Überstromschutz-Vorrichtung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen statischen
Unterbrecherschalter zum Schutz einer mit einer Spannung von
einigen Hundert Volt gespeisten Last.
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Die derzeit für die Funktion als statische
Unterbrecherschalter verfügbaren Vorrichtungen sind die
Schmelzsicherung, der Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten,
der elektromagnetische Unterbrecherschalter.
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Die Nachteile dieser Vorrichtungen bestehen, für die
Schmelzsicherung, in der Tatsache, daß sie ihre Funktion nur
einmal erfüllt und danach erneuert werden muß, für den
Temperaturkoeffizient-Widerstand in seiner Ansprechdauer und
seinem auf Lastverbraucher niedriger Leistung
eingeschränkten Einsatzbereich, sowie für den elektromagnetischen
Unterbrecher in seiner Ansprechdauer und seinen
Herstellungskosten.
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Bekannt sind auch elektronische Schaltungen, welche die
Funktion statischer Unterbrecher erfüllen und bei denen
Transistorschalter verwendet werden. Derartige Schaltungen
müssen im Fall von Kurzschlüssen in der Verbraucherlast eine
extrem kurze Ansprechzeit besitzen, im Hinblick auf den
hohen Strom, der während eines Kurzschlusses fließt. Dies
führt zur Schaffung komplexer elektronischer Schaltungen, um
eine Beschädigung der Schaltung durch diesen Kurzschlußstrom
zu vermeiden. Dies hat hohe Gestehungskosten für diese Art
Schaltungen zur Folge.
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Die Erfindung betrifft näherhin eine Vorrichtung in Form
einer elektronischen Schaltung zum Schutz einer
Verbraucherlast gegen Überströme.
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Sie hat zum Ziel die Schaffung einer
Überstromschutz-Vorrichtung in Form einer elektronischen Schaltung, die bei
einfachem Aufbau und geringen Gestehungskosten gleichwohl
eine optimale Betriebszuverlässigkeit in ihrer
Schutzfunktion für die Verbraucherlast gewährleistet.
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Die US-Patentschrift 3 792 289 beschreibt eine
Schutzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei dieser
bekannten Vorrichtung wird das Strombegrenzerelement von
einem Widerstand gebildet. Dieser Widerstand verbraucht
Energie im normalen Betriebszustand, d. h. wenn kein
Überstrom oder Kurzschluß vorliegt. Die Erfindung bezweckt die
Schaffung einer Schutzvorrichtung, welche nur einen geringen
Energieverbrauch im normalen Betriebszustand benötigt.
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Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor eine
Überstromschutz-Vorrichtung zur Reihenschaltung zwischen einer
Verbraucherlast und einer elektrischen Speisestromquelle, mit
einem elektronischen Schalter, der von einer an den
Anschlüssen eines Strombegrenzerelements anliegenden Spannung
gesteuert wird, das in Reihe mit dem genannten
elektronischen Schalter geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
das genannte Begrenzerelement von solchem Typ ist, der den
Strom auf einen vorgegebenen, über einen großen
Spannungsbereich hin konstanten Wert begrenzt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß der genannte Schalter von einem durch das
Gate ausschaltbaren, in Reihe mit dem Strombegrenzerelement
geschalteten GTO-Thyristor gebildet wird, wobei die Kathode
des genannten GTO-Thyristors mit dem Eingang des
Strombegrenzers verbunden ist und die Anode des GTO-Thyristors die
Speisespannung zugeführt erhält, während der Ausgang des
Strombegrenzerelements mit der Verbraucherlast verbunden ist
und zwischen dem Gate und der Anode des GTO-Thyristors ein
erster Widerstand hohen Betrags angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß die Vorrichtung eine Lawinendiode in
Parallelschaltung zu dem Strombegrenzerelement aufweist, die
zur Einstellung des Öffnungs- bzw. Ausschaltschwellwerts des
von dem GTO-Thyristor gebildeten Schalters bestimmt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß die Vorrichtung einen Hilfstransistor
aufweist, der zum Öffnen bzw. Ausschalten des GTO-Thyristors
bestimmt ist, sobald die Spannung an den Anschlüssen des
Strombegrenzerelements den durch die
Lawinendurchbruchspannung der Diode eingestellten Schwellwert erreicht, wobei das
Gate des Hilfsthyristors mit der Anode der Lawinen- bzw.
