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Kurzschlußüberwachung für Schaltregler Die Erfindung betrifft eine
Kurzschlußüberwachung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei Schaltstromversorgungen, Schaltumrichtern, Schaltreglern und ähnlichen
Schaltungsanordnungen werden über Schalttransistoren periodisch hohe Ströme geschaltet.
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Als Schalttransistoren können hierbei bipolare oder unipolare Halbleiterschaltelemente
verwendet werden.
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Es ist allgemein bekannt, die Schalttransistoren über elektronische
Schutzschaltungen vor Kurzschluß und Überlast zu schützen. Schmelzsicherungen und
Sicherungsautomaten lösen zu langsam aus, um einen wirksamen Schutz vor Zerstörung
der Leistungshalbleiter zu bieten.
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Bei weiterhin üblichen elektronischen Schutzschaltungen liegt z.B.
ein Meßwiderstand im Emitterzweig des Schalttransistors, an dem eine Spannung abgreifbar
ist, die in Beziehung zum Ausgangsstrom des Schalttransistors steht.
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Bei Überschreitung eines bestimmten Spitzenstromes spricht die Schutzschaltung
an, die den Schalttransistor dauernd sperrt. Ein Wiederanlauf ist nur nach Abschaltung
der Betriebsspannung möglich.
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Weiter ist eine elektronische Schutzschaltung bekannt ("Lineare Schaltungen,
1981, 82, Fa. Siemens, Seite 237), bei der nach Überschreitung eines Maximalstromes
der Ausgangsstrom auf einen Wert beschränkt wird, der etwas größer ist als der maximal
erlaubte Betriebsstrom.
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Wird durch eine weitere Verringerung des Lastwiderstandes versucht,
den Strom weiter zu erhöhen, wird oftmals der Kurzschlußstrom
bei
gleichzeitiger Reduzierung der Ausgangsspannung zurückgenommen. Es wird also eine
rückläufige Stromspannungskennlinie erzeugt. In der Regel wird hierbei am Schalttransistor
eine Verlustleistung erzeugt, die größer ist als die im Betriebsfall.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatisch wirkende
Anordnung zur Kurzschlußüberwachung für Halbleiterelemente anzugeben, die einfach
und kostengünstig ausgebildet ist, und die bei Vorliegen eines Kurzschlußes den
Kurzschlußstrom trägheitsarm unterbricht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanschluß 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Der Schalttransistor wird im Kurzschluß fall für eine vorbestimmte
Zeit gesperrt. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise bei der erfingungsgemäßen Anordnung
die im Schalttransistor erzeugte Verlustleistung gering. Der Schalttransistor wird
nach der vorbestimmten Zeit wieder leitend geschaltet, und bei noch vorliegendem
Kurzschluß wieder gesperrt.
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Beim Übergang vom Kurzschlußbetrieb zum Normalbetrieb treten bei Verwendung
der Erfindung keine wilden Schwingungen auf.
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Wenn durch den Meßwiderstand nur ein Strom während der Leitendphase
des Schalttransistors fließt, ist die Belastung bzw. Erwärmung des Meßwiderstandes
gering.
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Wenn die Schalteinrichtung einen Ausgangstransistor mit offenem Kollektor
aufweist, so ist diese einfach galvanisch mit der Regelstufe koppelbar.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles erläutert.
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Dabei zeigen Fig. 1 eine Ansteuerstufe mit der erfindungsgemäßen Kurzschlußüberwachung
zur Ansteuerung eines Schalttransistors, Fig. 2 einen Tiefsetzsteller mit dieser
Ansteuerstufe, Fig. 3 einen Hochsetzsteller mit dieser Ansteuerstufe, und Fig. 4
einen Primärschaltregler mit dieser Ansteuerstufe.
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In Fig. 1 ist ein Schalttransistor T1 dargestellt, der das geschaltete
Stellglied in einen primär oder sekundär getakteten Schaltregler sein kann. Weiter
ist ein Meßwiderstand MR dargestellt, der in diesem Schaltegler derart angeordnet
ist, daß über ihn der gleiche Transistorstrom TI fließt wie durch den Schalttransistor
T1 selbst. Die nähere Anordnung des Schalttransistors Tl sowie des Meßwiderstandes
MR in verschiedenen Typen von Schaltreglern wird später anhand der Figuren 2 bis
4 erläutert. Der Schalttransistor T1 und der Meßwiderstand MR sind, evtl. unter
Zwischenschaltung anderer Bauelemente in Reihe zwischen eine erste und eine zweite
Eingangsklemme El, E2 geschaltet.
