DE3804074C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Schutzeinrichtungen
nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.
Eine Schutzeinrichtung dieser Gattung ist
bereits bekannt (EP-OS 02 50 158). Die Strombegrenzungseinrich
tung besteht bei der bekannten Schutzeinrichtung aus einem
festen ohmschen Widerstand, zu dem ein Transistor als einstell
barer Widerstand parallel geschaltet ist. Die Emitter-Kollektor-
Strecke eines bipolaren Transistors ist zu zwei in Serie
angeordneten Widerständen parallel gelegt. Im Emitterkreis des
Transistors ist ein weiterer Widerstand angeordnet, der vom
gesamten in den Leistungswandler eingespeisten Strom durchflossen
wird. Der weitere Widerstand ist an seinem nicht an den
Emitter gelegten Anschluß über zwei in Serie angeordneten Dioden
mit der Basis des Transistors verbunden, die weiterhin an eine
vom Leistungswandler gespeiste Betriebsspannungsquelle
angeschlossen ist, die von einer Hilfswicklung des Transformators
des Leistungswandlers mit Spannung versorgt wird. Der
kapazitive Eingang des Leistungswandlers wird über den festen
Widerstand mit einem durch den Widerstandswert in der Höhe
begrenzten Strom aufgeladen, bis der Transistor durch einen
Basistrom leitend gesteuert wird. Der Transistor gelangt
allmählich in die Sättigung, so daß der überwiegende Teil des
Stroms über den Transistor fließt. Wenn bei gesättigtem
Transistor am Eingang der Schutzeinrichtung unerwünscht hohe
Spannungen auftreten, erhöht der ansteigende Strom die
Gegenkopplungsspannung im Emitterkreis des Transistors. Durch
die hiermit verbundene Verkleinerung des Basis-Emitter-Potentials
erhöht sich der Widertand der Emitter-Kollektor-Strecke, so daß
der Emitterstrom wiederum abnimmt.
Der Strom wird deshalb auch bei der Nennspannung übersteigende
Eingangsspannungen an der Schutzeinrichtung während des
Betriebs des Leistungswandlers begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung
der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln,
daß die Aufladung des kapazitiven Eingangs des Leistungswandlers
schneller auch bei unterhalb der Nennspannung liegenden
Eingangsspannungen an der Schutzeinrichtung abläuft und der
Leistungswandler vor unerwünscht hohen Spannungen am
kapazitiven Eingang geschützt wird.
Die Aufgabe wird bei einer Schutzeinrichtung der eingangs
beschriebenen Gattung, die neben dem einstellbaren Widerstand
einen zu diesem parallel geschalteten festen Strombegrenzungs
aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
einstellbare Widerstand Stellglied in einem Spannungs- und
Stromregelkreis ist, daß der Istwert der Spannung von zumindest
einem kapazitiven Element des Leistungswandles und der Istwert
des Stroms von einem Shunt abgegriffen wird und daß dem
Spannungsregelkreis der Stromregelkreis parallel geschaltet oder
unterlagert ist (Variante gemäß Anspruch 1).
Der feste Strombegrenzungswiderstand kann sehr hochohmig
ausgebildet werden, so daß der Ladestrom beim Aufschalten der
Energiequelle auf einen gewünschten kleinen Wert begrenzt
werden kann. Solange die Spannung am jeweiligen kapazitiven
Element wie Kondensator unterhalb des eingestellten Spannungs
sollwerts liegt, bewirkt der - unterlagerte oder vorzugsweise
parallel geschaltete - Stromregelkreis das Fließen eines dem
Stromsollwert entsprechenden Stroms im einstellbaren Widerstand.
Der Kondensator wird deshalb nicht nur mit dem über den
Ladestrombegrenzungswiderstand fließenden Strom aufgeladen,
wodurch die Aufladung beschleunigt wird. Durch die Abstimmung
zwischen dem Ladestrombegrenzungswiderstand und dem
Stromsollwert kann ein gewünschter Stromverlauf erreicht werden.
Weiterhin wird die Aufgabe bei einer Schutzeinrichtung der
eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der einstellbare Widerstand Stellglied in einem Spannungs-
und Stromregelkreis ist, daß der Istwert der Spannung von
zumindest einem kapazitiven Element des Leistungswandlers und
der Istwert des Stroms von einem Shunt abgegriffen wird, daß
dem Spannungsregelkreis der Stromregelkreis parallel geschaltet
oder unterlagert ist und daß die Spannungsversorgung für den
Spannungs- und Stromregelkreis von der Eingangsspannung der
Schutzeinrichtung gewonnen wird. Bei dieser Schutzeinrichtung
können am Leistungswandler auch bei weit über der Sollspannung
liegender Eingangsspannung an der Schutzschaltung durch einen
entsprechend hohen Widerstandswert des einstellbaren Widerstands
unerwünscht hohe Spannungen vermieden werden (Variante gemäß
Anspruch 2).