Z-Diode verbunden ist und seine Kathode mit dem Ausgang des
Strombegrenzers verbunden ist, während seine Anode mit dem
Gate des GTO-Thyristors verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß die Vorrichtung des weiteren einen zweiten
Widerstand aufweist, der zwischen dem Gate und der Kathode
des Hilfsthyristors angeordnet ist und dazu bestimmt ist, im
Normalbetrieb den in der Diode fließenden Leckstrom
aufzunehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß das Strombegrenzerelement und der durch das
Gate ausschaltbare Thyristor so gewählt sind, daß der
Betrag des Begrenzerstroms 'Icl' des Strombegrenzers kleiner
als der Betrag des maximalen Öffnungs- bzw. Abschaltstroms
des GTO-Thyristors ist.
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Die Tatsache, daß gemäß der Erfindung auf ein
Strombegrenzerelement zurückgegriffen wird, gestattet eine
beträchtliche Vereinfachung des Schaltungsaufbaus. Tatsächlich
besteht keine Gefahr mehr, daß diese Schaltung durch einen
hohen Stromfluß in der Verbraucherlast zu Beginn einer
Kurzschlußphase während der Ansprechzeit des Schalters
beschädigt wird, der daher nicht besonders schnell gesteuert
werden muß. Da außerdem für die verwendeten Bauteile keine
Gefahr besteht, daß sie einem Überlastzustand ausgesetzt
werden, können sie von kleiner Abmessung sein und daher nur
einen geringen Siliziumflächenbedarf aufweisen.
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Diese und weitere Ziele, Eigenschaften, Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels, dem
keine einschränkende Bedeutung zukommt, anhand der
beigefügten Zeichnungsfiguren im einzelnen auseinandergesetzt; in
der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 die Strom-Spannungs-Charakteristik eines
Strombegrenzerelements,
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Fig. 2 ein Schaltschema einer Ausführungsform einer
Überstromschutz-Vorrichtung gemäß der Erfindung, sowie
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Fig. 3 die Strom-Spannungs-Kennlinie der Vorrichtung
nach Fig. 2.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, weist ein Strombegrenzerelement des
gemäß der Erfindung verwendeten Typs eine Strom-Spannungs-
Charakteristik auf, welche der eines MOS-Transistors, dessen
Gate und Source miteinander verbunden sind, entspricht. Wenn
der in dem Element fließende Strom zunimmt, verhält es sich
wie ein Widerstand geringer Größe. Sobald der Strom einen
Grenzwert 'Icl' erreicht, wird der Strom auf diesen Wert
begrenzt, und die Spannung an den Anschlüssen des
Strombegrenzers steigt an. Die Betriebsgrenze der Vorrichtung
wird durch eine Spannung 'Vmax' fixiert, jenseits welcher
das Element in einen Lawinendurchbruchzustand übergeht.
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Die Schutzvorrichtung 1 gemäß der Erfindung, wie sie in
Fig. 2 veranschaulicht ist, erhält ein gleichgerichtetes und
nicht-gefiltertes Sinuswellen-Speisesignal 'Valim'
zugeführt, aus einer Diodenbrücke 2, die ihrerseits
beispielsweise von der Wechselspannung 'Vac' des industriellen
220-V-Stromnetzes gespeist wird. Die Vorrichtung 1 führt
dieses gleichgerichtete Signal einer Verbraucherlast 3 zu.
Sie soll als Unterbrecherschalter wirken, d. h. sich im Fall
eines Überstroms infolge eines Überstroms im Netz oder
infolge eines zeitweisen oder dauernden Kurzschlusses in der
Verbraucherlast wie ein Leerlauf- oder unterbrochener
Stromkreis verhalten.