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Ein Steuereingang S des Schalttransistors Tl wird über eine Ansteuerstufe
AS angesteuert. Die Ansteuerstufe AS weist eine Regelstufe RS, einen Steuertransistor
T2 und einen Widerstand R auf. Vom Steuertransistor T2 wird der Steuereingang S
des Schalttransistors T1 über den Widerstand R gegen ein Bezugspotential OV geschaltext,
wenn an der Basis des Steuertransistors T2 ein der logischen 1 entsprechendes Potential
anliegt. Der Schalttransistor T1 und der Steuertransistor T2 sind in diesem
Beispiel
entweder beide leitend geschaltet oder beide gesperrt. Die Regelstufe RS steuert
den Steuertransistor T2, und damit auch den Schalttransistor Tl, derart an, daß
vom Schaltregler eine konstante Ausgangsspannung abgegeben wird. Diese Verbindungen
sind in der Fig. 1 nicht dargestellt. Die Regelstufe RS kann hierbei festtaktgesteuert
oder Teil eines freischwingenden Schaltreglers sein.
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Die Ansteuerstufe AS weist als Anordnung zur Kurzschlußüberwachung
einen Schwellwertschalter SW, der durch einen Komparatorverstärker realisiert sein
kann, und eine monostabile Kippstufe MK auf. Am nichtinvertierenden Eingang des
Schwellwertschalters SW liegt eine Referenzspannung UR an, die auf ein Bezugspotential
OV bezogen ist, und am invertierenden Eingang liegt ein am Meßwiderstand MR abgegriffener
Spannungswert U an. Die Referenzspannung OV und der Spannungswert U werden jeweils
an einem Anschluß des Meßwiderstandes MR abgegriffen.
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Dieser Spannungswert U ist proportional dem Wert des Transistorstromes
TI. Der Ausgang des Schwellwertschalters SW ist an dem mit dem entsprechenden Symbol
gekennzeichneten Takteingang der monostabilen Kippstufe MK angeschaltet. Wenn der
Schwellwertschalter SW an seinem Ausgang eine abfallende Flanke abgibt, so wird
daraufhin von der monostabilen Kippstufe MK ein negativer Impuls mit einer Impulsdauer
T abgegeben. Negativer Impuls bedeutet hier, daß während der Impulsdauer T, da der
Ausgang der monostabilen Kippstufe mit der Basis des Steuertransistors T2 verbunden
ist, dieser gesperrt wird.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kurzschlußüberwachung
beschrieben.
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Wenn aufgrund eines ansteigenden Transistorstromes TI durch den Schalttransistor
T1 und durch den Meßwiderstand MR, der an diesem abgreifbare Spannungswert U einen
vorbestimmten Wert erreicht, so ändert der Schwellwertschalter SW seinen Ausgangszustand.
Der am Ausgang des Schwellwertschalters SW abgreifbare Spannungspegel wechselt beispielsweise
von einem den logischen Wert "1" entsprechenden Spannungspegel zu einem den logischen
Wert "0" entsprechenden; das heißt er gibt eine abfallende Flanke ab. Hierdurch
wird bewirkt, daß über die monostabile Kippstufe MK der Steuertransistor T2 und
damit auch der Schalttransistor T1 für eine vorbestimmte Zeitdauer T gesperrt wird.
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Diese Zeit-bzw. Impulsdauer T kann beispielweise Werte vom 10 bis
100-fachen Wert der Sperrdauer des Schalttransistors T1 annehmen. Da die monostabile
Kippstufe MK nur bei abfallenden Flanken des Schwellwertschalters SW aktiviert wird,
ist sichergestellt, daß nach Ablauf der Schaltdauer T der Schaltregler wieder anläuft.
Erst bei nochmaligem Erreichen des Grenzwertes des Transistorstromes TI wird der
Schaltregler, das heißt der Schalttransistor T1 wieder gesperrt.
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Die monostabile Kippstufe MK weist einen Ausgangstransi stor mit offenem
Kollektror auf. Aus diesem Grund sind der Ausgang der monostabilen Kippstufe MK
und der der Regelstufe RS galvanisch koppelbar.
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In den Figuren 1 bis 4 sind gleichfunktionierende Bauelemente mit
den gleichen Bezugszeichen gekennzeichent.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise der in den Figuren 2 und 3 dargestellten
Sekundärschaltregler sind in dem Buch Halbleiterschaltungstechnik von Tietze und
Schenk, 5. Auflage in dem Kapitel 16.5.1 beschrieben.
