DE3806288C2 - - Google Patents
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
- H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
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- H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
- H02M1/0085—Partially controlled bridges
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- Rectifiers (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutzein
richtung für eine Einspeiseschaltung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Eine solche Überspannungsschutzeinrichtung ist aus der
DE 32 09 186 A1 und aus O. Kilgenstein, Schaltnetzteile in
der Praxis, Vogel-Buchverlag, Würzburg, 1986, Seiten 9 bis
13, 115 bis 121, 271, 361, 362 bekannt. Anwendungsgebiete
sind inbesondere Netzgeräte und andere vergleichbare Lei
stungselektronikschaltungen.
Konventionelle Netzgeräte zur Stromversorgung von elektro
nischen Schaltungen enthalten einen Netztransformator zur
Potentialtrennung und Spannungsanpassung. Eine Sekundär
wicklung dieses Netztransformators speist über einen Gleich
richter mit nachgeschaltetem hochkapazitivem Elektrolytkon
densator die elektronische Schaltung. Die große Kapazität
des Kondensators verhindert, in Verbindung mit dem ohmschen
Innenwiderstand des Transformators und mit dessen Streuin
duktivität, daß Spannungsspitzen der Netzspannung zu einem
nennenswerten Anstieg der Gleichspannung führen.
Primärgetaktete Netzgeräte enthalten keinen Netztransforma
tor mehr. Die Netzwechselspannung wird gleichgerichtet und
mit einem Elektrolytkondensator mäßiger Kapazität geglät
tet. Ein oder mehrere Transistoren zerhacken die resultie
rende Gleichspannung, so daß zur Potentialtrennung und
Spannungsanpassung dank der hohen verwendeten Frequenz ein
Übertrager dienen kann, der wesentlich kleiner ist als ein
Netztransformator gleicher Leistung.
Da bei primärgetakteten Netzgeräten zwischen dem Netz und
dem Elektrolytkondensator der relativ hohe ohmsch-induktive
Innenwiderstand eines Transformators fehlt, führen Span
nungsspitzen der Netzwechselspannung relativ schnell zu ei
ner gefährlichen Überladung des Glättungskondensators. Eine
daraus resultierende zu hohe Kondensatorspannung gefährdet
sowohl den Kondensator selbst als auch den oder die nach
folgenden Transistoren.
Nach VDE 0160 können gelegentlich Netzspannungsspitzen vom
2,3-fachen Wert des Nennscheitelwertes der Netzwechselspan
nung auftreten. Will man deren Einfluß auf die Gleichspan
nung begrenzen, so ist mindestens ein Strombegrenzungswi
derstand in die Netzeinspeisung des Netzgerätes einzufügen.
Nur bei Netzgeräten relativ kleiner Leistung ist es sinn
voll, allein durch ausreichend große ohmsche und kapazitive
Werte die Überhöhung der Kondensatorspannung genügend zu
begrenzen. Darüberhinaus sind Begrenzungselemente notwen
dig.
Die Problematik besteht darin, Begrenzungselemente mit ge
nügender Stoßstromfestigkeit bei gleichzeitig ausreichend
niedrigem differentiellem Widerstand zu finden. Die folgen
den bekannten Begrenzungselemente erweisen sich als unge
eignet: Metalloxid-Varistoren (spannungsabhängige Wider
stände) und Zenerdioden (in Sperrichtung betriebene Dioden
mit ausgeprägtem Lawineneffekt).
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde,
eine Überspannungsschutzeinrichtung für eine Einspeise
schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren
Hilfe auftretende Spannungsspitzen der Netzwechselspannung
auf ungefährliche Werte der Betriebsgleichspannung begrenzt
werden.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des
Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe
sondere darin, daß ab einem bestimmten Grenzwert der Netz
spannungsspitze (= Summe aus dem Schwellwert des Referenze
lementes und der Ansprechspannung des Zündelementes) das
elektronische Schaltelement (Triac oder Thyristor) mit
Hilfe des Referenzelementes getriggert wird, wodurch der
Ballastwiderstand in Reihe zum Strombegrenzungswiderstand
geschaltet wird und sich eine Spannungsteilung ergibt. Als
Referenzelement dient vorteilhaft ein Begrenzungselement,
das die Überspannung erkennt und das elektronische Schalte
lement mit mäßigem Strom zündet. Das Begrenzungselement muß
also vorteilhaft nicht selbst die Netzspannungsspitze be
grenzen, so daß eine ausreichende Stoßstromfestigkeit nicht
zu berücksichtigen ist. Je nach dem gewählten ohmschen Wi
derstandsverhältnis zwischen Strombegrenzungswiderstand und
Ballastwiderstand gelangt nur noch eine Teilspannung der
Netzspannungsspitze (die Hälfte oder weniger) zum Gleich
richter bzw. zum Glättungskondensator. Der entstehende hohe
Querstrom durch den Strombegrenzungswiderstand und den Bal
lastwiderstand dauert maximal eine Netzhalbperiode, so daß
weder der Strombegrenzungswiderstand, der Ballastwider
stand, noch eine vorgeschaltete Schmelzsicherung Schaden
nehmen. Es ergibt sich folglich aufgrund des Ansprechens
der Überspannungsschutzeinrichtung auf Netzspannungsspitzen
keine Betriebsstörung (z. B. Abschaltung des Gerätes).
