DE4039990A1 - Ueberlast- und kurzschlussschutzanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung für einen elektronischen Schalter, insbesondere Wechselstromschalter wie Feldeffekttransistor, welcher über eine Gleichrichterbrücke an die Last angeschlossen ist und in dessen Arbeitsstromkreis ein Meßwiderstand liegt, an dem bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromhöchstbetrages ein meßbarer Spannungsabfall entsteht, der als Steuerbefehl an die Steuerelektrode des elektronischen Schalters geführt ist, um eine Unterbrechung des Arbeitsstromkreises durch den elektronischen Schalter einzuleiten.

Bei elektronischen Wechselspannungsgeräten wie Schalt- oder Steuergeräten, beispielsweise Helligkeitssteuergeräten oder Näherungsschaltern mit einem nicht selbstsperrenden elektronischen Lastschalter wie Thyristor oder Triac, ist zur Verwirklichung einer wirksamen Überlast- und Kurzschlußschutzsicherung eine Stromüberwachung und eine Strombegrenzung im Kurzschlußfall notwendig, weil nach der Abschaltung der Zündspannung durch die Stromüberwachungseinrichtung innerhalb der anstehenden Periode der Wechselspannung noch der volle Kurzschlußstrom durch den elektronischen Schalter fließt, bevor im Nulldurchgang der Wechselspannung eine Abschaltung des elektronischen Schalters erfolgt. Mit einer Strombegrenzungseinrichtung kann dieser Kurzschlußstrom auf einen für den elektronischen Schalter ungefährlichen Wert herabgesetzt werden.

Für elektronische Schalter, z. B. Transistoren, die zu jedem beliebigen Zeitpunkt innerhalb der anstehenden Periode der Wechselspannung den Lastkreis abschalten können, ist eine Strombegrenzungseinrichtung der beschriebenen Art entbehrlich. Allen genannten elektronischen Schaltern gemeinsam ist ein Meßwiderstand im Lastkreis zur Stromüberwachung.

Durch die DE-AS 21 49 063 ist ein Schaltgerät bekannt geworden, dessen Schaltanordnung zum Überlast- und Kurzschlußschutz aus einer Reihenschaltung des elektronischen Schalters mit einem Schutzwiderstand und einer Gleichrichterbrücke besteht. Dabei ist parallel zum Schutzwiderstand ein sich im Kurzschlußfall über einen Gleichrichter auf den Spannungsspitzenwert aufladender Kondensator geschaltet, der derart über einen Entladewiderstand auf die Steuerstrecke eines Verstärkers einwirkt, daß dessen Ausgang während eines Teils der Dauer der Kondensatorentladung das den elektronischen Schalter leitend steuernde Signal so beeinflußt, daß der elektronische Schalter nach Beendigung der anstehenden Stromhalbwelle den Stromfluß unterbricht.

Nach einer gewissen Zeit, die der Ladezeitkonstante des Kondensators und des Ladewiderstandes entspricht, öffnet der elektronische Schalter wieder, wobei der auf den Spitzenwert der am Schutzwiderstand anstehenden Kurzschlußspannung aufgeladene Kondensator sich jedoch durch eine zwischengeschaltete Diode nur über den hochohmigen Entladewiderstand entladen kann, der mit der Steuerelektrode des elektronischen Schalters verbunden ist. Erst wenn sich nach einiger Zeit (t = R·C) der Kondensator soweit entladen hat, daß der Verstärker nicht mehr angesteuert werden kann, sperrt dieser wieder und der elektronische Schalter erhält erneut Steuerspannung.

Der in Reihe mit der Last liegende Schutzwiderstand soll in seinem Wert einerseits klein genug sein, um im normalen Betriebsfall, also bei Nennstrom, nicht zu "stören", andererseits jedoch im Fall eines Kurzschlusses den Kurzschlußstrom auf einen Wert begrenzen, den der elektronische Schalter ohne Gefahr der Beschädigung während der Dauer einer Halbwelle schalten kann.

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung ist relativ einfach im Aufbau, jedoch hinsichtlich des im Laststromkreis liegenden Schutzwiderstandes noch verbesserungsfähig.

Bei der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung dient der Schutzwiderstand gleichzeitig zur Stromüberwachung und zur Strombegrenzung. Bedingt durch diese Vereinigung der Funktionen mit einem Widerstand muß der Schutzwiderstand relativ hochohmig sein und ein großes Bauvolumen haben, um im Fall eines Kurzschlusses die Verlustleistung aufnehmen zu können. Das bedeutet jedoch für die Funktion der Stromüberwachung mit dem aufgrund der Strombegrenzung hochohmigen Widerstand im Lastkreis einen relativ großen Spannungsabfall am Schutzwiderstand bei Normalbetrieb (Nennstrom).