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Die Vorrichtung 1 weist einen über sein Gate sperrbaren
Thyristor T1 (üblicherweise als 'Gate Turn-Off' (GTO)-Thyristor
bezeichnet) in Reihe mit einem Strombegrenzerelement 4 und
der zu schützenden Verbraucherlast 3 auf. Die Anode des
Thyristors T1 ist mit dem positiven Anschluß der Brücke 2
verbunden. Der zweite Anschluß der Verbraucherlast 3 ist mit
dem negativen Anschluß der Brücke 2 verbunden. Der Thyristor
T1 wirkt als ein durch die an den Anschlüssen des
Strombegrenzers 4 anliegende Spannung gesteuerter Schalter. Sein
Gate ist zu diesem Zweck mit der Anode eines Hilfsthyristors
T2 verbunden, dessen Kathode mit dem Ausgang des
Strombegrenzers 4 verbunden ist. Das Gate des Hilfsthyristors T2
ist mit der Anode einer Lawinendiode (Z-Diode) D verbunden
sowie über einen Widerstand R2 mit seiner eigenen Kathode.
Die Kathode der Lawinendiode D ist mit dem Eingang des
Begrenzers 4 verbunden, derart daß die Diode in gewisser Weise
die Spannung an den Anschlüssen des Begrenzers 4 mißt.
Zwischen der Anode und dem Gate des GTO-Thyristors T1 liegt ein
Widerstand R1 hohen Betrags.
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Bei der Spannungsbeaufschlagung der Vorrichtung 1 fließt ein
Strom in dem Widerstand R1, dem Gate-Kathoden-Übergang des
Thyristors T1, dem Begrenzer 4 und der Verbraucherlast 3.
Sobald dieser Strom hinreichend groß ist, wird der Thyristor
T1 eingeschaltet. Da der Thyristor T1 leitend ist, fließt
ein normaler Laststrom durch den Strombegrenzer 4, und die
Verbraucherlast 3 wird gespeist.
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Im normalen Betriebszustand, d. h. wenn kein Überstrom oder
Kurzschluß vorliegt, liegt der Arbeitspunkt des Begrenzers 4
in seiner Zone niedrigen Widerstands (Fig. 1). Die
Vorrichtung 1 weist somit im Normalbetrieb eine geringe
Verlustleistung auf.
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Im Fall einer Überspannung in der Speiseleitung oder eines
Kurzschlusses in der Verbraucherlast 3 erreicht der den
Begrenzer 4 durchfließende Strom den Schwellwert 'Icl'. Sein
Arbeitspunkt verlagert sich dann in die
Strombegrenzungszone, was eine Zunahme der Spannung an seinen Anschlüssen
zur Folge hat.
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Sobald diese Spannung die durch die Lawinenspannung der
Diode D definierte Schwelle erreicht, fließt ein Strom durch
diese Diode in das Gate des Hilfsthyristors T2, der leitend
wird.
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Diese Auslösung von T2 bewirkt, daß der Potentialunterschied
zwischen dem Gate und der Kathode des GTO-Thyristors T1
einen stark negativen Wert annimmt und der GTO-Thyristor T1
sperrt. Man erkennt, daß diese Schaltungsanordnung keine
Wahl eines GTO-Transistors hoher Leistung erfordert, da
während dieser Öffnungsphase der Strombegrenzer 4
verhindert, daß der Strom in dem GTO-Thyristor T1 einen hohen Wert
annimmt. Die beiden Bedingungen für die Sperrung des GTO-
Thyristors T1 sind erfüllt. Die Vorrichtung 1 weist dann
eine durch den Betrag des Widerstands R1 bestimmt hohe
Impedanz auf, welche dem Stromfluß entgegensteht.
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Während der Umschaltphase, d. h. der Öffnung bzw.
Unterbrechung der Schaltung bleibt der Laststrom unter Kontrolle
und gleich dem Schwellstrom 'Icl' des Strombegrenzers 4.
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Im Fall einer gleichgerichteten nicht-gefilterten
Speisespannung 'Valim', d. h. einer Spannung, die für jede
Halbwelle einen Null-Durchgang aufweist, sperrt der Thyristor T2
beim Null-Durchgang des Signals, was bewirkt, daß der
Thyristor T1 zu Beginn der folgenden Halbwelle wieder
einschalten kann. Die Vorrichtung 1 kann somit aufeinanderfolgend
auslösen und bei jeder Halbwelle wieder einschalten, solange
der Kurzschlußzustand in der Verbraucherlast 3 anhält.
Sobald der Kurzschluß aufhört, kann der Normalbetrieb wieder
aufgenommen werden, ohne daß hierfür irgendeine Intervention
auf die Schutzvorrichtung 1 erforderlich wäre, die somit
einen Unterbrecher- bzw. Trennschalter mit automatischer
Wiedereinschaltung ohne besondere Vorsorgemaßnahme
darstellt.