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Überspannungsschutzeinrichtung unter Einbe
ziehung eines Gleichrichters,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Netzwechselspannung.
In Fig. 1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung unter
Einbeziehung eines Gleichrichters dargestellt. Zwischen
zwei Netzanschlußklemmen 1, 2 liegt die Netzwechselspannung
U an. Ein niederohmiger Strombegrenzungswiderstand 3 ist
zwischen Netzspannungsanschlußklemme 1 und Wechselspan
nungsanschluß 11 eines Gleichrichters 13 angeordnet. Als
Strombegrenzungswiderstand kann auch eine Drossel mit nicht
vernachlässigbarem Kupferwiderstand eingesetzt werden. Ein
erster Thyristor 30 liegt einerseits am Verbindungspunkt
von Netzspannungsanschlußklemme 2 und Wechselspannungsan
schluß 12, andererseits über einem Ballastwiderstand 32 am
Verbindungspunkt von negativem Gleichspannungsanschluß 16
und negativem Gleichspannungsausgang 33 des Gleichrichters
13. Ein zweiter Thyristor 31 liegt zwischen dem Wechsel
spannungsanschluß 11 und dem Verbindungspunkt von Ballast
widerstand 32 und Thyristor 30. Der positive Gleichspan
nungsausgang 34 des Gleichrichters 13 ist über eine Diode
35 mit dem positiven Gleichspannungsanschluß 15 verbunden.
Ein Referenzelement 36 (Zenerdiode) ist zwischen dem posi
tiven Gleichspannungseingang 34 des Gleichrichters 13 und
dem gemeinsamen Verbindungspunkt eines Bürdenwiderstandes
37, eines Kondensators 38 und eines Zündelementes (Diac) 39
angeordnet. Das Zündelement 39 dient zur Zündimpulsverstär
kung. Der Widerstand 37 und der Kondensator 38 liegen ande
rerseits am Verbindungspunkt der Thyristoren 30, 31 mit dem
Ballastwiderstand 32. Das Zündelement 39 liegt andererseits
über dem Widerstand 40 an der Steuerelektrode des Thyri
stors 30 und über dem Widerstand 41 an der Steuerelektrode
des Thyristors 31.
Mit der positiven bzw. negativen Klemme des zwischen 15 und
16 angeordneten Glättungskondensators 14 ist der positive
bzw. negative Gleichspannungsanschluß für die nachgeschal
tete Elektronikschaltung (z. B. Sperrwandler, Durchflußwand
ler, Gegentaktwandler, etc., siehe z. B. O. Kilgenstein,
Schaltnetzteile in der Praxis, Vogel-Buchverlag, Würzburg,
1986, Seiten 9 bis 13) verbunden. Die beschriebene Schal
tung dient zur Speisung und zum Schutz der Elektronikschal
tung vor Netzspannungsspitzen.
Bei der Überspannungsschutzeinrichtung ist der Gleichrich
ter 13 in das Schutzkonzept selbst einbezogen. Der der be
schriebenen Schaltung zugrundeliegende Gedanke besteht
darin, daß die elektronischen Schaltelemente 30, 31 den
Ballastwiderstand 32 zwischen die Wechselspannungsan
schlüsse 11 und 12 des Gleichrichters 13 schalten, wenn
eine Netzspannungsspitze an den Klemmen 1 und 2 die Span
nung am Glättungskondensator 14 und damit auch die Augen
blicksspannung an den Anschlüssen 11 und 12 des Gleichrich
ters über einen gewissen Grenzwert anhebt. Der für den Rest
der Netzhalbperiode eingeschaltete Ballastwiderstand 32
bildet mit dem Strombegrenzungswiderstand 3 einen Span
nungsteiler. Das Teilerverhältnis ist so zu wählen, daß die
Teilerspannung unter der Gefahrengrenze bleibt. Der ohmsche
Widerstandswert des Ballastwiderstandes 32 ist kleiner oder
gleich dem ohmschen Widerstandswert des Strombegrenzungswi
derstandes 3.
Mit dem Einschalten der elektronischen Schaltelemente fällt
bei geeigneter Wahl der Werte für die Widerstände 3 und 32
die Spannung an den Anschlüssen 11 und 12 soweit ab
(= Teilspannung), daß der Gleichrichter 13 stromlos wird
und die Gleichspannung am Glättungskondensator 14 nicht
weiter steigt, sondern zu fallen beginnt. Der Grenzwert
hängt im wesentlichen von der Schwellspannung (Referenz
spannung) des Referenzelementes 36 ab, die bei einer Netz
spannung von 220 V beispielsweise die Höhe von ca. 350 V
aufweisen soll. Zu berücksichtigen ist noch die Ansprech
spannung des Zündelementes 39, beispielsweise eines Diacs
mit 35 V. Die Summe dieser beiden Spannungen beträgt somit
385 V. Dieser Spannungswert liegt einerseits genügend ober
halb des normalen Nennscheitelwertes Û der Netzwechselspan
nung (220 V · = 311 V) und entspricht andererseits der
höchstzulässigen Betriebsspannung von Elektrolytkondensato
ren, die als Glättungskondensatoren 14 eingesetzt werden
können.