Hat beispielsweise der Schutzwiderstand den für ein Schaltgerät der eingangs beschriebenen Art gängigen Wert von 30 Ω, dann ist der Spannungsabfall bei einem Nennstrom von 500 mA eines gängigen Schützes gleich 15 Volt. Die untere Ansprechspannung des vorstehenden Schützes für 220 V^∼ liegt z. B. bei 160 Volt^∼. Unter Berücksichtigung der zulassigen Netzspannungsschwankung von 15% gleich 187 Volt^∼ stehen bei Abzug von 15 Volt Spannungsabfall am Schutzwiderstand und zusätzlich z. B. ca. 6 Volt Betriebsspannung für das Schaltgerät für die Last (Schütz) noch 166 Volt zur Verfügung. Dieser Wert liegt bereits an der unteren Grenze des Ansprechbereiches eines gängigen Schützes.

Unter Zugrundelegung der vorstehend aufgezählten Spannungsverluste versagt jedoch bei einer Spannungsquelle von 24 Volt^∼ jedes gängige Schütz für 24 V^∼. Der feste Schutzwiderstand im Lastkreis hat neben dem großen Bauvolumen den Nachteil, daß bereits bei Nennstrom ein relativ hoher Restspannungsanteil am Schaltgerät ansteht, der sich, wie vorstehend erläutert, um so ungünstiger auswirkt, je niederiger die Spannung der Wechselspannungsquelle ist. Die vorstehend beschriebene Kurzschlußsicherung ist deshalb nur für Schaltgeräte verwendbar, die einen kleinen Spannungsbereich haben.

Um diesen Nachteil der Schaltungsanordnung zu vermeiden, ist in der DE-PS 25 45 919 vorgeschlagen worden, den relativ hochohmigen Schutzwiderstand von der Funktion der Strombegrenzung zu trennen und somit hinreichend niederohmig zu bemessen, damit er bei Normalbetrieb keine wesentliche Belastung für den Lastkreis darstellt. In einer derartigen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, daß die Strombegrenzungsschaltung von der Stromüberwachungsschaltung getrennt ausgeführt ist und mit dieser und dem elektronischen Schalter in Reihe geschaltet ist, wobei die Stromüberwachungsschaltung einen niederohmigen Festwiderstand und einen Verstärker enthält, und daß die Strombegrenzungsschaltung einen stromabhängigen Widerstand enthält, der aus einem mit der Kollektor-Emitter-Strecke im Lastkreis liegenden Transistor und in Reihe mit dem Emitter- Vorwiderstand dazu parallel liegenden Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Diodenstrecke besteht, an deren Verknüpfungspunkt die Basis des Transistors angeschlossen ist.

Durch diese Schaltungsanordnung ist bei einem Nennstrom von Null bis Maximal der Widerstand sehr niederohmig, also für den Kreis nicht "störend" und steigt bei Überschreitung des Grenzwertes auf einen bestimmten Wert an, der bei einem Kurzschluß des Lastwiderstandes bei der gegebenen Betriebsspannung nur einen kleinen Kurzschlußstrom zuläßt. Dabei steuert der Basisstrom über den Basisvorwiderstand den Transistor auf, so daß an der Schaltung nur eine kleine Restspannung abfällt und der Nennstrom im wesentlichen bestimmt durch den Lastwiderstand und der Spannung der Spannungsquelle fließen kann. Diese Restspannung wird gebildet durch den Spannungsabfall am Basisvorwiderstand des Transistors, der Flußspannung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors und dem Spannungsabfall des im Lastkreis liegenden Emitter-Vorwiderstandes.

Überschreitet der Nennstrom einen gewissen Grenzwert, ist der Spannungsabfall am Emitter-Vorwiderstand und damit an der Basis des Transistors so groß, daß die Diodenstrecke leitend wird und bei weiterer Stromerhöhung fast keine weitere Basisstromerhöhung zuläßt, also die Spannung an der Basis etwa konstant bleibt. Von nun an fließt durch den Transistor etwa ein konstanter Stromanteil, wobei der Differenzwert des Stromes allein durch die Reihenschaltung von Basisvorwiderstand und Diode geführt wird, so daß nun im Lastkreis eine höhere ohmsche Komponente, nämlich der Wert des Basisvorwiderstandes, in Erscheinung tritt und schließlich bei Lastkurzschluß eine Strombegrenzung bewirkt.

