DE3204338C1 - Überstromschutzschaltung für elektronische Schalter - Google Patents

Description

• Eine gattungsgemäße Überstromschutzschaltung ist durch die US-PS 42 71 448 bekannt. Dort wird bei einer Überschreitung eines bestimmten Schwellenwertes der Laststrom sofort dauerhaft abgeschaltet. Dieses Schaltverhalten ist aber unbefriedigend, denn bei elektronischen Schaltern ist zwischen einer Gefährdung durch Dauerüberlastung und durch Spitzenüberlastung zu unterscheiden. Setzt man dort für eine Schutzabschaltung den Schwellenwert des Laststromes nur knapp über dem zulässigen Dauerstrom des elektronischen Schalters ein, erfolgt seine Abschaltung auch bei solch kurzzeitigen Stromüberhöhungen, die der elektronische Schalter ohne Schaden aushalten könnte, und kann es also zu häufigen, an sich unnötigen Abschaltungen kommen. Stellt man dagegen den Schwellenwert nahe beim zulässigen Spitzenstrom ein, wird der elektronische Schalter durch einen Dauerstrom, der knapp oberhalb des zulässigen Dauerstromwertes liegt, thermisch erhitzt und mit der Zeit zerstört.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlast- und Kurzschlußschutzeinrichtung für elektronische Schalter zu schaffen, welche den elektronischen Schalter in allen Betriebsarten zuverlässig schützt, ohne daß es zu unnötigen Abschaltungen kommt.
• Die Lösung dieser Aufgabe wird bei der eingangs genannten Überstromschutzschaltung erfindungsge-5mäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
• Die Schutzeinrichtung nach der Erfindung schaltet den Laststrom mittels des Leistungs-Schalttransistors bei Überschreiten des Schwellenwertes vorübergehend oder auf Dauer ab. Dabei wird der Schwellenwert last-und zeitabhängig so geführt, daß die zulässige Verlustleistung des elektronischen Schalters optimal ausgenutzt werden kann. Bei kurzzeitigen Stromüberhöhungen, die unterhalb des zulässigen Spitzenstromes liegen, erfolgt keine Abschaltung. Bei für den elektronischen Schalter unzulässigen Überlastungen erfolgt zunächst eine vorübergehende Abschaltung des Laststromes für die laufende Halbwelle; dauert der Überstrom länger an, sinkt der Schwellenwert, und es erfolgt eine Abschaltung auf Dauer, d. h. bis zur absichtlichen Rückstellung durch Unterbrechung der Stromversorgung oder bis zur Abschaltung der Ansteuerung des elektronischen Schalters.
• Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, in der zeigt F i g. 1 und 2 je ein vereinfachtes Schaltbild für Anwendungsfälle der Schutzeinrichtung nach der Erfindung, Fig. 3 ein Schaltbild zum inneren Aufbau der Schutzeinrichtung nach der Erfindung, F i g. 4 bis 7 jeweils ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Schutzeinrichtung nach der Erfindung.
• F i g. 1 zeigt die Anordnung der Schutzeinrichtung 1 in Reihe mit einem zu schützenden elektronischen Schalter 2, hier speziell ein Thyristor, im Gleichstromzweig einer Gleichrichter-Brückenschaltung 3. Der Wechselstromzweig der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 liegt in Reihe mit der zu schaltenden oder zu steuernden Last 4 am Wechselstromnetz 5. Die Ansteuerung des elektronischen Schalters 2 erfolgt in üblicher Weise durch eine Ansteuer-Schaltung 2a. Dies kann z. B. der Kippverstärker eines berührungslos arbeitenden Näherungsschalters sein. An dem Wechselspannungseingang der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 liegt ein spannungsabhängiger Widerstand VDR zum Schutz gegen Überspannungen, die insbesondere beim Schalten induktiver Lasten auftreten können.
• F i g. 2 zeigt ein ähnliches Schaltbild, in welchem der elektronische Schalter 2, hier speziell ein Triac, im Wechselstromzweig des Laststromkreises 6 liegt. Da der elektronische Schalter 2 zwischen dem spannungsabhängigen Widerstand VDR und der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 liegt, ist er gegen Überspannungen geschützt.
• Fig.3 zeigt detailliert ein Ausführungsbeispiel der Schutzeinrichtung 1. Im Laststromkreis 6 liegen in Reihe ein Widerstand 7 und Kollektor und Emitter eines Leistungs-Schalttransistors 8. Ein Transistor 9 ist mit seinem Emitter an die Eingangsseite des Widerstandes 7 und mit seiner Basis über einen Widerstand 11 an einen Schaltungspunkt des Laststromkreises 6 zwischen Widerstand 7 und Leistungstransistor 8 angeschlossen.