Die Bauelemente 38, 39, 40, 41 liefern in bekannter Weise
einen definierten Zündimpuls an die Steuerelektroden der
elektronischen Schaltelemente 30, 31, während der Wider
stand 37 eine Bürde für das Referenzelement 36 bildet, denn
dessen Referenzspannung gilt nur für einen bestimmten Ar
beitsstrom.
Die Überlastung des Strombegrenzungswiderstandes 3, des
Ballastwiderstandes 32, der elektronischen Schaltelemente
und gegebenenfalls einer vorgeschalteten, nicht eingezeich
neten Schmelzsicherung in einer der Netzzuleitungen ist
zeitlich begrenzt, denn beim nächsten Nulldurchgang der
Netzspannung gehen die elektronischen Schaltelemente wieder
in den gesperrten Zustand über bzw. verlöschen. Die elek
tronischen Schalter sind somit je nach Lage der Netzspan
nungsspitze in Bezug zur Netzwechselspannung für maximal
eine Netzhalbperiode eingeschaltet und es entsteht kein
Schaden (z. B. durch Schmelzen einer Sicherung).
Die Überspannungsschutzeinrichtung ist auch bei Einsatz von
Thyristoren mit sehr langer Freiwerdezeit frei vom Risiko,
daß ein gezündeter Thyristor beim nächsten Nulldurchgang
der Netzspannung nicht in den gesperrten Zustand übergeht.
Allgemein ergibt sich als Vorteil der Überspannungsschutz
einrichtung, daß die Zündeinrichtung für die elektronischen
Schalter nur für eine Spannungspolarität - und nicht für
beide Spannungspolaritäten - ausgestaltet sein muß.
In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Netzwechselspan
nung U dargestellt. Der Nennscheitelwert ist mit Û bezeich
net. Zum Zeitpunkt t1 tritt eine Netzspannungsspitze mit
dem Wert 2,3 Û auf. Die Summe aus der Feldspannung (Refe
renzspannung) des Referenzelementes und der Ansprechspan
nung des Zündelementes ist mit UA bezeichnet. Da 2,3 Û den
Wert UA überschreitet, wird der elektronische Schalter zum
Zeitpunkt t1 gezündet. Die dem Gleichrichter zugeführte,
durch den Spannungsteiler 3/32 gebildete Teilspannung UT
ist gestrichelt eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t2 (Nulldurch
gang der Netzwechselspannung) verlöscht das elektronische
Schaltelement wieder.
Claims (5)
1. Überspannungsschutzeinrichtung für eine Einspeise
schaltung, deren Betriebsgleichspannung über einen nie
derohmigen Strombegrenzungswiderstand und einen Gleichrich
ter mit nachgeschaltetem Glättungskondensator direkt aus
der Netzwechselspannung gewonnen wird, dadurch gekennzeich
net, daß ein erstes elektronisches Schaltelement (31) mit
dem der ersten Netzanschlußklemme (1) abgewandten Anschluß
des Strombegrenzungswiderstandes (3) und ein zweites elek
tronisches Schaltelement (30) mit der zweiten Netzanschluß
klemme (2) verbunden sind, daß die beiden elektronischen
Schaltelemente (30, 31) - vorzugsweise Thyristoren - ande
rerseits zusammengeschaltet sind und über einen niederohmi
gen Ballastwiderstand (32) an einem Gleichspannungsausgang
(33) des Gleichrichters (13) liegen und daß die Steuerelek
troden der elektronischen Schaltelemente (30, 31) mit einem
die Spannung am Glättungskondensator (14) abtastenden Refe
renzelement (36) verbunden sind.
2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement (36) in
Reihe mit einer Widerstands-Kondensator-Parallelschaltung
(37, 38) und dem Ballastwiderstand (32) zwischen Gleichspan
nungsausgängen (33, 34) des Gleichrichters (13) liegt und
die Steuerelektroden der elektronischen Schaltelemente
(30, 31) am gemeinsamen Verbindungspunkt von Referenzele
ment (36), Widerstand (37) und Kondensator (38) angreifen.
3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zenerdiode als
Referenzelement (36) dient.
4. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der An
sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zündele
ment (39) - vorzugsweise ein Diac - zwischen Referenzele
ment (36) und den Steuerelektroden der elektronischen Schaltelemente (30, 31) vor
gesehen ist.
5. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der An
sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche
Widerstandswert des Ballastwiderstandes (32) kleiner oder
gleich dem ohmschen Widerstandswert des Strombegrenzungswi
derstandes (3) ist.
Priority Applications (1)
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Publications (2)
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ID=6348356
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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-
1988
- 1988-02-27 DE DE3806288A patent/DE3806288A1/de active Granted
Also Published As
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DE3806288A1 (de) | 1989-09-07 |
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