Durch die DE-OS 37 43 453 ist schließlich eine Schaltungsanordnung zum Kurzschlußschutz eines Halbleiterverstärkerelementes bekannt geworden, in dessen Arbeitsstromkreis außer dem Lastwiderstand ein Meßwiderstand angeordnet ist, der mit der Steuerelektrode des Verstärkerelementes derart verbunden ist, daß das Verstärkerelement bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximalstromes gesperrt wird.

Im einzelnen ist der Meßwiderstand mit dem Eingang eines Schwellwertverstärkers verbunden, an dessen Ausgang bei Überschreiten eines Schwellwertes ein dem Laststrom entsprechendes Steuersignal erzeugt wird und der Ausgang des Schwellwertverstärkers über einen Verstärker mit der Steuerelektrode des Verstärkerelementes verbunden ist. Bei dieser Ausführung ist das Halbleiterverstärkerelement als MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet.

Bei dieser Schaltungsanordnung ist eine spezielle Strombegrenzung vorhanden. Die am Meßwiderstand abfallende Spannung ist ein Maß für die Belastung des Halbleiterverstärkerelementes. Die Spannung wird einem Differenzverstärker zugeführt. Überschreitet die dem Laststrom entsprechende Spannung einen vorgegebenen Schwellwert, so erzeugt der Verstärker ein Regelsignal, das über ein Übertragungsglied der Steuerlektrode des zu überwachenden Halbleiterverstärkerelementes derart zugeführt wird, daß der Laststrom selbst bei Kurzschluß im Laststromkreis auf einen maximal zulässigen Strom begrenzt wird.

Bei allen beschriebenen Schaltungen ist ein mehr oder weniger niederohmiger Meßwiderstand im Lastkreis vorhanden, an dem eine Spannung abfällt, die ein Maß für die Belastung des elektronischen Schalters darstellt. Trotz der dargelegten schrittweisen Verbesserungen stellt der Meßwiderstand in Reihe mit der Last einen elektrischen Verbraucher dar, der einen zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand erfordert und der sich sowohl für die Funktion der Schaltungsanordnung (Wärmequelle) als auch für die Funktion der zu schaltenden Last als nachteilig herausstellt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die eingangs beschriebene Kurzschlußschutzanordnung für einen Leistungs- Feldeffekttransistor dahingehend zu verbessern, daß auf einen separaten Meßwiderstand verzichtet wird.

Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, daß bei Feldeffekttransistoren zwischen den Anschlüssen Gate, Source und Drain komplexe Leitwerte und Bahnwiderstände auftreten. In der Drain-Source-Strecke befindet sich im eingeschalteten Zustand der Drain-Source-Widerstand R_DS(ON), der sich im wesentlichen aus der Summe des n⁻-Epitaxieschicht- Widerstandes und dem Kanalwiderstand zusammensetzt.

Dieser Einschaltwiderstand ist typenabhängig und liegt zwischen 0,1 Ω und 10 Ω. An diesem Einschaltwiderstand fällt eine dem Durchlaßstrom proportionale Spannung ab.

Die Erfindung geht also von der Erkenntnis aus, daß der Einschaltwiderstand eines Feldeffekttransistors das gleiche Verhalten zeigt wie ein separater, im Lastkreis liegender Meßwiderstand. Daraus ist dann erfindungsgemäß abgeleitet worden, daß auf einen separaten Meßwiderstand verzichtet werden kann, wenn an dem Einschaltwiderstand des Leistungstransistors, vorzugsweise MOS-Feldeffekttransistor, der Spannungsabfall des Einschaltwiderstandes gemessen und mit einem Sollwert verglichen wird, wobei die Überschreitung des Sollwertes ein Indiz für einen unzulässigen Betriebszustand des Transistors darstellt, in der Regel einen Überlaststrom oder einen Kurzschlußstrom anzeigt. Da der Einschaltwiderstand eines MOS-Feldeffekttransistors auch eine lineare Abhängigkeit von der Chip-Temperatur besitzt, kann diese Anordnung auch zur Temperaturüberwachung benutzt werden. Der den Sollwert übersteigende Istwert der gemessenen Spannung kann dazu benutzt werden, die Steuerspannung des elektronischen Schalters zu unterbrechen, beispielsweise kurzzuschließen oder gegen Masse abzuleiten.