• Zwischen Basis und Emitter des Transistors 9 liegt ein Kondensator 10. Parallel zum Widerstand 11 liegt ein weiterer Kondensator 10a. Die beiden Kondensatoren 10, 10a machen die Ansprechschwelle des Transistors 9 unabhängig von der Steilheit des Anstiegs des Laststromes. Der Kollektor des Transistors 9 ist einerseits über einen Widerstand 12 an den Ausgang des Laststromkreises 6 bzw. des Leistungs-Schalttransistors 8 angeschlossen und zum anderen mit der Basis eines weiteren Transistors 13 verbunden, dessen Emitter ebenfalls an die Eingangsseite des Laststromkreises 6 bzw. des Widerstandes 7 angeschlossen ist und dessen Kollektor mit der Basis des Leistungs-Transistors 8 verbunden ist. Ein zwischen der Basis des Transistors 9 und dem Widerstand 11 liegender Schaltungspunkt 14 ist über eine Reihenschaltung aus Diode 15 und Widerstand 16 an die Ausgangsseite des Leistungs-Schalttransistors 8 angeschlossen.
• Bei normalem Laststrom ist der Spannungsabfall am Widerstand 7 so gering, daß der Transistor 9 gesperrt bleibt. Dadurch wird der Transistor 13 über den Widerstand 12 in den leitenden Zustand gesteuert, und über diesen Steuer-Transistor 13 wird der Schalttransistor 8 ebenfalls in den leitenden Zustand gebracht. Die Diode 15 befindet sich wegen des geringen Spannungsabfalles am leitenden Leistungs-Schalttransistor 8 in gesperrtem Zustand. Diese Funktion bleibt aufrechterhalten bzw. wird in jeder Halbwelle wiederhergestellt, so lange der Laststrom unter einem bestimmten, durch die Dimensionierung der Bauteile, insbesondere des Widerstandes 7, gegebenen Schwellenwert bleibt. Die Arbeitsweise des elektronischen Schalters 2 und seiner Ansteuerung 2a ist dabei normal.
• Bei einer Erhöhung des Laststromes über den Schwellenwert hinaus wird der Spannungsabfall am Widerstand 7 so groß, daß der Transistor 9 Basisstrom ziehen kann und dadurch in den leitenden Zustand übergeht. Dadurch gehen die Transistoren 13 und 8 in den hochohmigen Zustand über. Wegen des raschen Spannungsanstieges am Transistor 8 wird die Diode 15 leitend, der Transistor 9 schaltet - wegen des Stromflusses durch die Diode 15 und den Widerstand 16 - ganz durch und die Transistoren 13 und 8 gehen in den völlig gesperrten Zustand über. Die Bauteile 7 bis 16 wirken durch die beschriebene Rückkopplung als Kippschaltung, die den Laststrom bei Überschreiten des Schwellenwertes sehr rasch abschaltet. Bei dem am Ende der laufenden Halbwelle folgenden Spannungsrückgang kehrt die Kippschaltung in ihren Anfangszustand zurück, so daß in der folgenden und allen weiteren Halbwellen bei noch anstehender Überlastung derselbe Vorgang abläuft. Einen typischen Verlauf des Laststromes für diese, bisher beschriebene Schaltungs-Anordnung zeigt F i g. 4, links bei einem Stromwert unter dem Schwellenwert, rechts bei einem Stromwert, der den Schwellenwert übersteigt bzw. erreicht.
• Wird bei einer derartigen Anordnung der Schwellenwert nach dem zulässigen Dauerstrom des elektronischen Schalters eingestellt, so ist ersichtlich, daß der elektronische Schalter nicht mehr durch zu hohen Strom überlastet werden kann. Nachteilig ist dabei, daß die Abschaltung auch bei solchen kurzzeitigen Stromüberhöhungen erfolgt, die der elektronische Schalter ohne Schaden aushalten könnte. Nachteilig ist ferner, daß der Leistungs-Schaltertransistor 8 bei lange anstehenden Überlastungen durch das häufige Abschalten des Laststromes hoch belastet wird.
• Wird dagegen der Schwellenwert nach dem zulässigen Spitzenstrom des elektronischen Schalters eingestellt, so ist er bei lang anstehenden, geringen Überlastungen. nicht mehr geschützt.
• Durch die Einfügung eines Kondensators 17 und eines Widerstandes 18 zwischen der Emitterzuleitung des Transistors 9 und dem Schaltungspunkt 14 wird anstelle der vorübergehenden, jeweils nur für die laufende Halbwelle wirkenden Abschaltung bei größeren oder langdauernden Überlastungen eine dauernde Abschaltung bewirkt Dadurch wird auch der Leistungs-Schalttransistor 8 zuverlässig gegen Überlastung durch häufiges Schalten des Laststromes geschützt. Der Kondensator 17 erhält bei jeder Halbwelle während der Zunahme des Stromflusses eine Aufladung aus dem Spannungsabfall am Widerstand 7. Der Kondensator entlädt sich beim normalen Betrieb wieder während der Abnahme des Stromflusses. Beim Überschreiten des Schwellenwertes wird wegen des hohen Spannungsabfalles am Transistor 8 der Kondensator 17 über die Diode 1S und den Widerstand 16 auch während der Strompause weiter geladen. Durch die aufgrund der Ladung entstehenden Potentialänderung an der Basis des Transistors 9 ergibt sich eine Erniedrigung des Schwellenwertes. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder Halbwelle in addierender Weise, so daß der Schwellenwert ständig niedriger wird. Ist die Ladung des Kondensators 17 schließlich ausreichend, um den Basisstrom des Transistors 9 über den Spannungsnulldurchgang zwischen den Halbwellen aufrecht zu erhalten, bleibt der Transistor 9 ständig leitend. Dadurch bleiben die Transistoren 13 und 8 ständig gesperrt, und der Laststrom bleibt ohne Belastung des Schalttransistors 8 so lange unterbrochen, bis entweder die Versorgungsspannung abgeschaltet wird, oder bis der elektronische Schalter 2 hinreichend lange nicht angesteuert wird. Dadurch wird bei langdauernden Überlastungen eine völlige Abschaltung des Laststromes und ein Schutz des LeistungsSchalttransistors 8 gegen Überlastung erreicht.
• Einige typische Verläufe des Laststromes und des Schwellenwertes für diese Schaltungs-Anordnung zeigendieFig.5,6und7.
• In F i g. 5 liegt der Stromwert links unterhalb des zulässigen Dauerstromes, rechts weit oberhalb des zulässigen Spitzenstromes, auf den hier der Schwellenwert für eine Sofortabschaltung für die restliche Halbwelle eingestellt ist. Wegen der additiven Aufladung des Kondensators 17 fällt der Schwellenwert ständig ab, und kommt es nach einigen Kurzabschaltungen zu einer Abschaltung auf Dauer.
• In F i g. 6 tritt en unter dem Schwellenwert, aber über dem zulässigen Dauerstrom liegender Überstrom auf.
• Da dieser Überstrom lange anhält, kommt es wieder zur Abschaltung auf Dauer. Liegt gemäß F i g. 7 der Uberstrom aber nur kurzfristig vor, wird der Schwellenwert nur vorübergehend gesenkt, ohne daß es zu überhaupt einer Abschaltung kommt.
• Durch entsprechende Dimensionierung der Bauteile 7 bis 18 ist es möglich, den Schwellenwert und seine Herabsteuerung so einzustellen, daß der elektronische Schalter 2 in allen Betriebsweisen zuverlässig geschützt ist, ohne daß es zu unnötigen Abschaltungen kommt.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Überstromschutzschaltung für einen elektronischen Schalter, welche mit dem elektronischen Schalter in Reihe in einem, eine Wechselspannungsquelle, eine Gleichrichterschaltung und eine Wechselstromlast enthaltenden Laststromkreis zu schalten ist, wobei die Schutzschaltung aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes zur Erfassung der Stärke (Amplitude) des Laststromes und eines im Normalbetrieb durchgeschalteten Leistungs-Schalttransistors besteht, welcher bei Überschreiten eines von einem vorbestimmten Schwellenwert der Laststromstärke abhängigen Grenz-Spannungsabfalles am Widerstand über eine mit dem Schalttransistor als Kippschaltung zusammenwirkende Schaltungsanordnung gesperrt wird und den Laststromkreis für die restliche Halbwelle unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kippschaltung wirkende Schalteranordnung (9 bis 16) einen bei jedem Überschreiten des Schwellenwertes sich additiv aufladenden Kondensator (17) enthält, der zusammen mit einem Widerstand (18) parallel zur Emitter/Basis-Strecke eines als Schwellenwertschalter arbeitenden Transistors (9) geschaltet ist und dessen Potential die Auslöseschwelle der Kippschaltung mitbestimmt derart, daß der Schwellenwertder Laststromstärke abhängig von der Höhe und der Dauer des Überstromes immer niedriger gesteuert wird, ehe die Schaltungsanordnung (9 bis 16) den Schalttransistor (8) in einen über die laufende Halbwelle hinaus anhaltenden gesperrten Zustand überführt.
