DE4117617C2 - Überstromdetektorschaltung - Google Patents
ÜberstromdetektorschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Überstromdetektorschaltung gemäß
dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Detektorschal
tung ist beispielsweise aus der DE 24 59 155 C3 bekannt.
Ferner ist aus der DE 30 34 023 C2 eine Schaltungsanordnung
zum Erzeugen eines Steuersignals bei Überschreiten eines vor
gebbaren Stromwertes bekannt, die eine Serienschaltung aus
einem als Diode geschalteten Transistor und einem Widerstand
aufweist, wobei der Wert des Widerstandes so bemessen ist, daß
der Strom in diesem Widerstand wesentlich kleiner als der für
die Überwachung festgestellte Wert ist. Weiterhin ist aus der
DE 28 26 134 A1 eine Schaltungsanordnung zur Stromüberwachung
eines Verbrauchers bekannt, bei der ein Element, welches einen
Spannungsabfall erzeugt, ein in Durchlaßrichtung geschalteter
Halbleiter ist. Schließlich ist aus der US-A-4,706,160 eine
Schaltung mit einem Überstromschutz bekannt, bei der ein Op
tokoppler mit einem Vorwiderstand zu einem Meßwiderstand pa
rallel geschaltet ist. Keine dieser Schaltungsanordnungen zur
Stromüberwachung nach dem Stand der Technik weist dabei den
erfindungsgemäßen Aufbau des Detektors der Überstromdetek
torschaltung auf.
Aus der JP 61-132 080 A ist eine Überstromdetektorschaltung
bekannt, bei der ein Meßwiderstand im Gleichstrompfad des
Wechselrichters liegt. Der Wechselrichter enthält für jede
Ausgangsphase ein in Serie geschaltetes Paar von Leistungs
transistoren, welche von einer Steuerschaltung gesteuert wer
den. Der Meßwiderstand wirkt mit Optokopplern zusammen, an
deren Ausgängen das Überstromsignal entsteht.
Eine ähnliche herkömmliche Wechselrichter-Einrichtung mit ei
nem Überstromdetektor ist in der schematischen Darstellung von
Fig. 1 gezeigt. In Fig. 1 wird ein Wechselstrom aus einer
Wechselstromquelle 1 von einem Gleichrichter gleichgerich
tet, von einem Glättungskondensator 3 geglättet und einem
Spannungswechselrichter 4 zugeführt. Der Wechselrichter 4 ist aus Lei
stungstransistoren GT1 bis GT6 aufgebaut, die in Drei-Phasen-
Anordnungen verbunden sind. Ein Ausgangs-Wechselstrom des
Wechselrichters wird einem Wechselstrommotor 5 zugeführt. Der Wech
selstrommotor treibt beispielsweise einen Kompressor 5a in
dem Kühlkreis an. Ein Frequenz-Steuersignal (d. h. ein periodisches
Signal mit einer bestimmten Frequenz) für den Wechselrichter 4
wird in eine Steuereinrichtung 6 eingegeben. Die Steuereinrichtung 6
erzeugt entsprechend dem Frequenz-Steuersignal Ein- und Aus
schaltsignale, die über eine Treiberschaltung 7 den Steuer
elektroden der Leistungstransistoren GT1 bis GT6 zugeführt wer
den, welche den eigentlichen Wechselrichter bilden. Freilauf
dioden D1 bis D6 (Fig. 2) sind antiparallel zu den Schalt
strecken der Leistungstransistoren 7 geschaltet. In der Trei
berschaltung ist beispielsweise ein Treiberabschnitt zum An
steuern des Leistungstransistors GT2 aus zwei in Reihe geschal
teten Transistoren und einem in Sperrichtung betriebenen
Schaltkreis aufgebaut. Andere Treiberabschnitte zum Ansteuern
der Leistungstransistoren GT1 und GT3 bis GT6 sind ebenso auf
gebaut wie der Abschnitt für den Leistungstransistor GT2. Die
Verbindungsstelle zwischen den beiden in Reihe geschalteten
Transistoren ist mit der Basis des Leistungstransistors GT2
verbunden. Der in Sperrichtung betriebene Schaltkreis ist an
die negative Seite der in Reihe geschalteten Transistoren und
an den Emitter des Leistungstransistors GT2 angeschlossen und
beteht aus einer Parallelschaltung aus einem Kondensator C11
und einer Dioden-Reihen-Schaltung D11.
Ein Widerstand R1 mit geringem Widerstandswert ist auf der
negativen Seite in einen Gleichstrompfad eingesetzt, um einen
Überstrom des Wechselrichters 4 zu erfassen. Der Widerstand R1
liegt in Parallelschaltung mit einer lichtemittierenden Diode
ED, welche zusammen mit einem Fototransistor PT einen Opto
koppler (photocoupler) 8 bildet. Der Fototransistor PT wird
über einen Widerstand R2 von einer Gleichstromquelle VDD ver
sorgt. Diese Schaltkreiselemente bilden einen Überstromde
tektor.
Wenn ein den Wechselrichter 4 durchfließender Strom einen Schwell
wert überschreitet, wodurch ein Überstrom bestimmt wird, emit
tiert die lichtemittierende Diode ED des Optokopplers 8 Licht,
so daß der Widerstandswert des Fototransistors PT sehr klein
wird. In Folge dessen sinkt das Potential an der Verbindungsstelle
zwischen Fototransistor PT und Widerstand R2 auf einen
"L"-Pegel, so daß ein Überstrom-Detektorsignal Soc an die Steuer
einrichtung 6 gegeben wird, um den Wechselrichter 4 zu schützen. Bei
Empfang des Überstrom-Detektorsignales Soc führt die Steuereinrichtung
eine Schutzoperation aus, wie beispielsweise ein Absenken der
Ausgangsleistung des Wechselrichters oder ein Abschalten aller
Leistungstransistoren GT1 bis GT6.
In dem beschriebenen herkömmlichen Überstromdetektor weist die
lichtemittierende Diode ED des Optokopplers 8 normalerweise eine
sich aus ihrer Kennlinie ergebende Lichtemissions-Grenzspannung
von 1,0 V auf. Unter der Annahme, daß der Grenzwert zum Erfassen
eines Überstromes 14,5 A ist, muß der Widerstand R1 einen Wider
standswert haben, der der folgenden Gleichung genügt.
1,0/14,5 = 0,069 Ω (1)
Die Verlustleistung des Widerstands R1 ergibt sich damit zu
14,52 × 0,069 = 14,5 W (2)
Es ist offensichtlich, daß durch diese Verlustleistung von
14,5 W erhebliche Wärme erzeugt wird. Im Normalbetrieb tritt,
selbst wenn ein so hoher Strom nicht fließt, eine Verlustlei
stung von annähernd 14,5 W auf. Der Wirkungsgrad wird ent
sprechend niedrig, und eine Gegenmaßnahme gegen die Wärmeer
zeugung ist notwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Überstromdetek
torschaltung anzugeben, mit der die Verlustleistung eines in
einem Gleichstrompfad eingesetzten Widerstandes verringert
und dadurch der Wirkungsgrad verbessert wird, und die besondere
Maßnahmen zum Abführen der Verlustwärme überflüssig macht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Überstromdetek
torschaltung mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Ein Vorspannungsschaltkreis erzeugt eine Spannung mit dersel
ben Polarität wie die der Spannung an dem Widerstand im Gleich
strompfad und überlagert der Spannung am Widerstand die er
zeugte Spannung. Entsprechend der resultierenden Spannung wird
ein Überstrom erfaßt. Dafür kann zum Erfassen eines Überstromes
die Spannung am Widerstand gesenkt werden, wodurch mit einem
Widerstand mit geringem Widerstandswert die Verlustleistung
reduziert und übermäßige Wärmeerzeugung verhindert wird.
Die Vorspannungsschaltung besteht aus einer Diode und einer
Gleichstromquelle zum Versorgen der Diode mit einem Strom in
Durchlaßrichtung. Die Durchlaßspannung der Diode wird der
Spannung am Widerstand überlagert.
Eine Vorspannung an der Diode kann mit einer einfachen Schal
tungsanordnung durch Versorgen der Diode mit einem Strom in
Durchlaßrichtung erzeugt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorspannungsschaltung be
steht aus einem spannungserzeugenden Optokoppler zum Erzeugen
einer Spannung an einem lichtempfangenden Element bei Licht
emission eines lichtemittierenden Elementes, einer Stromquelle
zum Versorgen des lichtemittierenden Elementes eines spannungerzeugenden
Optokopplers mit einem Vorwärtsstrom und einer zu dem licht
empfangenden Element des spannungerzeugenden Optokopplers paral
lel geschalteten, in Sperrichtung betriebenen Zenerdiode. Die
Spannung an dem lichtempfangenden Element des spannungerzeugen
den Optokopplers wird durch die Zenerdiode begrenzt. Die be
grenzte Spannung wird der Spannung am Widerstand überlagert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorspannungsschaltung be
steht aus einem Impulstransformator, auf welchen ein Taktpuls
gegeben wird, einem Gleichrichter zum Gleichrichten der Aus
gangsspannung dieses Impulstransformators, einem Kondensator,
der von der Gleichrichterspannung aufgeladen wird, und einer
Zenerdiode, welche antiparallel mit dem Kondensator verbunden
ist. Die durch die Zenerdiode begrenzte Ladespannung des Kon
densators wird der Gleichspannung am Widerstand überlagert.
Die beiden letztgenannten Vorspannungsschaltungen liefern eine
Vorspannung unter Verwendung einer vom Hauptstromkreis elektrisch
getrennten Stromquelle.
Die im folgenden beschriebenen Figuren zeigen:
Fig. 1 einen Schaltplan einer herkömmlichen Überstrom
detektorschaltung mit einem Wechselrichter;
Fig. 2 einen detaillierten Schaltplan eines Teiles der
Überstromdetektorschaltung aus Fig. 1;
Fig. 3 einen Schaltplan einer Überstromdetektorschal
tung gemäß einer Ausführung der Erfindung;
Fig. 4 einen Schaltplan einer Überstromdetektorschal
tung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;
Fig. 5 einen Schaltplan einer Überstromdetektorschal
tung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 3 ist ein Fig. 2 ähnlicher Schaltplan einer Überstromdetek
torschaltung gemäß einer Ausführung der Erfindung. In Fig. 3
werden die den in Fig. 2 gezeigten entsprechenden Bauteilen
durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Unterschiede
des in Fig. 3 gezeigten Detektors zu dem in Fig. 2 gezeigten
Detektor sind folgende: Ein Serienschaltkreis aus einem Wider
stand R11 und einer Diode D12 ist zwischen einer Gleichstrom
quelle VDD einer Treiberschaltung 7 und einer negativen Ver
sorgungsleitung, die die Emitter der einen Wechselrichter 4 bilden
den Leistungstransistoren GT2, GT4 und GT6 verbindet, ange
schlossen. Die Anode einer lichtemittierenden Diode ED eines
Optokopplers 8 liegt an der Verbindungsstelle zwischen dem
Widerstand R11 und der Diode D12.
Der Widerstand R11, die Diode D12 und die Dioden-Reihenschal
tung D11 sind mit Bezug auf die Gleichstromquelle VDD in Reihe
geschaltet. Der Wert des Widerstandes R11 ist so gewählt, daß
sich die Spannung an der Dioden-Reihenschaltung D11 selbst dann
nicht ändert, wenn der Widerstand R11 und die Diode D12 hinzu
gefügt werden. Entsprechend liegt an der Diode D12 immer eine
konstante Spannung, z. B. 0,6 V an.
Eine Spannung an einem Punkt A, an dem die Kathode der lichtemittierenden
Diode ED des Optokopplers 8 angeschlossen ist,
daß heißt eine Spannung am Widerstand R1 auf der Versorgungs
seite wird mit VA bezeichnet. Eine Spannung am Punkt B, an
dem die Anode der lichtemittierenden Diode ED des Optokopplers
8 angeschlossen ist, d. h. eine Spannung an dem Verbindungs
punkt zwischen dem Widerstand R11 und der Diode D12 wird mit
VB bezeichnet. Eine Spannung am Punkt C, d. h. eine Spannung
an dem Widerstand R1 auf der Seite des Wechselrichters 4 wird
mit VC bezeichnet. Die Spannung VB am Punkt B ist um den Wert
der Durchlaßspannung 0,6 V an der Diode D12 größer als die
Spannung VC am Punkt C. Mit der Annahme, daß die Lichtemissions-
Spannung der lichtemittierenden Diode ED des Optokopplers 8
gleich 1,0 V ist, ergibt sich der Widerstandswert des Wider
standes R1, der für das Erfassen eines Überstrom-Grenzwertes
14,5 A im Hauptstromkreis notwendig ist, zu
(1,0 - 0,6)/14,5 = 0,028 Ω (3)
daraus folgt die Verlustleistung des Widerstands R1:
14,52 × 0,028 = 5,9 W (4).
Die Verlustleistung kann um mehr als die Hälfte der Verlust
leistung einer herkömmlichen Überstromdetektorschaltung, nämlich
14,5 W nach Gleichung (2), verringert werden.
Dadurch kann der Wirkungsgrad des Wechselrichters verbessert und
übermäßige Wärmeerzeugung vermieden werden.
Mit der geringen Wärmeerzeugung können beide bisher unterschied
lich gesetzten Schwellwerte für 15-A-Leistungstransistoren und
20-A-Leistungstransistoren auf den selben Wert von 14,5 A ge
setzt werden. Entsprechend können in beiden Fällen die selben
Service Boards benutzt werden.
Fig. 4 zeigt den Schaltplan einer zweiten Ausführung der Über
stromdetektorschaltung. Eine spannungserzeugende lichtempfangen
de Diode RD eines spannungserzeugenden Optokoppler 9 ist mit
einer lichtemittierenden Diode ED eines Optokopplers 8 in Reihe
geschaltet. Die lichtempfangende Diode RD ist über einen Wider
stand R22 mit einer Parallelschaltung aus einem Kondensator C21
und einer Zenerdiode ZD verbunden. Eine lichtemittierende Diode
ED9 des spannungerzeugenden Optokopplers 9 ist über einen Wider
stand R21 mit einer Gleichstromquelle VDD verbunden.
Wenn die lichtemittierende Diode ED9 des Optokopplers 9 von der
Gleichstromquell VDD mit Strom versorgt wird, emittiert die
lichtemittierende Diode ED9 Licht und erzeugt dabei eine der
Lichtintensität entsprechende Spannung an der lichtempfangen
den Diode RD. Die Zenerdiode ZD begrenzt, und der Kondensator
C21 stabilisiert diese Spannung.
Ein Potential am Punkt A des Widerstandes R1 auf Versorgungs
seite ist mit VA bezeichnet, VB bezeichnet ein Potential am
Punkt B, an dem die Kathode der lichtemittierenden Diode ED
des Optokopplers 8 liegt, und ein Potential am Punkt C des
Widerstandes R1 auf der dem Wechselrichter 4 zugewandten Seite wird
mit VC bezeichnet.
Wenn die lichtemittierende Diode ED9 des Optokopplers 9 mit einem
vorher bestimmten Strom versorgt wird, wird eine Spannung mit
einem höheren Potential an Punkt A als an Punkt B erzeugt. Die
Spannung VAB am Punkt A gegenüber dem Punkt B ergibt sich also
zu:
VAB = VA - VB < 0 (5)
daraus ergibt sich eine Spannung VCB an der lichtemittierenden
Diode ED des Optokopplers 8 zu
VCB = VAB + VCA (6).
Die Spannung an der lichtemittierenden Diode ED des Optokopplers
8 wird also durch Überlagern der Spannung an dem Widerstand R1
und der Spannung am Optokoppler 9 erhalten. Mit der Annahme, daß
die Ausgangsspannung des Optokopplers 9 gleich 0,5 V ist, ergibt
sich der Widerstandswert des Widerstandes R1 zum Erfassen
eines Hauptschaltkreis-Stromes von 14,5 A zu:
0,5/14,5 = 0,0345 Ω (7)
die Verlustleistung an dem Widerstand R1 ist dann
14,52 × 0,0345 = 7,25 W (8).
Die Verlustleistung und Wärmeerzeugung an dem Widerstand R1
kann daher um ungefähr die Hälfte derer einer herkömmlichen
Überstromdetektorschaltung verringert werden.
In dieser Ausführung kann die Stromquelle für die lichtemittieren
de Diode ED9 des Optokopplers 9 elektrisch von dem Hauptschalt
kreis isoliert werden, weil zum Erzeugen einer Vorspannung von
Optokoppler 8 der spannungserzeugende Optokoppler 9 eingesetzt
wird.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführung, die eine Modifikation
der in Fig. 4 gezeigten Ausführung ist. In dieser Ausführung
wird eine Vorspannung anstatt mit dem in Fig. 4 gezeigten Op
tokoppler mit Hilfe von Taktpulsen CP erzeugt, welche von
einer nicht gezeigten Zentraleinheit (Central Processing Unit
CPU) eines Mikrocomputers, der für die Überwachung verschiedener
Einrichtungen eingesetzt wird, erzeugt werden. Der Taktpuls CP
wird über einen Widerstand 10 auf die Primärwicklung eines Im
pulstransformators 11 gegeben. Eine in der Sekundärwicklung
des Impulstransformators 11 induzierte Spannung lädt über einen
Gleichrichter 12 und einen Widerstand 13 einen Kondensator C21
auf. Der restliche Teil des Schaltkreises entspricht der in
Fig. 4 gezeigten Ausführung.
In den beschriebenen Ausführungen wurde die Erfassung eines Über
stromes einer Wechselrichterschaltung in einer Klimaanlage näher er
läutert. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf dieses Anwen
dungsbeispiel, sondern ist generell in Einrichtungen zum Erfassen
eines Überstromes in einem Gleichstrompfad anwendbar.
Claims (4)
1. Überstromdetektorschaltung zum Erfassen eines Überstroms
in einem Gleichstrompfad, mit
einem Widerstand (R1) mit einem geringen Widerstandswert, der in den Gleichstrompfad eingesetzt ist, so daß an ihm eine stromabhängige Meßspannung abfällt,
einer Vorspannungschaltung (D12, ZD) zum Erzeugen einer weitgehend konstanten Gleichspannung und
einem Detektor (8) zum Erzeugen eines Überstromsignals, wenn die Summe aus der Meßspannung und der konstanten Gleich spannung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Detektor einen Optokoppler (8) aufweist, welcher aus einem lichtemittierenden Element (ED) und einem licht empfangenden Element (PT) besteht,
die Summe aus der Meßspannung und der konstanten Gleich spannung an das lichtemittierende Element (ED) angelegt wird und
das Überstromsignal von dem lichtempfangenden Element (PT) abgegeben wird.
einem Widerstand (R1) mit einem geringen Widerstandswert, der in den Gleichstrompfad eingesetzt ist, so daß an ihm eine stromabhängige Meßspannung abfällt,
einer Vorspannungschaltung (D12, ZD) zum Erzeugen einer weitgehend konstanten Gleichspannung und
einem Detektor (8) zum Erzeugen eines Überstromsignals, wenn die Summe aus der Meßspannung und der konstanten Gleich spannung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Detektor einen Optokoppler (8) aufweist, welcher aus einem lichtemittierenden Element (ED) und einem licht empfangenden Element (PT) besteht,
die Summe aus der Meßspannung und der konstanten Gleich spannung an das lichtemittierende Element (ED) angelegt wird und
das Überstromsignal von dem lichtempfangenden Element (PT) abgegeben wird.
2. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung eine Diode (D12)
aufweist, durch die in Durchlaßrichtung ein Strom aus einer
Gleichstromquelle (VDD) fließt, und daß die an der Diode (D12)
abfallende Spannung die konstante Gleichspannung ist, die der
Meßspannung überlagert wird.
3. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet,
daß die Vorspannungsschaltung aufweist:
einen (zweiten) spannungserzeugenden Optokoppler (9), bestehend aus einem lichtemittierenden Element (9/ED) und einem lichtempfangenden Element (9/RD) zum Erzeugen einer Spannung bei Lichtemission durch das lichtemittierende Element (9/ED),
eine Gleichstromquelle (VDD) zum Versorgen des lichtemittie renden Elements (9/ED) des spannungserzeugenden Optokopplers (9) mit einem Strom in Durchlaßrichtung,
eine Zenerdiode (ZD), die mit entgegengesetzter Polung parallel zu dem lichtempfangenden Element (9/ED) des spannungserzeugenden Optokopplers (9) angeschlossen ist,
und daß die von dem lichtempfangenden Element (9/ED) erzeugte und durch die Zenerdiode (ZD) begrenzte Spannung die konstante Gleichspannung ist, die der Meßspannung überlagert wird.
daß die Vorspannungsschaltung aufweist:
einen (zweiten) spannungserzeugenden Optokoppler (9), bestehend aus einem lichtemittierenden Element (9/ED) und einem lichtempfangenden Element (9/RD) zum Erzeugen einer Spannung bei Lichtemission durch das lichtemittierende Element (9/ED),
eine Gleichstromquelle (VDD) zum Versorgen des lichtemittie renden Elements (9/ED) des spannungserzeugenden Optokopplers (9) mit einem Strom in Durchlaßrichtung,
eine Zenerdiode (ZD), die mit entgegengesetzter Polung parallel zu dem lichtempfangenden Element (9/ED) des spannungserzeugenden Optokopplers (9) angeschlossen ist,
und daß die von dem lichtempfangenden Element (9/ED) erzeugte und durch die Zenerdiode (ZD) begrenzte Spannung die konstante Gleichspannung ist, die der Meßspannung überlagert wird.
4. Überstromdetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet,
daß die Vorspannungsschaltung aufweist:
einen Transformator (11), an den ein Taktimpuls angelegt wird,
einen Gleichrichter (13) zum Gleichrichten der Ausgangsspannung des Transformators (11),
einen Kondensator (C21), der von der Ausgangsspannung des Gleichrichters aufgeladen wird,
eine Zenerdiode (ZD), die mit entgegengesetzter Polung parallel zu dem Kondensator (C21) geschaltet ist,
und daß die durch die Zenerdiode (ZD) begrenzte Ladespannung des Kondensators (C21) die konstante Gleichspannung ist, die der Meßspannung überlagert wird.
daß die Vorspannungsschaltung aufweist:
einen Transformator (11), an den ein Taktimpuls angelegt wird,
einen Gleichrichter (13) zum Gleichrichten der Ausgangsspannung des Transformators (11),
einen Kondensator (C21), der von der Ausgangsspannung des Gleichrichters aufgeladen wird,
eine Zenerdiode (ZD), die mit entgegengesetzter Polung parallel zu dem Kondensator (C21) geschaltet ist,
und daß die durch die Zenerdiode (ZD) begrenzte Ladespannung des Kondensators (C21) die konstante Gleichspannung ist, die der Meßspannung überlagert wird.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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