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In Fig. 2 ist ein Tiefsetzsteller dargestellt, bei dem eine Induktivität
L impulsweise vom Schalttransistor T1
mit Strom geladen wird. Im
Sperrzustand des Schalttransistors T1 wird der Stromfluß über einen Lastwiderstand
RL durch eine Freilaufdiode F aufrechterhalten. Der Lastwiderstand RL ist an zwei
Ausgangsklemmen Al, A2 angeschaltet, zwischen die ebenfalls ein Glättungskondensator
C geschaltet ist. Der Meßwiderstand MR ist zwischen die Anode der Freilaufdiode
F und die zweite Eingangsklemme E2 geschaltet, so daß über ihn nur Strom fließt,
wenn der Schalttransistor Tl leitend geschaltet ist. Der Steuereingang S des Schalttransistors
Tl wird von der Ansteuerstufe AS angesteuert.
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In Fig. 3 ist ein Hochsetzsteller dargestellt. Zwischen die Eingangsklemmen
El, E2 ist die Serienschaltung aus der Induktivität L, der Emitterkollektorstrecke
des Schalttransistors Tl und dem Meßwiderstand MR geschaltet. Während der Leitendphase
des Schalttransistors Tl wird die Induktivität L impulsweise mit Strom geladen.
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Während der Sperrphase des Schalttransistors Tl wird die in der Induktivität
L gespeicherte Energie über eine Gleichrichterdiode G an den zwischen die Ausgangsklemmen
Al, A2 geschalteten Lastwiderstand RL abgegeben. Auch hier ist zwischen die Ausgangsklemmen
Al, A2 der Glättungskondensator C geschaltet. Der Steuereingang S des Schalttransistors
T1 wird von der Ansteuerstufe AS angesteuert. Beim Hochsetzsteller sind in üblicher
Art und Weise die zweite Eingangsklemme E2 und die zweite Ausgangsklemme A2 miteinander
verbunden.
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Der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise des in Fig. 4 dargestellten
primärgetakteten Schaltreglers sind in dem Buch "Schaltnetzteile" von Joachim Wüstehube,
1979 in den Kap. 2 und 3 beschrieben. In Fig. 4 ist nur die Primärseite des Primärschaltreglers
dargestellt, da die Ausführungsform der Sekundärseite, Sperrwandler bzw.
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Durchflußwandler, für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung
ist.
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Zwischen die Eingangsklemmen El, E2 ist die Serienschaltung aus einer
Primärwicklung PW eines Übertragers Ü, die Emitterkollektorstrecke des Schalttransistors
Tl, und der Meßwiderstand MR geschaltet. Der Steuereingang S des Schalttransistors
Tl wird von der Ansteuerstufe AS angesteuert. Der Übertrager Ü weist eine Sekundärwicklung
SW auf, die Teil eines hier nicht dargestellten Sperrumrichters bzw. Durchflußumrichters
ist.
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Als Schalttransistoren T1 sind in den Fig. 1 bis 4 PNP-Typen dargestellt.
Bei einer entsprechenden Umgestaltung des Steuertransistors T2 der Ansteuerstufe
AS können stattdessen auch NPN-Typen oder MOS-Typen verwendet werden.
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In den Fig. 1 bis 4 sind die Meßwiderstände MR derart angeordnet,
daß durch sie nur der ebenfalls durch den Schalttransistor Tl fließende Transistorstrom
TI fließt.
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Das heißt über sie fließt nur ein Strom, wenn der Schalttransistor
Tl leitend geschaltet ist. Dadurch, daß über die Meßwiderstände MR nicht auch der
über die Lastwiderstände RL fließende Strom fließt, werden sie weniger stark belastet.
Eine Ausnahme bildet hierbei der in Fig. 2 dargestellte Tiefsetzsteller, bei dem
über den Meßwiderstand MR der ebenfalls über den Lastwiderstand RL fliessende Strom
fließt, allerdings nur, wenn der Schalttransistor T1 leitend geschaltet ist.
Bezugszeichenliste T1 Schalttransistor S Steuereingang T2 Steuertransistor
TI Transistorstrom El, E2 Eingangsklemmen Al, A2 Ausgangsklemmen MR Meßwiderstand
R Widerstand RS Regelstufe AS Ansteuerstufe OV Bezugspotential SW Schwellwertschalter
UR Referenzspannung U Spannungswert MK Monostabile Kippstufe T Impulsdauer, Zeitdauer
L Induktivität RL Lastwiderstand C Glättungskondensator F Freilaufdiode G Gleichrichterdiode
Ü Übertrager PW Primärwicklung SW Sekundärwicklung