2. 2. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (9) an einen Schaltungspunkt (14) angeschlossen ist, welcher über den Kondensator (17) und den Widerstand (18) an den Emitter des Transistors (9) und an eine Seite des vom Laststrom durchflossenen Abfrage-Widerstandes (7) angeschlossen ist und welcher Schaltungspunkt (14) über einen Widerstand (11) mit der anderen Seite des Abfrage-Widerstandes (7) verbunden ist.
3. 3. Uberstromschutzschaltung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt (14) über eine Reihenschaltung aus Leuchtdiode (15) und Widerstand (16) an den Emitter des Leistungs-Schalttransistors (8) angeschlossen ist.

   Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzschaltung für einen elektronischen Schalter, welche mit dem elektronischen Schalter in Reihe in einem, eine Wechselspannungsquelle, eine Gleichrichterschaltung und eine Wechselstromlast enthaltenden Laststromkreis zu schalten ist, wobei die Schutzschaltung aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes zur Erfassung der Stärke (Amplitude) des Laststromes und eines im Normalbetrieb durchgeschalteten Leistungs-Schalttransistors besteht, welcher bei Überschreiten eines von einem vorbestimmten Schwellwert der Laststromstärke abhängigen Grenz-Spannungsabfalles am Widerstand über eine mit dem Schalttransistor als Kippschaltung zusammenwirkende Schalteranordnung gesperrt wird und den Laststromkreis für die restliche Halbwelle unterbricht.

   Für das Schalten von Wechselstromkreisen aller Art werden anstelle von mechanischen Schaltvorrichtungen in zunehmendem Maße elektronische Schaltvorrichtungen verwendet. Dabei kann ein elektronischer Schalter entweder direkt im Wechselspannungszweig oder im Gleichstromzweig einer in Reihe zur Last liegenden Gleichrichter-Brückenschaltung liegen. Im letzteren Fall wird er von allen Halbwellen des Wechselstromes in gleicher Polarität beaufschlagt und vermag deshalb den Wechselstrom zu schalten oder zu steuern.

   Elektronische Schalter arbeiten verschleißfrei und schnell, so daß z. B. Steuerungen mit hoher Schalthäufigkeit möglich werden. Nachteilig bei der Verwendung von elektronischen Schaltern kann deren große Empfindlichkeit gegen Überlastung sein. Wenn im Laststromkreis Stromüberhöhungen oder Kurzschlüsse befürchtet werden müssen, sind die elektronischen Schalter jeweils sehr gefährdet. Ein Schutz durch Schmelzsicherungen oder durch übliche Überstrom-Auslöser ist nur sehr beschränkt möglich, weil diese Einrichtungen meist viel zu träge abschalten. Deshalb werden zum Schutz gegen Überlastungen auch elektronische Einrichtungen verwendet. Eine besonders einfache Möglichkeit besteht darin, die Ansteuerung zu unterdrücken, sobald ein Grenzwert des Stromes überschritten wird. Dabei können aber ein Thyristor oder Triac trotzdem zerstört werden, weil er für den weiteren Verlauf derjenigen Halbwelle, in der der Überstrom auftritt, in jedem Falle durchgeschaltet bleibt.

   Durch die DE-AS 12 93 307 ist eine Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz eines Leistungstransistors in einem elektronisch stabilisierten Netzgerät bekannt. Bei der dortigen Schaltungsanordnung ist ein laststromabhängig gesteuerter Gleichrichter vorgesehen, der bei Überschreiten eines Nennwertes ein Sperrpotential an den Leistungstransistor liefert und diesen dauerhaft abschaltet. Ein die Steuerstrecke des gesteuerten Gleichrichters überbrückender, großer Kondensator stellt dabei sicher, daß der gesteuerte Gleichrichter nicht schon durch kurzzeitige, z. B. durch Belastungs- oder Netzspannungssprünge verursachte, Störimpulse durchgeschaltet wird. Wird aber dort während einer Halbwelle oder nur während eines größeren Intervalles innerhalb einer Halbwelle der Nennwert überschritten, kommt es schon zur dauerhaften Abschaltung. In der Beschreibungseinleitung der DE-AS 12 93 307 ist ferner bereits darauf hingewiesen, daß Überlastschutzschaltungen für Leistungstransistoren bekannt sind, die als Strombegrenzungsschaltungen ausgeführt sind und einen besonderen Begrenzungstransistor aufweisen. Bei diesen bekannten Schaltungen ist jedoch ebenfalls eine Schmelzsicherung vorgesehen, so daß der Begrenzungstransistor den Strom nur so lange auf den gewünschten Wert begrenzt, bis die Sicherung das Netzgerät abgeschaltet hat.