DE3823922C2

DE3823922C2 -

Info

Publication number: DE3823922C2
Application number: DE3823922A
Authority: DE
Inventors: Bernard Bourg Ales Valence Fr Bedouet
Original assignee: Crouzet SA
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1991-02-14
Also published as: DE3823922A1; FR2618276B1; IT1223682B; GB2208193B; FR2618276A1; IT8867653A0; GB8816809D0; GB2208193A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltvor richtung mit Leistungsüberwachung und integrierter Absi cherung für elektrische Schaltkreise nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1, wie sie aus der DE 35 15 133 A1, der DE 34 45 340 A1 sowie der Literaturstelle "Advances in Solid State Switchgear Technology for Large Space Power Systems (NASA Technical Memorandum 83652), 1984, vorbekannt sind.

Bei diesen bekannten Schaltvorrichtungen, wie sie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt ist, wird das Schließen und Öffnen des zu schützenden elektrischen Schaltkreises von einem Halbleiter, wie einem Leitungstransistor TR oder einem Feldeffekttransistor (MOS) vorgenommen. Diese Funktion wird von einem äußeren elektrischen Signal mit geringer Leistung gesteuert, das entweder gesetzt ist oder nicht, wie in einer einfachen EIN/AUS-Steuerung.

Die aus einem Shunt und einem Verstärker A1 bestehende Strommeßschaltung stellt von einem Transistor TR gesteuert, die Begrenzung des Betriebsstromes sicher. Diese Begrenzung ist nötig, damit die Grenzen für den Strom durch den Transistor nicht überschritten werden, wenn die maximal zulässige Dauerlast eine gewisse Zeit lang überschritten wird, wobei die maximal zulässige Dauer last im wesentlichen von der Leistungscharakteristik des Transistors bestimmt ist. Das ist die Abschaltfunktion des Schalters.

Ein Integrator IT verleiht der Vorrichtung Trägheit, um unerwünschte Abschaltungen zu vermeiden. Bei dem beschriebenen Aufbau ergibt sich zum ersten das Problem, daß der Schalttransistor während der Strombegrenzung extremer thermischer Belastung ausgesetzt ist. Die von dem Transistor TR aufgenommene Leistung kann die Schaltleistung erreichen, wenn der Verbraucher kurzgeschlossen ist. Es bestehen zwei Möglichkeiten, die Zerstörung des Transistors TR zu verhindern: die Dauer der Steuerphasen des Stroms vor dem Abschalten kann begrenzt oder der Transistor TR kann überdimensioniert werden.

Wenn die Zeit vor dem Abschalten zu kurz ist, wird ein Schalter dieser Art für motorische und kapazitive Lasten unbrauchbar. Die Lasten nehmen nämlich für einige Millisekunden einen Strom auf, der zwei- bis fünfmal größer als ihr Nennstrom ist.

Die Überdimensionierung des Transistors TR ist problematisch, weil Transistoren mit großen Leistungen sehr teuer sind, insbesondere in MOS-Technik. Eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren mit geringer Leistung ist ausgeschlossen, weil die lineare Steuerung dies verbietet.

Der Grund dafür liegt in der Streuung der Charak teristika der Transistoren.

Das zweite Problem besteht in der Schwierigkeit, daß der zu steuernde Schaltkreis progressiv geöffnet und geschlossen wird, um Überspannungen und Überströme erzeugende Spannungs- und Stromsprünge zu begrenzen. Zur Lösung des ersten Problems hat man sehr schnelle Übergänge (Sprünge) erzeugt, was der Forderung der langsamen Schaltung widerspricht. Um die Über spannungen und Überströme zu begrenzen, griff man auf Hilfsschaltungen für die Umschaltung zurück.

Ein weiteres Problem liegt in der Stromregelung. Die Anordnung von Transistor TR, Shunt Sh und Ver stärker A1 stellen eine Regelung dar. Diese Regelung hat eine beschränkte Stabilität und beschränkte Antwortzeiten, welche einen sehr schnellen Verstärker in dem Bereich von 50 V/ms erforderlich machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be schriebenen Nachteile zu beseitigen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungs gemäß eine elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 vorgeschlagen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung vereinigt folgende Funktionen:

- Schließen und Öffnen eines elektrischen Schalt kreises,
- Regeln und Begrenzen des Stroms,
- Gesteuertes und zeitlich abgestimmtes Abschalten.