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Im Falle einer Gleichstrom- oder gefilterten
Gleichrichtspeisung (nicht dargestellt) muß, damit der Thyristor T2
nach dem Aufhören des Kurzschlußzustands in der
Verbrau
cherlast wieder einschaltet, der Betrag des Widerstands R1
so gewählt werden, daß in Gegenwart einer nominalen
Netzspannung und eines normalen Werts der Verbraucherlast 3 der
Widerstand einen Stromfluß in dem Thyristor T2 einstellt,
der kleiner als sein Haltestrom ist. Man erhält dann
ebenfalls einen Unterbrecherschalter mit automatischer
Rückstellung.
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Der Widerstand R2 geringen Betrags hat die Aufgabe, eine
unzeitige Auslösung des Thyristors T2 zu vermeiden, die auch
in Abwesenheit eines Kurzschlusses durch einen Leckstrom in
der Lawinendiode D verursacht würde, welcher den Thyristor
T2 auslösen könnte.
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Wie ersichtlich, ist der Laststrom permanent unter der
Kontrolle durch die Vorrichtung 1, was dieser eine optimale
Zuverlässigkeit verleiht.
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Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Vorrichtung gemäß der
Erfindung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist,
veranschaulicht die eben beschriebene Wirkungsweise. Im normalen, aber
etablierten Betriebszustand (Zone A), d. h. nach
Einschaltung oder Leitendwerden des GTO-Transistors T1, folgt die
Kennlinie der Vorrichtung 1 der des Strombegrenzers (Fig. 1)
in seiner Zone geringen Widerstands. Sobald der die
Vorrichtung durchfließende Strom den Betrag 'Icl' erreicht,
wird er begrenzt (Zone B), und die Kennlinie folgt weiterhin
der des Strombegrenzers, bis die Spannung an den Anschlüssen
der Vorrichtung einen Schwellwert 'Vth' erreicht, welcher
der Schwellspannung der Lawinendiode D zuzüglich der
Spannung des Gate-Kathoden-Übergangs des Thyristors T2
entspricht. In diesem Zeitpunkt fällt die Stromstärke unter der
Schaltwirkung der Thyristoren abrupt ab und nimmt einen Wert
entsprechend der Begrenzung durch den Widerstand R1 unter
Erreichung einer Öffnungs- bzw. Sperrzone C an.
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Obzwar die Umschaltzeit der Schaltung kurz ist, kann ihre
Ansprechdauer, die durch die Lawinenspannung der Diode D
bestimmt ist, beträchtlich erscheinen. Jedoch ist dies ohne
Konsequenz für die Zuverlässigkeit der Schaltung und den
Schutz der Verbraucherlast in dem Maße, als der Strom
dauerhaft auf den Betrag 'Icl' durch den Strombegrenzer 4
begrenzt ist.
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Als Beispiel, dem keine einschränkende Bedeutung zukommt,
wurde ein statischer Unterbrecher gemäß der Erfindung
realisiert, der an einer durch eine Diodenbrücke
gleichgerichteten Wechselspannung von 220 V arbeitet und eine Last 3 in
Form einer 100-W-Lampe speist; die Vorrichtung weist die
folgenden Bauteile auf:
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- ein Strombegrenzerelement 4 mit einem Wert des
Begrenzerstroms 'Icl' von 600 mA;
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- einen unter der Handelsbezeichnung TN25-1600D (SOT82)
bekannten, über sein Gate abschaltbaren Thyristor T1, der
geöffnet bzw. gesperrt werden kann, wenn der ihn
durchfließende Strom 700 mA nicht übersteigt;
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- einen unter der Handelsbezeichnung P0102A (TO92)
bekannten Thyristor T2;
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- eine Lawinendiode D, deren Lawinenspannung 12 V
beträgt;
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- einen Widerstand R1 von 27 kΩ; sowie
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- einen Widerstand R2 von 100 Ω.
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Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung in für den
Fachmann erkennbarer mannigfacher Weise abgewandelt und
modifiziert werden, wobei jede(s) der beschriebenen Bauteile
und Komponenten durch ein oder mehrere, die gleiche Funktion
erfüllende(s) Element(e) ersetzt werden kann.