Der Spannungssollwert kann vorzugsweise so hoch eingestellt
werden, daß auch beim minimalen Wert des einstellbaren
Widerstandes die maximale Nenneingangsspannung nicht
ausreicht, damit am Kondensator der Spannungssollwert erreicht
wird. Dann hat der einstellbare Widerstand bei der Nennein
gangsspannung seinen geringsten Wert, wodurch die geringsten
Stromwärmeverluste auftreten. Dies wirkt sich günstig auf den
Wirkungsgrad des Leistungswandlers wie Netzgerät aus. Steigt
die Eingangsspannung über die durch den Spannungssollwert
vorgegebene Grenze an, dann verhindert der Regelkreis das
Auftreten hoher unerwünschter Spannungen an den kapazitiven
Elementen bzw. den nachgeschalteten Stromkreisen. Die
Eingangsspannung kann daher z. B. die nach VDE bzw.
VG-Richtlinien zulässigen Spitzenspannungen für die definierte
Zeit annehmen, ohne daß an den dem Kondensator nachgeschalteten
Stromkreisen, insbesondere den Halbleitern, unzulässig hohe
Spannungen entstehen.
Der Wert des Ladestrombegrenzungswiderstands entspricht
vorzugsweise dem Quotienten aus maximal zulässiger statischer
Nenneingangsspannung und dem bei dieser Nenneingangsspannung
fließenden Leerlaufstrom zum Leistungswandler.
Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß das
kapazitive Element und ein Spannungssollwertgeber an eine
Vergleichseinrichtung angeschlossen sind, der ein Regelverstärker
nachgeschaltet ist, an den eine zusätzliche mit einem Stromist
wertgeber verbundene Vergleichseinrichtung angeschlossen ist,
der ein weiterer Regelverstärker nachgeschaltet ist, dessen
Ausgang die Steuerelektrode eines das Stellglied bildenden
Transistors speist, der in Reihe mit dem Shunt angeordnet ist.
In einer weiteren besonders hervorzuhebenden Ausführungsform,
bei der die Schutzeinrichtung insbesondere bei autarkem Betrieb
durch eine eigene Spannungsversorgung, die ihrerseits aus der
Nenneingangsspannung gewonnen wird, versorgt wird, ist
vorgesehen, daß die Schutzeinrichtung inaktiv geschaltet wird,
um Leerlaufströme aus der Energiequelle bei dennoch bestehender
Betriebsbereitschaft zu unterbinden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mit der kapazitiven
Last ein Schaltregler für die Erzeugung einer geregelten Gleich
spannung verbunden, der einen Transformator enthält, der mit
einer Hilfswicklung zur Erzeugung der Betriebsspannung für die
Regelverstärker im Regelkreis der Schutzeinrichtung versehen ist.
Der Schaltregler, der einen üblichen Aufbau haben kann, tritt
erst bei einer gewissen Mindestspannung an der kapazitiven Last
in Funktion. Dies bedeutet, daß die Schutzeinrichtung bzw. der
Regelkreis erst beim Arbeiten des Schaltreglers mit Betriebs
spannung versorgt werden. In der ersten Zeit unmittelbar nach
dem Anlegen der Nenneingangsspannung wie z. B. einer
Netzwechselspannung bzw. Batteriespannung, bestimmt daher der
Ladestrombegrenzungswiderstand den Aufladestrom des kapazitiven
Elements wie Kondensator alleine. Erst wenn die Regelverstärker
ihre Betriebsspannung erhalten haben, tritt der einstellbare
Widerstand, d. h. der Transistor in Funktion.
In einer weiteren besonders hervorzuhebenden Ausführungsform
kann die Schutzeinrichtung insbesondere bei autarkem Betrieb durch
eine eigene Spannungsversorgung, die ihrerseits aus der
Nenneingangsspannung gewonnen wird, versorgt werden. Bei
autarkem Betrieb kann der Strombegrenzungswiderstand entfallen
und mittels z. B. eines ferngesteuerten Ausschaltsignals kann das
aktiver Filter inaktiv geschaltet werden, um Leerlaufströme aus
der Energiequelle bei dennoch bestehender Betriebsbereitschaft zu
unterbinden.
Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß die
Spannungsistwertregelgröße (Stromistwertgröße) und ein
Spannungssollwertgeber (Stromsollwertgeber) an Vergleichs
einrichtungen angeschlossen sind, denen Regelverstärker
nachgeschaltet sind, deren Ausgänge die Steuerelektrode des
Transistors speisen. Der Spannungsistwert wird an dem
kapazitiven Element und der Stromistwert am Shunt gemessen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der
Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Die Erfindung wird an Hand eines Leistungswandlers in Form
eines Netzgerätes beschrieben.
Ein Netzgerät zur Erzeugung einer Gleichspannung enthält einen
Gleichrichter (1), z.B. einen Doppelweggleichrichter, der mit
seinen Wechselspannungseingängen (2), (3) von der Netzwechsel
spannung gespeist wird. Der Gleichrichter (1) ist mit den
Gleichspannungsausgängen (4), (5) an einen Ladestrom
begrenzungswiderstand (6) und einem dazu
in Reihe liegenden kapazitiven Element (10)
gelegt. Parallel zu dem kapazitiven
Element (10) ist eine Schaltstufe bestehend aus dem als
Feldeffekttransistor ausgebildeten Schalttransistor (7) und dem
Transformator (9) geschaltet, wobei das kapazitive Element (10)
insbesondere zur Glättung und Energiespeicherung der gleichge
richteten Netzwechselspannung verwendet wird. An die Sekundär
wicklung (11) des Transformators (9) ist ein weiterer, nicht
näher dargestellter Gleichrichter nebst Glättungseinrichtungen
angeschlossen, der eine Last speist. Die Gate-Elektrode des
Feldeffekttransistors (7) ist mit einer Steuer- und Regelschaltung
(12) verbunden, die den Feldeffekttransistor (7) impulsdauer
moduliert betätigt, um am Ausgang des Netzgerätes eine geregelte
Gleichspannung zu erzeugen. Die Steuer- und Regelschaltung (12)
bildet mit dem Transformator (9), dem Gleichrichter auf der
Sekundärseite des Transformators (9) sowie mit den Glättungs
mitteln und einem Spannungsistwertgeber einen Schaltregler.
Parallel zum Ladestrombegrenzungswiderstand (6) ist als
einstellbarer Widerstand ein Transistor (13), vorzugsweise ein
Feldeffekttransistor, in Reihe mit einem Stromfühler (einem
Shunt) (14) angeordnet. Die Steuerelektrode des Transistors (13)
ist mit dem Ausgang eines Regelverstärkers (15) verbunden,
dessen Eingang an eine Vergleichseinrichtung (16) angeschlossen
ist, die mit dem Stromfühler (14) und über einen Widerstand (17)
mit dem Ausgang eines anderen Regelverstärkers (18) verbunden
ist.
Weiterhin ist an die Vergleichseinrichtung (16) eine Spannungs
begrenzungseinrichtung (19), z.B. Zener-Diode (19) ange
schlossen. Der Regelverstärker (18) ist an seinem Eingang mit
einer Vergleichseinrichtung (26) verbunden, an die ein
Spannungssollwertgeber (20), z.B. eine Zener-Diode, und über
einen Widerstand (21) die eine Elektrode (Bezugspunkt (32)) des
kapazitiven Elements (10) angeschlossen ist.
Der Transformator (9) enthält eine Hilfswicklung (22), die in
Reihe mit einer Diode (23) angeordnet ist, die einen Kondensator
(24) speist, an dem die Betriebsspannung für die Regelverstärker
(15), (18) abgegriffen wird. Der Kondensator (24) ist parallel
zur Reihenschaltung der Hilfswicklung (22) und der Diode (23)
angeordnet, und steht mit einer Elektrode mit dem Shunt (14)
(Bezugszeichen (30)) und dem kapazitiven Element (10)
(Bezugszeichen 31)) in Verbindung (Potential in dem Punkten
(30) und (31) ist gleich).
Der Ladestrombegrenzungswiderstand (6) ist hochohmig
ausgebildet. Er begrenzt den Einschalt- bzw. Aufschaltstrom der
beim Anlegen der ihren maximal zulässigen Überspannungswert
aufweisenden Netzwechselspannung. Durch die Aufladung des kapazitiven
Elements (10) baut sich eine Spannung auf, die eine Grenze
erreicht, ab der die Steuer- und Regelschaltung (12) jeweils in
Funktion tritt, wobei der Schaltregler mittels des Feldeffekt
transistors (7) zu arbeiten beginnt. Hierdurch werden auch die
Regelverstärker (15), (18) über die Hilfswicklung (22), die Diode
(23) und der Kondensator (24) mit Betriebsspannung versorgt.