Das Öffnen und Schließen wird mittels einer Anordnung von Transistoren TR₁ bis TR_n in Parallelschaltung vorgenommen.

Die Benennung der Transistoren weist auf den Typ der Halbleiter, wie Leitungstransistoren, MOS-Schalt kreise, Thyristoren, Triacs und GTO-Thyristoren hin. Die Auswahl hängt von der Art des zu überwachenden Stromes (Gleichstrom oder Wechselstrom) und der zu steuernden Leistung ab. Die Strombegrenzung wird von Widerständen R₁ bis R_n wahrgenommen. Die Widerstände können beträchtliche Überlasten in sehr kurzen Zeiten absorbieren. Um die Widerstände vor Zerstörung zu bewahren, wird die entnommene Wärme mittels einer herkömmlichen Kühleinrichtung abgeführt. Die Widerstände liegen in Serie mit den beschriebenen Transistoren. Sie sind so dimensio niert, daß der Strom auch dann unterhalb des Zer störungsstroms des Transistors in jeder der Anordnungen liegt, wenn der Verbraucher kurzgeschlossen ist.

Ein elektronischer Reihenfolgenschalter stellt sicher, daß die Anordnungen "Widerstand-Transistor" nacheinander unter Zuhilfenahme geeigneter Mittel den Strom durch die Schaltung messen.

Für Gleichstrom in der elektrischen Schaltung sind die Halbleiterschalter (Leitungstransistoren oder MOS-Transistoren) in Serie mit den Widerständen verschaltet und die Mittel zum Messen des Stroms durch die Schaltung werden von einem Shunt mit einem Spannungsvergleicher gebildet.

Für Wechselstrom in der elektrischen Schaltung sind die Halbleiterschalter bidirektionale Schalter, d. h. Triacs, gegensinnig verschaltete Transistoren oder gegensinnig verschaltete MOS-Schaltungen. In diesem Fall sind die Mittel zum Messen des Stroms durch die Schaltung von einem Stromwandler gebildet, der einem Vergleicher zugeordnet ist. Schließt man die äußere Steuerung des Schaltkreises, aktiviert in jedem Fall der Reihenfolgenschalter eine erste Schaltungsanordnung, und zwar diejenige mit dem größten Widerstand, dann eine zweite mit einem geringeren Widerstand usw. bis zur letzten Anordnung, die keinen Serienwiderstand hat und alle anderen Anordnungen kurzschließt, weil der in der Schaltung fließende Strom den der Last entsprechenden Nennstrom erreicht hat.

Die Schaltung stellt einen elektronischen Rheostaten dar, dessen Steigung von der Anzahl der parallel miteinander verschalteten Anordnungen und der Größe der Widerstände abhängt.

Ist die Anzahl der Anordnungen groß, ist die Um schaltung moderat. Der Verlauf der Steigung kann mittels Widerständen mit unterschiedlichen Werten an die zu steuernde Last angepaßt werden. Das ist bei nicht linearen Lasten, wie beispielsweise Motoren, von Interesse.

Ist die Anzahl der Widerstände klein, so ergibt sich der kleinste Widerstand und die Umschaltung erfolgt schlagartig. Dies ist der Fall bei linearen Lasten, wie Widerständen, und bei induktiven Lasten.

Auf den Befehl "Schaltkreis öffnen" öffnet der Reihenfolgenschalter dementsprechend alle Anordnungen in umgekehrter Reihenfolge wie beim Schließen. Diese allmähliche Öffnung hat zum Ziel, die auf tretenden Schaltströme zu dämpfen und die Änderungen der elektrisch erzeugten Last zu begrenzen.

Wenn vor dem Befehl zum Schließen und während des Ruhezustands eine elektrische Überlast auftritt, steuert der Stromdetektor den Reihenfolgenschalter an, so daß dieser den letzten Schalter öffnet, welcher keinen Serienwiderstand hat. Somit wird der Strom in dem System wegen der Widerstände in den Schaltanordnungen begrenzt.

Wenn der Fehler weiterhin bestehen bleibt, öffnen alle Transistoren und der Schalter schaltet ab. Verschwindet der Fehler während der Begrenzungsphase, so schließt der Reihenfolgenschalter den letzten Schalter ohne Serienwiderstand wieder.

Alle Überlastzustände sind möglich. Tritt vor dem Befehl zum Schließen des Schaltkreises eine Überlast auf (Anlassen eines Motors oder Laden eines Konden sators), beläßt der Reihenfolgenschalter die erste Anordnung TR₁ bis TR_n in leitendem Zustand. Anderen falls (die Überlast bleibt bestehen) geht der Schalter in den abgeschalteten Zustand über. Es sei darauf hingewiesen, daß die Bezugsspannung während der Anlaufphase von dem Reihenfolgenschalter gesteuert und gemäß einem Gesetz umgekehrt wird, das sich der Kennlinie des Anlassens von Motoren oder des Ladens von Kondensatoren annähert. Die Überlastströme folgen in annehmbarer Weise dieser Kennlinie und können für den Bruchteil einer Sekunde den drei- bis fünffachen Wert des Nennstromes annehmen.

Im Betrieb wird die Eingangsspannung nicht durchge schaltet, wobei der Reihenfolgenschalter mittels eines Betriebsversorgungskreises (MST) diese Sperre einem EIN/AUS-Befehl angleicht; somit beseitigt dieser neuartige Aufbau die wesentlichen Nachteile des herkömmlichen Aufbaus.

1. Die Transistoren werden nicht thermisch belastet. Sie arbeiten ausschließlich in der Sättigung oder im Sperrbereich; die Verlustleistungen sind sehr gering, sie liegen im Bereich von einigen Watt. Die Arbeitsweise erlaubt einen Parallelbetrieb mehrerer Transistoren mit den entsprechenden Kostenvorteilen.
2. Die durch plötzliches Öffnen und Schließen ver ursachten Überspannungen und Überströme sind wegen der allmählichen Öffnungen und Schließungen unterdrückt.
3. Der Kreis zur Überwachung und Ansteuerung der Transistoren muß keine besonderen Anforderungen bezüglich der Schnelligkeit und Stabilität erfüllen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine herkömmliche elektronische Schaltvor richtung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen Schaltvorrichtung für einen Gleich stromkreis;

Fig. 3 die Schaltvorrichtung nach Fig. 2 im Detail;

Fig. 4, 5 und 6 die zeitlichen Verläufe verschiedener Ströme in einem mit der Schaltvorrichtung nach der Erfindung versehenen Schaltkreis und

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung für einen Wechselstrom kreis.

Nach Fig. 2 liegt die erfindungsgemäße Schaltvor richtung 3 zwischen einer Gleichspannungsquelle 1 und einer Last R_c. Sie wird von einem EIN/AUS- Schalter 12 angesteuert.

Die Schaltung umfaßt mehrere parallele Schaltan ordnungen TR₁-R₁, TR_n-R_n, welche Halbleiterschalter TR₁ bis TR_n jeweils in Serie mit Widerständen R₁ bis R_n umfassen.

Der letzte Zweig der Schaltung umfaßt keinen Wider stand, sondern lediglich einen Halbleiterschalter TR_p. Der Strom wird mittels eines Shunt 6 in Verbindung mit einem Spannungsvergleicher 7 gemessen. Die gewonnene Information, hier in digitaler Form, wird zur Steuerung eines Reihenfolgenschalters 4 verwendet, der nacheinander die verschiedenen Transistoren TR₁ bis TR_n und TR_p entsprechen dem Verlauf des Stroms in der Schaltung ansteuert. Ein Schaltkreis 2 zum Überwachen der Spannung der Versorgungsquelle 1, der einen Vergleicher und einen Transistor in Serie umfaßt, steuert ebenso wie der EIN/AUS-Schalter 12 den Reihenfolgenschalter 4 an.

Fig. 3 zeigt die Einzelheiten des Aufbaus der Schaltung nach Fig. 2. Der Teil der Leistungsschaltung wird von den MOS-Transistoren T₁, T_n-1 bis T_n und T_p gebildet, welche mit Begrenzungswiderständen R₁ bis R_n verschaltet sind. Der Shunt 6 liegt an Vergleichern 7, 8 und 9, um die Stromsteuerung der Schaltvorrichtung zu überwachen.

Der Vergleicher 7 stellt die Stromüberwachung während des Unterspannungsetzens und im Ruhezustand sicher. Seine Referenzspannung U wird von einem Schaltkreis 5 geliefert. Diese Spannung, die dem zu überwachenden Strom entspricht, verändert sich über die Zeit. Sie ist beim Unterspannungsetzen groß und nimmt dann allmählich einen festen Wert an, welcher dem Nennstrom der Schaltvorrichtung entspricht. Die Veränderungen werden von dem Reihenfolgenschalter 4 gesteuert, der auch die Überwachung der Transistoren T₁ bis T_p sicherstellt. Der Reihenfolgenschalter 4 wird von einem Rampengenerator 11 gesteuert, welcher einen Kondensator in Serie mit zwei parallelen Widerständen umfaßt, wobei der Rampengenerator von dem EIN/AUS-Schalter 12 oder von einem Überwacher 2 für die Versorgung gesteuert wird.

Der Vergleicher 8 dient zur Hauptüberwachung des Begrenzungsstroms, der auf einen Wert zwischen dem drei- und dem fünffachen Nennstrom I_N eingestellt wird. Kehrt der Vergleicher 8 um, wird ein Thyristor 10 leitend. Der Zustand der Leitung des Thyristors bewirkt, daß der EIN/AUS-Schalter 12 gesperrt ist, was wiederum die unmittelbare Öffnung der Transistoren T₁ bis T_p bewirkt. Der Schalter 12 ist von der Schaltung beispielsweise mittels eines Optokopplers 14 galvanisch isoliert.

Die Wiedereinschaltung der Schaltvorrichtung erfolgt dadurch, daß der Schalter 12 auf "AUS" geschaltet wird, was den Thyristor 10 außer Betrieb setzt.

Der Vergleicher 9 setzt zum Überwachen des Minimal stroms von etwa ¹/₁₀ des Nennwertes nur den Transistor T₁ und den Widerstand R₁ in den Leitungszustand.

Diese Überwachung ist für den Fall erforderlich, daß der Verbraucher abgeklemmt und dann wieder angeklemmt wird, wobei der Schalter 12 in EIN-Stellung ist. Ohne diese Vorsichtsnahme beim Abklemmen des Verbrauchers würden die genannten Ströme sehr groß, was die Gefahr der Zerstörung des Transistors TR_p mit sich bringen würde. Mittels dieser Schaltung beläßt man die MOS-Transistoren in nacheinander leitendem Zustand.

Die elektronischen Schaltkreise der Vorrichtung werden mittels eines Wandlers 13 gespeist, der seine Energie aus einer Versorgungsspannung V_e bezieht.

Fig. 4 zeigt die Signale vor dem Einschalten. Die Zeit- und Stromwerte sind zur Information mit angegeben. Sie können sich je nach Anwendung ändern. Das Ende der Signale entspricht einem Öffnen des Schalters 12. Der Zeichnung ist zu entnehmen:

- Kurve a: die Anstiegszeit a₁ des Stromes ist wesentlich länger als die Abfallzeit a₂,
- Kurve b: der Leitungszustand des Transistors T₁,
- Kurve c: der Leitungszustand des Transistors T_n-1,
- Kurve d: der Leitungszustand des Transistors T_n,
- Kurve e: der Leitungszustand des Transistors T_p,
- Kurve f: das Ausgangssignal der Schaltung 5, die Kurve des Auslösens der Schaltvorrichtung.

Fig. 5 zeigt verschiedene Formen der durch die Vorrichtung fließenden Ströme.

Kurve g stellt den von einem Motor aufgenommenen Strom dar. Beim Schließen des Schaltkreises schwankt der Strom g₁ des Auslösens, bis er einen Ruhezustand unterhalb des Nennstroms annimmt. Eine erste vorüber gehende Überlast tritt bei g₂ auf. Diese sperrt kurzzeitig den Transistor T_p (h₁). Nach Abklingen dieser Überlast kehrt der Transistor T_p in den Leitungszustand zurück. Danach tritt eine Reihe von Überlasten g₃ auf, welche wiederholt den Transistor T_p sperren. Ein Schaltkreis RC 15 am Ausgang des Vergleichers 7 integriert diesen Fehler und steuert die Leitung des Thyristors 10. Der Schalter ist geöffnet.

Fig. 6 zeigt die Auswirkungen des Abtrennens einer motorischen Last, wenn die Vorrichtung im Leitungs zustand ist. Die Abtrennung ist möglich, wenn ein Schalter zwischen die Last und die Vorrichtung geschaltet ist.

Entsprechend der Kurve k wird der Strom durch die Last unterbrochen, weil die Last abgeklemmt wird.

Kurve l stellt den Zustand des Vergleichers 9 dar, der dann den Zustand der Öffnung der Schaltung ändert. Diese Änderung des Zustands bewirkt:

- die Entladung des Kondensators in dem Schaltkreis 11;
- die Änderung des Zustands des Vergleichers in dem Schaltkreis 4, was die Öffnung der Transistoren T_n-1 bis T_p bewirkt, wobei lediglich der Transistor T₁ im Leitungszustand verbleibt, wie die Kurven m, n, o und p verdeutlichen;
- die Änderung des Zustands des Vergleichers in dem Schaltkreis 4, was eine Veränderung des Schalt kreises 5 bewirkt. Dieser weist einen Vergleicher an einem der Eingänge auf, welche an die Ausgänge der Vergleicher des Reihenfolgenschalters 4 ange schlossen sind. Der Reihenfolgenschalter 4 nimmt die Regelung des Stromes auf den maximal zulässigen Wert vor, beispielsweise 3I_N, so wie er von der Kurve g₁ der Linie k dargestellt ist.

Wird die Last abgeklemmt, steigt augenblicklich der Strom auf der Leitung, was den Vergleicher 9 in einen neuen Zustand versetzt. Dieser neue Zustand erlaubt es:

- nacheinander mittels des Schaltkreises 4 die Zweige T_n-1 bis T_p in den Leitungszustand zu versetzen und
- die Überwachung des Stroms mittels des Schalt kreises 5 vorzunehmen.

In Fig. 7 ist eine Schaltvorrichtung zur Überwachung von Wechselstromschaltkreisen dargestellt. Die Schaltanordnungen sind mittels bidirektionaler Schalter 70, 71 und 72, wie beispielsweise Thyristoren oder MOS-Schaltungen realisiert, wobei letztere gegensinnig miteinander verschaltet sind. Ebenso können auch Triacs verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Einrichtung zur Strommessung einen Stromwandler 73 mit einem Ver gleicher 74.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf statische Schalter und auf Leistungssteuerrelais auf dem Gebiet der Fliegerei.

Claims

1. Elektronische Schaltvorrichtung mit Leistungs überwachung und integrierter Absicherung für elektrische Schaltkreise, mit einem elektronischen Schalter, einem Stromüberwacher und einer Ein richtung, die den elektronischen Schalter in Abhängig keit von dem Stromfluß durch den elektronischen Schalter steuert, dadurch gekennzeich net, daß der elektronische Schalter von einer Parallelschaltung mehrerer Schaltanordnungen gebildet ist, die je einen Halbleiterschalter (T) in Serie mit einem Widerstand (R) umfassen, wobei diese Anordnungen unterschiedliche Charak teristika haben und nacheinander von einem elektro nischen Reihenfolgenschalter (4) angesteuert werden, der zum einen von einer externen Steuerung (12) und zum anderen von dem Stromüberwacher (6, 7) gesteuert ist.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Überwachen eines Gleichstromkreises die Halbleiterschalter in Serie mit Widerständen geschaltete Flächen transistoren (T) sind und daß der Stromüberwacher von einem einem Spannungsvergleicher (7) zuge ordneten Shunt (6) gebildet ist.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Überwachen eines Gleichstromkreises die Halbleiterschalter in Serie mit Widerständen geschaltete MOS-Tran sistoren sind und daß der Stromüberwacher von einem einem Spannungsverstärker (7) zugeordneten Shunt (6) gebildet ist.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Überwachen eines Wechselstromkreises die Halbleiterschalter bidirektionale Schalter (70) sind und daß der Stromüberwacher eine Strommeßeinrichtung mit einem Vergleicher (74) und einem Stromwandler (73) umfaßt.

5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bidirektionalen Schalter Triacs sind.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bidirektionalen Schalter gegensinnig miteinander verschaltete Thyristoren sind.

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bidirektionalen Schalter gegensinnig miteinander verschaltete MOS-Schaltungen sind.