transistor drei Phasen, nämlich;

1. eine nicht leitende Phase, in der die Kollektor-Emitter-Spannung Vce maximal und der im Transistor fließende Strom Ice Null isti

2„ eine Zwischenphase (Umschaltphase), in der die Spannung Vce abnimmt, während der Strom Ice zunimmt und deren Dauer einige Mikrosekunden beträgt?

3„ eine leitende Phase _t in der die Spannung Vce minimal und der Strom Ice maximal ist»

Bei anormaler Arbeitsweise wie bei einem Kurzschluß muß der Transistor in der leitenden Phase wegen der starken Stromerhöhung geschützt werden„ da er außerhalb seines maximalen normalen Arbeitsbereichs rasch zerstört werden würde. In der leitenden Phase wird gemäß der Erfindung der Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung Vce erfaßt

und ihr Niveau mit dem Steuersignal V1 der Basis des Transistors verglichen, so daß sich die folgenden Fälle ergeben:

1. Im Sperrzustand des Transistors (V1 = O) sind die Spannungen Vce und V2 positiv, während alle anderen auf Null streben?

2. im leitenden Zustand ist nur die Steuerspannung V1

der Basis des Transistors positiv, während die anderen auf Null streben;

3. im leitenden Zustand und bei Auftreten eines Kurzschlusses ist V1 positiv und überschreitet Vce, den Schwellwert des Triggers, V2 wird positiv und es werden daher die aufeinanderfolgenden Spannungen V3, V4, V5 positiv, so daß die Spannung V5 den Osziallator sperrt, der den Speisekreis des Transistors unterbricht, so daß dessen Zerstörung vermieden wird. Die verwendeten Transistoren können PNP- oder auch NPN-Transistoren und die angewandte Logik kann positiv oder negativ sein.

Für bestimmte Schaltungen kann zum Schutz des Transistors statt die Unterbrechung des Basisstroms, der vom Oszillator kommt, der Transistor, die Transistoren oder die Schaltung, in der er sich befindet, direkt kurzgeschlossen werden, wozu in Reihe hierzu eine schnelle Sicherung und parallel hierzu eine gesteuerte Diode oder dergleichen geschaltet wird. Bei einem anormalen Verhalten öffnet das Ausgangssignal des Speichers, wenn es positiv ist, die Diode, die die Sicherung unterbricht, so daß der ' Transistor bzw. die Transistorschaltung aus dem Leistungskreis entfernt werden. Bei einer Transistorschaltung, z.B. einer Brückenschaltung, ist nur eine Sicherung in Reihe zu der Schaltung und parallel dazu eine einzige Diode vorgesehen.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 anhand einer Schutzschaltung mit einem PNP-Transistor und positiver Logik beispielsweise beschrieben. Es zeigt;

Figur 1 das Blockschaltbild der Schaltung;

Figur 2 ein Diagramm^ aus dem der Verlauf von Spannungen an verschiedenen Stellen der Schaltung bei normalem Betrieb und bei Kurzschluß hervorgeht,,

Figur 3 eine Abwandlung der Schaltung in Fig» 1 mit einer in Reihe geschalteten Sicherung und einer parallelgeschalteten Diode, und

Figur 4 eine Transistorbrückenschaltung mit nur einer Sicherung in Reihe und nur einer parallelgeschalteten Diode=

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Wie Fig. 1 zeigt, ist der Umformerkreis zwischen den beiden Netz leitungen 1,2 angeordnet und weist einen äußeren Verbraucher wie einen Gleich- oder Wechselstrommotor M auf, der von dem Umformer gespeist wird und eine äußere Impedanz 3 hat. Zwischen dem Abgriff 4 und der Leitung 1 ist gestrichelt eine Verbindung mit einem Unterbrecher 5 gezeigt, um einen möglichen Kurzschluß zu veranschaulichen.

In Reihe zu dem äußeren Verbraucher ist ein Leistungstransistor A mit Kollektor c, Emitter e und Basis b angeordnet, der von einem Steuersignal V1 an seiner Basis b gesteuert wird. Am Anschluß 6 ist parallel zum Transistor A ein Spannungsschwellwertgeber B (Trigger) angeordnet, der die minimale Spannung Vce zwischen dem Kollektor und dem Emitter aufnimmt, und wenn die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, der im Trigger als Schwellwert eingestellt ist, wird das vom Trigger abgegebene Signal V2 positiv. Dem Trigger B ist ein Kreis nachgeschaltet, der ein UND-Glied C aufweist, dem das auch der Basis b des Transistors zugeleitete Steuersignal V1 und das Ausgangssignal V2 des Triggers zugeführt wird; wenn beide Signale positiv sind, wird ein nur positives Signal V3 abgegeben. In Reihe dazu ist ein Verzögerungsglied D geschaltet, das das Signal V3 aufnimmt und Fehlersignale kurzer Dauer aufgrund der Umschaltung des Transistors A berücksichtigt; wenn die Dauer dieser Signale größer als die Nennverzögerung des Verzögerungsglieds D ist, werden diese Signale nicht unterdrückt und erscheinen als positives Signal V4. Dieses Signal gelangt in einen Speicher E, dessen Ausgangssignal V5 normalerweise niedrig (oder auch Null) ist, jedoch bei Vorhandensein eines positiven Signals V4 zu einem nur positiven Signal V5 wird.

In Reihe zu dem Speicher E ist ein Oszillator V geschaltet, dessen Ausgang dazu dient, den Leistungstransistor A mittels des Signals V1 an dessen Basis b zu steuern.

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Der Oszillator V wird gesperrt, wenn das Signal V5 des Speichers Ξ positiv ist-

Es wird nun die Arbeitsweise der Schaltung anhand der Fig. 2 erläutert» Bei normaler Arbeitsweise kann sich der Transistor A im gesperrten Zwischenzustand oder im leitenden Zustand befinden» Im ersten Fall ist die Spannung VI Null,, die Spannungen Vce und V2 positiv,, die Spannungen V3, V4 und V5 jedoch NuIl₇ wie der erste, mit "OFF" bezeichnete Teil des Diagramms;, ausgehend von links ₀ zeigt. In der. Zwischenphase "INT", in der Vce irgendeinen Wert annehmen kann und die eine Ubergangsphase kurzer Dauer ist und vernachlässigt wird, auch aufgrund der Tatsache, daß das Verzögerungsglied D vorgesehen ist, werden die Auswirkungen in Form kurzer Signale V3 mit einer unter der Nenndauer liegenden Dauer beseitigt» Während der normalen Funktion des Transistors A im leitenden Zustand (Diagrammteil "ON")_P ist die Spannung V1 an der Basis des Transistors A positiv? die Kollektor-Emitter-Spannung Vce minimal und liegt auf jeden Fall unter der Schwellwertspannung VS des Triggers„ so daß dessen Ausgangsspannung V2 Null ist und damit die Spannungen V3, V4 und V5 ebenfalls Null sind und der Umformer regelmäßig arbeitet» Wie Fig» 2d zeigte gibt das UND-Glied während der Umschaltzeit ein positives Signal W3 kurzer Dauer ab, das jedoch vom Speicher E nicht aufgenommen wird, da das Verzögerungsglied D vorgesehen ist<, das längere Signale berücksichtigt„ d»h» solche„ die größer als die Übergangszeit zwischen dem gesperrten und dem leitenden Zustand des Transistors»

Im Kurzschlußzustand ₀ der in Fig» 2 mit einer gestrichelten Querlinie und dem Kurzschlußunterbrecher 5 gezeigt ist, steigt, wo auch immer der Kurzschluß auftritt, jedoch insbesondere im ungünstigeren Fall, wenn der Transistor A

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im leitenden Zustand ist, die Spannung Vce schnell an, wie der Kurventeil 6 (Fig. 2d) angibt, da der Strom den Spannungspegel zwischen Kollektor und Emitter stark erhöht hat. Diese Erhöhung überwindet den Pegel VS des Triggers, der am Ausgang ein positives Signal V2 erzeugt. Da die Spannungen V1 und V2 nun gleichzeitig positiv sind, wird am Ausgang ein positives Signal V3 erzeugt, das die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds D überwindet und an dessen Ausgang ein positives Signal V4 erzeugt, das den Speicher E auslöst und während der kurzen Zeit dt die Sperrung des Oszillators und damit des Transistors bewirkt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist in Reihe zum Transistor A eine sehr schnelle Sicherung H geschaltet, während parallel zum Transistor zwischen den Kollektor c und den Emitter e eine gesteuerte Diode G geschaltet ist. Im anormalen Fall zündet das Signal V5, das vom Speicher E ausgegeben wird, die Diode G, die wiederum einen Kurzschluß bewirkt und die Sicherung H zum Schmelzen bringt, so daß der Kreis unterbrochen und der Transistor geschützt wird.

Fig. 4 zeigt eine Einrichtung mit z.B. in Brückenschaltung angeordneten Transistoren A1 bis A4, die jeweils in einer Zelle angeordnet sind, von denen jede in Form eines gestrichelten Rechtecks gezeigt ist. Jede Zelle weist die Grundschaltung der Fig. 1 auf, mit der Ausnahme, daß jeder Ausgang V5 statt zum Oszialltor F zurückführt, wie anhand der Fig. 1 beschrieben ist, mit der Steuerelektrode einer Diode G verbunden ist. Die Zellen sind mit den Netzleitungen 1,2 mittels einer-in Reihe geschalteten schnellen Sicherung H verbunden. Bei irgendeinem anormalen Zustand gibt wenigstens einer der Ausgänge V5 ein positives Signal ab, das die Diode G öffnet, die wiederum die Netz leitungen kurzschließt, so daß die Sicherung H schmilzt und den Kreis unterbricht.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1, /Schaltung zum automatischen Schutz von Einrichtungen mit ^wenigstens einem Leistungstransistor in einem Umformer, gekennzeichnet durch einen Schwellwertgeber (B) zur Abnahme der minimalen Spannung (Vce) zwischen dem Kollektor und dem Emitter und Abgabe einer positiven Spannung (V2) , wenn der Schwellwert überschritten wird, ein UND-Glied (C) zwischen der Steuerspannung (V1) der Basis des Transistors (A) und dem Ausgangssignal (V2) des Schwellwertgebers (B) _t das, wenn diese Signale positiv sind, ein positives Signal (V3) abgibt, ein Verzögerungsglied (D) zur Unterdrückung von Fehlersignalen bei der Umschaltung des Transistors„ einen Speicher (E) mit niedrigem Ausgangssignal (V5), das positiv wird und bei Vorhandensein eines Signals (V4) des Verzögerungsglieds (D) aufrecht erhalten wird, auch wenn es nur vorübergehend positiv ist, und einen Oszialltor (F) zur Steuerung der Basis des Transistors (A)„ welcher Oszialltor gesperrt wird, wenn das Ausgangssignal (V5) des Speichers (E) positiv wird, und der den Transistor sperrt, wobei die Ausgangsbedingungen in Abhängigkeit von der Art des Transistors und der verwendeten Logik veränderbar sind=
2. Schaltung nach Anspruch 1„ dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors aufgenommen wird, deren Niveau mit dem Steuersignal der Basis des Transistors derart verglichen wird, daß beim Überschreiten des Schwellwerts bei leitendem Transistor die Ausgangsspannungen positiv sind, um die Versorgung der Basis des Transistors zu unterbrechen.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied so ausgebildet ist, daß es nur Signale durchläßt, deren Dauer größer als die Übergangszeit zwischen dem gesperrten und dem leitenden Zustand des Transistors ist.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei einem Kurzschluß bei leitendem Transistor die Erhöhung der Spannung zwischen dessen Kollektor und Emitter eine Sperrung der Versorgung der Basis bewirkt, sobald die Verzögerungszeit überschritten wird, so daß die Zerstörung des Transistors durch Verlustleistung vermieden wird.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zu dem Transistor (A) eine schnelle Sicherung (H) und parallel zu diesem eine gesteuerte Diode (G) geschaltet ist, dessen Steuerelektrode das vom Speicher (E) abgegebene Signal zugeführt wird, damit bei einem positiven Signal die Diode den Transistor kurzschließt.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für mehrere zu schützende, wenigstens einen Transistor aufweisende, z.B. in Brückenschaltung angeordnete Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einrichtung eine derartige Schutzschaltung aufweist, die mittels einer schnellen Sicherung (H) mit dem Speisenetz verbunden sind.

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und daß der Ausgang des Speichers mit einer gemeinsamen gesteuerten Diode parallel zu der Gesamtanordnung verbunden ist, die das Speisenetz kurzschließt,, so daß die Sicherung schmilzt und die Schaltung unterbrochen wird.

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