Der Sollwert der Spannung an der Vergleichseinrichtung (26)
entspricht der maximalen Nenneingangsspannung. Wenn der
Regelverstärker (18) Betriebsspannung erhält, tritt an der
Vergleichseinrichtung (26) daher eine hohe Regelabweichung auf,
durch die der Regelverstärker (18) eine hohe Ausgangsgleich
spannung erzeugt, die beispielsweise mittels des Widerstandes
(17) und der Zenerdiode (19) so eingestellt wird, daß sie als
Führungsgröße einem zulässigen Stromwert entspricht. Diese dem
maximal zulässigen Stromwert entsprechende Spannung bewirkt
über die Vergleichseinrichtung (16) und den Regelverstärker
(15), daß der Transistor (13) aufgesteuert wird und den maximal
zulässigen Stromsollwert in das kapazitive Element (10) und die
nachgeschalteten Stromkreise geregelt einspeist. Dabei hat der
Transistor (13) einen dem Stromsollwert entsprechenden
Widerstand. Über den hochohmigen Ladestrombegrenzungswider
stand (6) fließt bei arbeitendem Transistor (13) ein vernach
lässigbar kleiner Strom.
Der Widerstand (21), der Spannungssollwertgeber (20), die
Vergleichseinrichtung (28), der Regelverstärker (18), der
Widerstand (17), die Zener-Diode (19), die Vergleichseinrichtung
(16) und der Regelverstärker (15) sind Bestandteile des zuvor
beschriebenen Regelkreises, der als Stellglied den Transistor
(13) enthält und als Regelgröße die am Kondensator (10)
abfallende Spannung bzw. den über den Shunt (14) fließenden
Strom beeinflußt. Dieser Regelkreis (Bezugszeichen (28)) enthält
einen Stromregelkreis (33) mit dem Transistor (13) als Stellglied,
dem Stromfühler (14) als Stromistwertgeber, dem Regelverstärker
(15) und der Vergleichseinrichtung (16) sowie einen Spannungs
regelkreis (34) mit dem Spannungsfühler (21) als Spannungsist
wertgeber, dem Regelverstärker (18) und der Vergleichseinrich
tung (26). Der Strom- und Spannungsregelkreis (33) bzw. (34)
können mit ihrem jeweiligen Ausgang auch direkt (parallel) auf
das Stellglied (13) einwirken und nicht wie dargestellt.
Bei einer dynamischen Eingangsspannungserhöhung würde der in
das kapazitive Element (10) und die nachgeschalteten Stromkreise
fließende Strom ohne den Stromregelkreis (33) unbegrenzt
ansteigen. lnfolge des Stromregelkreises (33) erhält jedoch der
Transistor (13) bei ansteigender Eingangsspannung weniger
Steuerstrom, wodurch sein Widerstand erhöht wird, d.h. der
Stromsollwert bleibt erhalten, da der Spannungsistwert niedriger
als der Spannungssollwert bleibt. Das heißt, daß der Spannungs
regelkreis (34) nicht aktiv wird.
Bei noch weiter, noch über den eingestellten Spannungssollwert
steigender Spannung am Eingang wird die am kapazitiven
Element (10) abfallende Spannung geregelt, d.h. die nachge
schalteten Stromkreise erhalten keine in gleicher Weise über die
Eingangsspannung ansteigende Gleichspannung. Der Spannungs
regelkreis (34) begrenzt die Spannung am kapazitiven Element
(10) daher auf einen systemverträglichen Wert. Hohe Eingangs
spannungen bewirken deshalb Spannungsabfälle am Strombegren
zungswiderstand (6) und an dem diesem parallel geschalteten
einstellbaren Widerstand (13). Daher kann das Netzgerät auch
bei dynamischer Überspannung eine geregelte Ausgangsspannung
durch gesicherte Funktionalität erzeugen.