Hat beispielsweise der Einschaltwiderstand eines MOS- Feldeffekttransistors den gängigen Wert von 1 Ω, dann ist der Spannungsabfall bei einem max. Nennstrom von 1,2 A gleich 1,2 Volt. Diese Spannung gibt die Höhe der Referenzspannung des Komparators vor, die mit der tatsächlich gemessenen Spannung verglichen wird.

In bezug auf den Spannungskomparator kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung das Gate des Feldeffekttransistors an die Kollektoren eines Darlington-Transistors angeschlossen sein. Als Referenzspannung dient der Spannungsabfall der beiden Basis- Emitter-Strecken. Die Basis des Darlington-Transistors ist am Abgriff eines zwischen dem Plus-Pol und dem Minus-Pol der Betriebsspannung liegenden Spannungsteilers angeschlossen. Die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers wird mit der Referenzspannung verglichen. Übersteigt die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers die Referenzspannung, fließt im Kollektor-Kreis des Darlington-Transistors ein Strom, der über einen Widerstand einen Spannungsabfall bewirkt, der die Steuerspannung am Gate des Feldeffekttransistors kurzschließt. Das Fehlen der Steuerspannung bewirkt ein Abschalten des Feldeffekttransistors. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung, und dieser Zustand wird solange aufrecht erhalten, bis die Ursache der Überlastung bzw. des Kurzschlusses beseitigt ist.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Spannungskomparator als Operationsverstärker ausgebildet sein. Dadurch wird die Schaltungsanordnung variabel und läßt sich auf einfache Weise den erforderlichen Betriebsbedingungen anpassen.

Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der Überlast­ und Kurzschlußschutzanordnung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung des Spannungskomparators.

Die Fig. 1 der Zeichnung stellt eine Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung für einen elektronischen Wechselstromschalter dar, die Teil eines elektronischen Schalt- oder Steuergerätes, beispielsweise eines nach dem Phasenanschnitt- oder Phasenabschnitt-Prinzip arbeitenden Helligkeitssteuergerätes ist.

Ein derartiges elektronisches Gerät ist über insgesamt nur zwei Anschlußleitungen 1, 2 einerseits an eine Spannungsquelle direkt und andererseits über die Last angeschlossen. Als Last dient in diesem Fall eine Glüh- oder Leuchtstofflampe 4.

Die Spannungsquelle ist die Netzspannung 230 Volt oder ein Teil der Netzspannung. Zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Schalt- oder Steuergerät liegt eine Gleichrichterbrücke 5.

Ein derartiges elektronisches Schalt- oder Steuergerät besteht aus dem elektronischen Schalter T1, im Ausführungsbeispiel einem MOS-Feldeffekttransistor, der Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung 6 und einer Ablaufsteuerung 7, die im eingeschalteten Zustand des Feldeffekttransistors T1 die Steuerspannung für das Gate des Feldeffekttransistors zur Verfügung stellt.

Um die in der Ablaufsteuerung 7 zusammengefaßten Baugruppen des Schalt- oder Steuergerätes mit Energie zu versorgen, kann der Feldeffekttransistor T1 mit einem Phasenwinkel größer Null betrieben werden. Dadurch steht auch bei leitendem Feldeffekttransistor T1 eine ausreichende Betriebsspannung für das Schalt- oder Steuergerät zur Verfügung. Es kann aber auch im Brücken-Zweig des Gleichrichters 5 eine Zenerdiode geschaltet sein, deren Zenerspannung als Betriebsspannung benutzt wird.

Die Überlast- und Kurzschlußanordnung 6 für den Feldeffekttransistor T1 enthält einen zwischen dem Plus-Pol und dem Minus-Pol der Betriebsspannung liegenden Spannungsteiler R1, R2 und einen Darlington-Transistor T2, der den Spannungskomparator bildet. Das Gate des Feldeffekttransistor T1 ist an die Kollektoren des Darlington-Transistors T2 und dessen Basis ist an den Abgriff des Spannungsteilers R1, R2 angeschlossen.

Steigt der Laststrom auf einen in weiten Grenzen vorbestimmbaren Höchstwert an, fällt am Einschaltwiderstand des Feldeffekttransistors T1 eine proportionale Spannung ab, die sich aus dem Widerstandswert des Einschaltwiderstandes des Feldeffekttransistors T1 und dem jeweiligen Laststrom ergibt. Ein Teil dieser Spannung liegt ebenfalls an dem Abgriff des Spannungsteilers R1, R2 an.

