DE3903789A1 - Schaltungsanordnung zur einschaltstrombegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist z.B. aus der DE-AS 22 47 816 bekannt. Hier wird als überbrückendes Schaltglied ein Thyristor verwendet, der gezündet wird, sobald der Spannungsabfall am Strombegrenzungswiderstand auf einen vorgegebenen Wert abgenommen hat.

Bei dieser Schaltung kann es vorkommen, daß der Thyristor nicht zündet und der Strombegrenzungswiderstand, der nicht für Dauerbelastung ausgelegt ist, zerstört wird. Es ist deshalb in der bekannten Schaltungsanordnung eine zweite Zündschaltung notwendig, die in Fällen, in denen die Zündung durch den abnehmenden Spannungsabfall am Strombegrenzungswiderstand (z.B. bei Einschalten unter Last) versagt, Zündimpulse für den Thyristor liefert. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ist zweifellos darin zu sehen, daß die Strombegrenzungswirkung nicht eintritt, wenn, nachdem der Thyristor bereits gezündet hat, eine weitere Spannungserhöhung erfolgt, wenn z.B. ein Kurzschluß, der die Versorgungsspannung vorübergehend auf einen niedrigen Wert abgesenkt hat, infolge Auslösens einer Sicherung aufgehoben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der oben genannten Art anzugeben, die auftretende Stromspitzen zuverlässig begrenzt, jedoch die durch die Verwendung des Thyristors bedingten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der als überbrückendes Schaltglied verwendete MOSFET läßt sich leistungslos steuern. Die erforderliche Steuerschaltung kann somit extrem stromsparend ausgelegt werden und arbeitet dennoch sehr exakt, da durch Stromfluß- und Temperatureffekte bedingte Veränderungen von Kennlinien oder Schwellwerten der verwendeten Bauelemente nicht auftreten. Der MOSFET kann außerdem, im Gegensatz zu einem Thyristor, jederzeit gesperrt werden, auch wenn ein verbleibender Laststrom über seine Schaltstrecke fließt.

Eine in Anspruch 2 angegebene Weiterbildung der Erfindung sieht zusätzlich eine gesonderte Abschaltung von Parallellasten während der Strombegrenzungsphasen vor, um einen die Zuschaltung des MOSFET verhindernden Dauerstrom über den Strombegrenzungswiderstand zu vermeiden.

Eine weitere Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 3 und soll ein erneutes Wirksamwerden der Strombegrenzung bei geringfügigen Spannungserhöhungen während des Betriebes verhindern.

Eine in Anspruch 4 angegebenen Ausgestaltung sieht die Abschaltung der Source-Gate-Spannung des MOSFET bei Unterschreiten eines vorgegebenen niedrigen Wertes der Versorgungsspannung vor. Damit wird der Anfangszustand der Begrenzungsschaltung wieder hergestellt, auch wenn die Versorgungsspannung nicht ganz auf Null zurückgeht.

Die Ansprüche 5 und 6, schließlich, betreffen eine gesonderte Strombegrenzung bei Auftreten von Spannungssprüngen während des Betriebes mittels eines zweiten, durch einen zweiten MOSFET überbrückbaren Begrenzungswiderstandes.

Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung soll nun anhand einer Fig. eingehend beschrieben und seine Funktion erklärt werden.

Die Figur zeigt eine Eingangskapazität C _E , die z.B. der Glättungskondensator einer Baugruppe sein kann, die beim Anschluß an eine nicht dargestellte, eine Versorgungsspannung U _S liefernde Spannungsquelle, aus dieser mit hohem Ladestrom aufgeladen wird. Wenn die Versorgungsspannungsquelle nur einen begrenzten Strom liefern kann, führt der hohe Ladestrom zu einer vorübergehenden Absenkung der Versorgungsspannung U _S und damit zu Störungen in anderen, aus derselben Spannungsquelle parallel versorgten Baugruppen. Außerdem führt der hohe Ladestrom, sofern zum Anschluß an die Versorgungsspannungsquelle Kontakte benützt werden, zu deren raschem Verschleiß. Bei Relaiskontakten kann auch Verschweißen auftreten.

Um den Ladestrom zu begrenzen, ist im linken Teil der Schaltungsanordnung in einer der Zuleitungen zur Kapazität C _E ein Strombegrenzungswiderstand R 11 angeordnet, der durch die Source-Drain-Strecke eines MOS-Feldeffekttransistors (MOSFET) (V 12) überbrückt wird. Die Source-Gate-Spannung zur Durchschaltung des MOSFET wird aus der Versorgungsspannung abgeleitet und an einer von der Versorgungsspannung gespeisten Reihenschaltung aus der Schaltstrecke eines pnp-Transistors V 4, einem Widerstand R 5, einer Z-Diode V 6 und einem Widerstand R 7, dem die Basis-Emitter-Strecke eines npn-Transistors V 8 parallelgeschaltet ist, abgegriffen. Soll der Widerstand R 11 als Strombegrenzungswiderstand wirksam werden, so muß die Source-Gate-Spannung des MOSFET auf einen niedrigen Wert gebracht werden. Dies geschieht durch einen npn-Transistor V 10 dessen Schaltstrecke die Source-Gate-Strecke des MOSFET kurzschließt, sobald der am Strombegrenzungswiderstand R 11 auftretende, an seiner Basis-Emitter-Strecke anliegende Spannungsabfall zu seiner Durchsteuerung ausreicht. Der Basisanschluß des Transistors V 10 ist zu diesem Zweck über einen Widerstand R 13 mit der geräteseitigen Klemme des Strombegrenzungswiderstandes R 11 verbunden.

Wird die Versorgungsspannung U _S an die Klemmen U+ und U- der in der Fig. dargestellten Schaltung angeschlossen, so fließt zunächst der Ladestrom für den Kondensator C _E über den Widerstand R 11. Er erzeugt dort einen Spannungsabfall, der die Durchschaltung des Transistors V 10 bewirkt, welcher wiederum ein Durchschalten des MOSFET V 12 verhindert, da er dessen Source-Gate-Spannung kurzschließt. Mit zunehmender Aufladung des Kondensators C _E nimmt der Strom über den Widerstand R 11 und damit der Spannungsabfall an diesem Widerstand ab, bis die zur Durchsteuerung des Transistors V 10 erforderliche Basis-Emitter-Spannung nicht mehr erreicht und der Kurzschluß der Source-Gate-Strecke des MOSFET V 12 damit aufgehoben wird. Der MOSFET V 12 schaltet mit Anstieg seiner Source-Gate-Spannung durch und stellt eine niederohmige Verbindung parallel zum Strombegrenzungswiderstand R 11 her.

Liegt parallel zum Kondensator C _E eine Last, die ständig Strom aus der Versorgungsspannungsquelle zieht, so kann es vorkommen, daß der Spannungsabfall am Strombegrenzungswiderstand R 11 nicht so weit absinkt, daß der Transistor V 10 gesperrt wird und der MOSFET V 12 durchschalten kann. Für diesen Fall befindet sich in der Emitter-Leitung des Transistors V 10 die Leuchtdiodenstrecke eines Opto-Kopplers U 9, dessen Schaltstrecke zur Steuerung nicht dargestellter Schaltmittel verwendet werden kann, die parallel zur Kapazität C _E liegende Lasten in Phasen, in denen der Strombegrenzungswiderstand R 11 wirksam sein soll, abschalten.

Der npn-Transistor V 8, dessen Basis-Emitter-Strecke dem Widerstand R 7 parallelliegt, hat die Aufgabe, die Basis-Emitter-Spannung des Transistors V 10 kurzzuschließen, sobald dessen Schaltstrecke hochohmig geworden ist und mit der Source-Gate-Spannung des MOSFET auch die Spannung am Widerstand R 7 angestiegen ist. Der MOSFET V 12 ist damit gegen unbeabsichtigtes Abschalten durch den Transistor V 10 z.B. infolge eines kurzzeitigen Stromimpulses gesichert.

Der in der Reihenschaltung zur Einstellung der Source-Gate-Spannung des MOSFET V 12 befindliche pnp-Transistors V 4 dient der Abschaltung der Strombegrenzung bei Abnahme der Versorgungsspannung U _S unter einen vorgegebenen Wert. Seine Basis ist hierzu mit dem Mittelabgriff eines Spannungsteilers aus den Widerständen R 1 und R 2 verbunden, der in Reihe mit einer eine Spannungsschwelle bildenden Z-Diode V 3 an der Versorgungsspannung liegt.

Im rechten Teil der in der Fig. dargestellten Schaltung ist ein weiterer Strombegrenzungswiderstand R 20 dargestellt, der durch die Source-Drain-Strecke eines weiteren MOSFET V 21 überbrückt wird. Die Source-Gate-Spannung des MOSFET V 21 wird aus der Source-Gate-Spannung des MOSFET V 12 über einen aus den Widerständen R 14 und R 16 bestehenden Spannungsteiler gewonnen. Auch diese Source-Gate-Spannung wird von der Schaltstrecke eines npn-Transistors V 15 kurzgeschlossen, wenn der Spannungsabfall am Strombegrenzungswiderstand R 20 einen Wert erreicht, der größer ist, als die Summe der zur Durchschaltung erforderlichen Basis-Emitter-Spannung des Transistors V 15 und einer Spannungsschwelle, die durch eine Z-Diode V 19 in der Basiszuleitung des Transistors V 15 erzeugt wird. Widerstände R 22 und R 17 dienen der Strombegrenzung bzw. der Entladung eines der Z-Diode V 19 parallelgeschalteten Kondensators C 18.

Der Strombegrenzungswiderstand R 20 und seine Beschaltung haben die Aufgabe, Stromstöße, die durch Spannungsänderungen während des Betriebes hervorgerufen werden, zu begrenzen.

Tritt während des Betriebes, bei durchgeschaltetem MOSFET V 21, eine sprunghafte Erhöhung der Eingangsspannung auf, bewirkt dies einen steilen Anstieg des über die Source-Drain-Strecke des MOSFET fließenden Stromes und wegen des Innenwiderstandes des MOSFET einen Anstieg des Spannungsabfalles an dieser Strecke. Infolge der kapazitiven Überbrückung der Z-Diode V 19 durch den Kondensator C 18 wird dieser Spannungsanstieg unter Umgehung der Schaltschwelle der Z-Diode, direkt an die Basis des Transistors V 15 weitergegeben. Der Transistor V 15 schaltet durch und sperrt damit den MOSFET V 21. Der bisher über den MOSFET geflossene Strom fließt nun über den Strombegrenzungswiderstand R 20 und zwar so lange, bis der an diesem Widerstand auftretende Spannungsabfall mit Abklingen des Stromstoßes so gering wird, daß er zur Durchschaltung des Transistors V 15 über die Z-Diode V 19 nicht mehr ausreicht und die Wiedereinschaltung des MOSFET V 21 erfolgt.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Einschaltstromes von Baugruppen mit eingangsseitigen Kapazitäten, bei der in die Versorgungsspannungszuleitung ein Strombegrenzungswiderstand geschaltet ist, der von einem von einer Steuerschaltung betätigten Schaltglied überbrückt wird, wenn der an ihm auftretende Spannungsabfall einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als überbrückendes Schaltglied ein MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) (V 12) verwendet wird, dessen Source-Drain-Strecke dem Strombegrenzungswiderstand (R 11) parallelliegt und daß die Steuerschaltung einen ersten Transistor (V 10) enthält, dessen Schaltstrecke eine durch Teilung aus der Versorgungsspannung (U _S ) gewonnene, den MOSFET durchschaltende Source-Gate-Spannung kurzschließt, solange eine an seiner Basis-Emitter-Strecke anliegende, vom Spannungsabfall am Strombegrenzungswiderstand abhängige Spannung zu seiner Durchsteuerung ausreicht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Schaltstrecke des ersten Transistors (V 10) die Leuchtdiodenstrecke eines Opto-Kopplers (U 9) angeordnet ist, über dessen Schaltstrecke die vorübergehende Abschaltung von Dauerlasten bewirkt wird, die den aufzuladenden eingangsseitigen Kapazitäten (C _E ) parallelliegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Transistor (V 8) vorgesehen ist, an dessen Steuerstrecke eine Spannung anliegt, die um einen vorgegebenen Betrag niedriger ist als die Source-Gate-Spannung des ersten MOSFET (V 12) und dessen Schaltstrecke die Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (V 10) kurzschließt, sobald die Source-Gate-Spannung des ersten MOSFET die zur Durchsteuerung des zweiten Transistors (V 8) an dessen Basis-Emitter-Strecke erforderliche Spannung um mehr als den vorgegebenen Betrag übersteigt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (V 4) vorgesehen ist, über dessen Schaltstrecke die Source-Gate-Spannung des ersten MOSFET abgeschaltet wird, wenn die Versorgungsspannung unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Strombegrenzungswiderstand (R 20) in die Versorgungsspannungszuleitung geschaltet ist, der von der Source-Drain-Strecke eines zweiten MOSFET (V 21) überbrückt wird und daß ein vierter Transistor (V 15) vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke eine aus der Versorgungsspannung gewonnene, den zweiten MOSFET durchschaltende Source-Gate-Spannung kurzschließt, sobald eine am zweiten Strombegrenzungswiderstand abfallende, über eine Z-Diode (V 19) an seine Basis-Emitter-Strecke angelegte Spannung einen durch die Z-Diode vorgegebenen Wert übersteigt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den zweiten MOSFET (V 21) durchschaltende Source-Gate-Spannung über einen Spannungsteiler (R 14, R 16) aus der den ersten MOSFET (V 12) durchschaltenden Source-Gate-Spannung gewonnen wird.