Parallel zum kapazitiven Element (10) ist zweckmäßigerweise eine
Spannungsbegrenzungsschaltung (27) angeordnet, deren
Ansprechschwelle höher als der an der Vergleichseinrichtung (26)
anstehende Spannungssollwert (20) ist. Diese Spannungsbe
grenzungsschaltung (27) kann bei sehr hohen Eingangs
spannungen und dem daraus resultierenden Strom über den
Widerstand (6) bei statisch anliegender zu hoher Eingangs
spannung und speziell im Leerlauf des Gerätes das kapazitive
Element schützen. Es ist günstig, wenn der Wert des
Ladestrombegrenzungswiderstandes dem Quotienten aus der
Differenz der maximal zulässigen statischen Überspannung und
dem Spannungssollwert am kapazitiven Element (10) und dem
Leerlaufstrom des Leistungswandlers entspricht.
Claims (8)
1. Schutzeinrichtung für einen, einen kapazitiven Eingang
aufweisenden Leistungswandler wie Netzgerät, Wechselrichter
oder Gleichspannungswandler, der mit einer Energiequelle
über eine, einen einstellbaren Widerstand aufweisende Strom
begrenzungseinrichtung verbunden ist, deren Widerstands
wert zum Schutz des Leistungswandlers in Abhängigkeit von
der Differenz der am Eingang der Schutzeinrichtung anliegenden
Spannung und der am kapazitiven Eingang des
Leistungswandlers anstehenden Spannung verändert wird,
wobei dem einstellbaren Widerstand ein fester Strombegrenzungs
widerstand parallel geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der einstellbare Widerstand (13) Stellglied in einem
Spannungs- und Stromregelkreis (33, 34; 28) ist, daß der
Istwert der Spannung von zumindest einem kapazitiven
Element (10) des Leistungswandlers und der Istwert des
Stroms von einem Shunt (14) abgegriffen wird und daß dem
Spannungsregelkreis (34) der Stromregelkreis (33) parallel
geschaltet oder unterlagert ist.
2. Schutzeinrichtung für einen, einen kapazitiven Eingang
aufweisenden Leistungswandler wie Netzgerät, Wechselrichter
oder Gleichspannungswandler, der mit einer Energiequelle
über eine, einen einstellbaren Widerstand aufweisende Strom
begrenzungseinrichtung verbunden ist, deren Widerstands
wert zum Schutz des Leistungswandlers in Abhängigkeit von
der Differenz der am Eingang der Schutzeinrichtung anlie
genden Spannung und der am kapazitiven Eingang des
Leistungswandlers anstehenden Spannung verändert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der einstellbare Widerstand (13) Stellglied in einem
Spannungs- und Stromregelkreis (33, 34; 28) ist, daß der Istwert der
Spannung von zumindest einem kapazitiven Element (10) des
Leistungswandlers und der Istwert des Stroms von einem Shunt (14)
abgegriffen wird, daß dem Spannungsregelkreis (34) der Strom
regelkreis (33) parallel geschaltet oder unterlagert ist und daß die
Spannungsversorgung für den Spannungs- und Stromregel
kreis von der Eingangsspannung der Schutzeinrichtung
gewonnen wird (22, 23, 24).
3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Widerstandswert des festen Strombegrenzungswider
stands (6) dem Quotienten aus maximal zulässiger statischer
Nenneingangsspannung und dem bei dieser Nenneingangs
spannung fließenden Leerlaufstrom zum Leistungswandler
entspricht.
4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sollwert des Spannungsregelkreises (34) auf den Wert
der Nenneingangsspannung des Leistungswandlers eingestellt
ist.
5. Schutzeinrichtung nach einem der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das kapazitive Element (10) und ein Spannungssollwert
geber (20) an eine Vergleichseinrichtung (26) angeschlossen
sind, der ein Regelverstärker (18) nachgeschaltet ist, an
den eine zusätzliche mit einem Stromistwertgeber verbundene
Vergleichseinrichtung (16) angeschlossen ist, der ein
weiterer Regelverstärker (15) nachgeschaltet ist, dessen
Ausgang die Steuerelektrode eines das Stellglied bildenden
Transisotors (13) speist, der in Reihe mit dem Shunt (14)
angeordnet ist.
6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die über den Regelverstärker (18) verstärkte Differenz
zwischen Spannungssollwert (20) und Spannungsistwert (21)
direkt auf das Stellglied (13) aufschaltbar ist.
7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie mittels eines vorzugsweise fernge
steuerten Schaltsignals inaktiv schaltbar ist.
8. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine aus der Eingangsspannung der Schutzeinrichtung
gewonnene Spannungsversorgung (22, 23, 24) für den Spannungs- und
Stromregelkreis (34; 33) vorgesehen ist.
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