Der Darlington-Transistor T2 mit seinen beiden Basis- Emitter-Strecken in Reihe bildet den Spannungskomparator. Die beiden Basis-Emitter-Spannungen stellen die Referenz des Komparators dar, die mit der Spannung am Abgriff des Spannungsteilers R1, R2 verglichen wird. Übersteigt die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers R1, R2 die Referenzspannung, fließt im Kollektor-Kreis des Darlington- Transistors T2 ein Strom, der einen Spannungsabfall über R3 bewirkt, der die Steuerspannung der Ablaufsteuerung 7 kurzschließt. Das Fehlen der Steuerspannung bewirkt ein Abschalten des Feldeffekttransistors T1.

Während des Nulldurchgangs der Wechselspannung, und somit im nichtleitenden Zustand des Feldeffekttransistors, stellt die Ablaufsteuerung 7 über die Verbindung 8 zur Basis des Darlington-Transistors T2 sicher, daß der Kollektorstrom des Darlington-Transistors zu Null wird. Damit werden gleiche Startbedingungen für den beschriebenen Vorgang im Nulldurchgang der Wechselspannung hergestellt.

Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt eine Variante des Spannungskomparators mit einem Operationsverstärker OP. Der Operationsverstärker OP ist mit seinem invertierenden Eingang am Abgriff eines Spannungsteilers R4, R5 angeschlossen, dessen beiden anderen Anschlüsse an Drain und Source des Feldeffekttransistors T1 liegen. Der nicht invertierende Eingang ist über den Widerstand R6 mit einer die Schwellwertspannung bestimmenden Spannungsquelle und über den Widerstand R7 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist über den Widerstand R8 mit dem Gate des Feldeffekttransistors T1 verbunden. Der Spannungsteiler R4, R5 kann durch ein Potentiometer ersetzt werden, dessen Schleifer am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP liegt. Dadurch läßt sich die Höhe des Laststromes einstellen. Die Widerstände R6, R7 bewirken ein ausgeprägtes Hystereseverhalten des Komparators.

Claims (6)

1. Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung für einen elektronischen Schalter, insbesondere Wechselstromschalter wie Feldeffekttransistor, welcher über eine Gleichrichterbrücke an die Last angeschlossen ist und in dessen Arbeitsstromkreis ein Meßwiderstand liegt, an dem bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromhöchstbetrages ein meßbarer Spannungsabfall entsteht, der als Steuerbefehl an die Steuerelektrode des elektronischen Schalters geführt ist, um eine Unterbrechung des Arbeitsstromkreises durch den elektronischen Schalter einzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwiderstand der Einschaltwiderstand des elektronischen Schalters (T1) benutzt wird und daß parallel zum elektronischen Schalter ein Spannungskomparator (T2, OP) geschaltet ist, der den Spannungsabfall am Einschaltwiderstand mit einer Referenzspannung vergleicht und bei Überschreiten der Referenzspannung die Steuerspannung des elektronischen Schalters unterbricht.

2. Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung für einen elektronischen Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskomparator (T2) einen Spannungsteiler (R1, R2) enthält, der parallel zur Schaltstrecke des elektronischen Schalters (T1) geschaltet und dessen Abgriff an der Basis eines Komparatortransistors (T2) angeschlossen ist und dessen Kollektor ggf. über einen Widerstand mit der Steuerelektrode des elektronischen Schalters (T1) verbunden ist.

3. Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung für einen elektronischen Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (T1) ein MOS-Feldeffekttransistor ist.

4. Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung für einen elektronischen Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparatortransistor (T2) ein Darlington-Transistor ist, an dessen Reihenschaltung der Basis-Emitter-Strecken die Referenzspannung abfällt.

5. Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung für einen elektronischen Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskomparator ein Operationsverstärker (OP) ist, dessen invertierender Eingang an den Abgriff eines parallel zum elektronischen Schalter (T1) geschalteten Spannungsteilers (R4, R5) angeschlossen ist und dessen nicht invertierender Eingang ggf. über einen Widerstand (R6) mit einer die Schwellwertspannung bestimmenden Spannungsquelle und und ggf. über einen weiteren Widerstand (R7) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist und daß der Ausgang des Operationsverstärkers ggf. über einen Widerstand (R8) an die Steuerelektrode des elektronischen Schalters (T1) angeschlossen ist.

6. Überlast- und Kurzschlußschutzanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (R4, R5) als Potentiometer ausgebildet ist, dessen Schleifer am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist.