SE516363C2 - Overcurrent protector for DC voltage source, turns ON one switch based on transient current through other switch and current limiting resistor - Google Patents

Abstract

A control circuit controls switches (SW1,SW2) in the absence of overcurrents. During overcurrent, the switch (SW2) is turned OFF. The switch (SW2) is turned ON, when the transient current through switch (SW1) and resistor (R1), has decayed to a predetermined value (ION). The current limiting resistor (R1) is connected in series with load (2). Switch (SW2) is connected in parallel with switch (SW1) and current limiting resistor. A transient detector (9) detects transient overcurrent, based on which switch (SW2) is turned ON.

Description

25 516 363 . n » n n c | nu 2 En nackdel med de överströmsskydd som hittills är kända är att de inte kan skilja mellan transienta överströmmar och icke transienta överströmmar. 25 516 363. n »n n c | nu 2 A disadvantage of the overcurrent protections known up to now is that they cannot distinguish between transient overcurrents and non-transient overcurrents.

Med transienta överströmmar menas strömmar som stiger under en stigtid till ett visst värde över ett tillåtet belastningsströmområde och att de sedan avtar under en falltid till ett värde inom det tillåtna belastningsströmområdet.By transient overcurrents is meant currents which rise during a rise time to a certain value above a permissible load current range and that they then decrease during a fall time to a value within the permissible load current range.

En transient överström sker normalt som en inströmmande ström när en belastning ansluts till likströmsspärmingskällan som en följd av laddning av en ingångskapaci- tans som finns i belastningen.A transient overcurrent normally occurs as an inflowing current when a load is connected to the direct current supply source as a result of charging of an input capacitance present in the load.

Med icke transienta överströmmar menas strömmar som stiger till ett visst värde över det tillåtna belastningsströmområdet under en stigtid och förblir över det tillåt- na belastningsströmområdet utan avtagande.By non-transient overcurrents is meant currents that rise to a certain value above the permissible load current range during a rise time and remain above the permitted load current range without decreasing.

En typisk icke transient överström kan förorsakas av ett överbelastningstillstånd förorsakat av exempelvis oavsiktlig kortslutning av belastningstenninalema eller ett fel som inträffar i belastningen.A typical non-transient overcurrent can be caused by an overload condition caused by, for example, an unintentional short circuit of the load terminals or an error that occurs in the load.

En följd av att de kända överströmsskydden inte kan skilja mellan transienta över- strömmar och icke transienta överströmmar är att överströmskydden kopplas på och av med avsevärda effektförluster vilket förorsakar en temperaturstegring i över- strömskydden. Normalt löses detta problem genom att konstruera timerns on-time tillräckligt kort för att få en acceptabel marginal i värsta fallet så att temperaturen hålls under de tillåtna värdena enligt tillverkarens specifikationer för den elektriska kretsen. 10 15 20 25 30 516 363 SAMMANFATTNING AV UPPF IN N IN GEN Syftet med uppfinningen är att anvisa ett överströmsskydd som kan skilja mellan transienta överströmmar och icke transienta överströmmar för att hantera transienta överströmmar annorlunda än icke transienta överströmmar.A consequence of the fact that the known overcurrent protections cannot distinguish between transient overcurrents and non-transient overcurrents is that the overcurrent protection is switched on and off with considerable power losses, which causes a temperature rise in the overcurrent protection. Normally, this problem is solved by designing the timer on-time short enough to get an acceptable margin in the worst case so that the temperature is kept below the permissible values according to the manufacturer's specifications for the electrical circuit. 10 15 20 25 30 516 363 SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to provide an overcurrent protection which can distinguish between transient overcurrents and non-transient overcurrents in order to handle transient overcurrents differently from non-transient overcurrent.

Detta uppnås enligt uppfinningen genom att förhindra bortkoppling av belastningen som svar på transienta överströmmar.This is achieved according to the invention by preventing disconnection of the load in response to transient overcurrents.

Härigenom behöver belastningens operation inte avbrytas när transienta överström- mar uppenbarar sig.As a result, the operation of the load does not have to be interrupted when transient overcurrents appear.

Om en icke transient överström avkänns kommer överströmsskyddet att begränsa överströmmen till ett törutbestämt värde, stänga av belastningsströmmen och där- igenom koppla bort belastningen från líkströmsspänningskällan inom en förutbe- stämd tidsintervall för att skydda likströmsspärmingskällan. För att minimera led- ningsförlustema i överströmsskyddet väljs den förutbestämda tidsintervallen att vara tillräckligt kort för att skydda transístorema och den strömbegränsande resistom från att överhettas.If a non-transient overcurrent is detected, the overcurrent protection will limit the overcurrent to a dry-determined value, turn off the load current and thereby disconnect the load from the DC power source within a predetermined time interval to protect the DC power source. To minimize the conduction losses in the overcurrent protection, the predetermined time intervals are selected to be short enough to protect the transistors and the current limiting resistor from overheating.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Uppfinningen kommer nu att beskrivas mera i detalj här nedan med hänvisning till den bifogade ritningen i vilken ñg. 1 återger en utföringsfonn av ett elektriskt över- strömsskydd i enlighet med uppfinningen för att hantera transienta överströmmar, och fig. 2 är ett diagram som visar hur en transient överström hanteras av över- strömsskyddet i fig. 1. 10 15 20 25 516 363 n n ø o o o | nu 4 BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN I fig. l är en utföringsform av ett överströmsskydd i enlighet med uppfinningen för att skydda en likströmsspänningskälla 1 mot transienta överströmmar seriekopplad med en belastning 2 till utgångstenninalet (+) och (-) hos likströmsspänningskällan 1.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING The invention will now be described in more detail below with reference to the accompanying drawing in which ñg. 1 shows an embodiment of an electric overcurrent protection in accordance with the invention for handling transient overcurrents, and fi g. 2 is a diagram showing how a transient overcurrent is handled by the overcurrent protection in fi g. 1. 10 15 20 25 516 363 n n ø o o o | now 4 DESCRIPTION OF THE INVENTION I fi g. 1 is an embodiment of an overcurrent protection in accordance with the invention for protecting a direct current voltage source 1 against transient overcurrents connected in series with a load 2 to the output terminal (+) and (-) of the direct current voltage source 1.

För att skydda likströmsspänningskällan 1 mot icke transienta överströmmar inne- fattar på känt sätt överströmsskyddet en omkopplare i form av en fälteffekttransis- tom SWl som är seriekopplad med en strömbegränsande resistor R1 och en avkän- ningsanordning 3 för belastningsströmmen mellan en terminal hos belastningen 2 och likströmsspänningskällans 1 (-) terminal.In order to protect the direct current voltage source 1 against non-transient overcurrents, the overcurrent protection comprises in a known manner a switch in the form of a field effect transistor SW1 which is connected in series with a current limiting resistor R1 and a sensing device 3 for the load current and direct current 1 (-) terminal.

Den strömavkännande anordningen 3 genererar en utspänning som är proportionell mot den avkända belastningsströmmen och kan innefatta t.ex. en resistor, en Hall- generator, etc.The current sensing device 3 generates an output voltage which is proportional to the sensed load current and may comprise e.g. a resistor, a Hall generator, etc.

Likaledes på i och för sig känt sätt är en omkopplare i form av en fálteffekttransistor SW2 parallellkopplad med fälteffekttransistorn SWl och den strömbegränsande re- sistom R1.Also in a manner known per se, a switch in the form of a field effect transistor SW2 is connected in parallel with the field effect transistor SW1 and the current-limiting resistor R1.

Grinden hos fälteffekttransistom SW1 är förbunden med en matarspänning +Vc via en resistor R2 och med kollektom hos en transistor TR1. Transistorns TRl emitter är förbunden med inloppet till fälteffekttransistorn SWl och transistoms TRl bas är förbunden med en utgångstenninal hos en timer 4 via en resistor R3.The gate of the field effect transistor SW1 is connected to a supply voltage + Vc via a resistor R2 and to the collector of a transistor TR1. The emitter of the transistor TR1 is connected to the inlet of the field effect transistor SW1 and the base of the transistor TR1 is connected to an output terminal of a timer 4 via a resistor R3.

I enlighet med uppfinningen är fälteffekttransistoms SW2 grind förbunden med ut- gången hos en spänningsförstärkare 5 och med kollektom hos en transistor TR2.\ Transistorns TR2 emitter är förbunden med inloppet hos fälteffekttransistom SW2 , 1 an: nu '10 15 20 25 516 363 . I , . . s n ac 5 och transistoms TR2 bas är förbunden med utgången hos timem 4 via en resistor R4.According to the invention, the gate of the field effect transistor SW2 is connected to the output of a voltage amplifier 5 and to the collector of a transistor TR2. The emitter of the transistor TR2 is connected to the inlet of the field effect transistor SW2, 1: I,. . s n ac 5 and the base TR2 of the transistor is connected to the output of timer 4 via a resistor R4.

Utgången hos den strömavkännande anordningen 3 är förbunden med (-) ingångs- terrninalen hos spänningsförstärkaren 5 och med (+) ingångsterminalen hos en kom- parator 6. (-) ingångsterrninalen hos komparatom 6 är förbunden med en referensspännings- källa 7. Referensspänningskällan 7 tillhandahåller en referensspänning som är pro- portionell mot ett nominellt belastningsströmvärde INOM. Belastningsströmmar som är högre än INOM är överströmmar som skall avkännas.The output of the current sensing device 3 is connected to the (-) input terminal of the voltage amplifier 5 and to the (+) input terminal of a comparator 6. The (-) input terminal of the comparator 6 is connected to a reference voltage source 7. The reference voltage source 7 provides a reference voltage that is proportional to a nominal load current value INOM. Load currents that are higher than INOM are overcurrents that must be sensed.

Komparatoms 6 utgångsterminal är förbunden med ingången hos en timerspärrkrets, visad som en OCH-krets 8. OCH-kretsens 8 utgång är förbunden med timems 4 in- gång.The output terminal of the comparator 6 is connected to the input of a timer blocking circuit, shown as an AND circuit 8. AND the output of the AND circuit 8 is connected to the input of the timer 4.

I enlighet med uppfinningen tillhandahålles en transient detektor 9 för att avkänna att en överström är en transient överström.In accordance with the invention, a transient detector 9 is provided to detect that an overcurrent is a transient overcurrent.

I utförandet i fig. 1 är den transienta detektorn 9 förbunden med dess ingång till ut- gången hos den strömavkännande anordningen 3 och med dess utgång till en om- vänd ingång hos OCH-kretsen 8.In the execution in fi g. 1, the transient detector 9 is connected to its input to the output of the current sensing device 3 and to its output to a reverse input of the AND circuit 8.

Det skall emellertid förstås att den transienta detektom 9 inte nödvändigtvis behöver anslutas med dess ingång till utgången hos den strömavkärmande anordningen 3.It is to be understood, however, that the transient detector 9 need not necessarily be connected with its input to the output of the current shielding device 3.

För att avkärma transienta överströmmar kan den transienta detektom 9 likaväl an- slutas med dess ingång till' exempelvis en punkt mellan belastningen 2 och den strömbegränsande resistom Rl för att avkänna spänningen tvärs denna resistor. u ny: u: 10 15 20 25 30 516 363 I n . n n 1 n nu 6 (+) ingångsterminalen hos spänningsförstärkaren 5 är förbunden med en referens- spänningskälla 10. Referensspänningskällan 10 som kan implementeras med t.ex. en spänningsdelare, tillhandahåller en referenssignal som kan anta två olika värden IOFF och ION. Värdet IOFF representerar belastningsströmvärdet vid vilket tran- sistorn SW2 skall stängas av och värdet ION representerar det belastningsströms- värde vid vilket transistom SW2 skall kopplas på igen såsom kommer att beskrivas mera i detalj och med hänvisning till fig. 2.In order to shield transient overcurrents, the transient detector 9 can just as well be connected with its input to, for example, a point between the load 2 and the current-limiting resistor R1 to sense the voltage across this resistor. u ny: u: 10 15 20 25 30 516 363 I n. n n 1 n nu 6 (+) The input terminal of the voltage amplifier 5 is connected to a reference voltage source 10. The reference voltage source 10 which can be implemented with e.g. a voltage divider, provides a reference signal that can assume two different values IOFF and ION. The value IOFF represents the load current value at which the transistor SW2 is to be switched off and the value ION represents the load current value at which the transistor SW2 is to be switched on again as will be described in more detail and with reference to fi g. 2.

Allmänt sett avkänner det transienta överströmsskyddet enligt uppfinningen att överströmmen är en transient överström medelst den transienta detektom 9.In general, the transient overcurrent protection device detects according to the invention that the overcurrent is a transient overcurrent by means of the transient detector 9.

Nonnalt, när det inte föreligger några överströmmar, är transistorema SW1 och SW2 fullt ledande och belastningsströmmen genom den strömavkärmande anord- ningen 3 är lägre än INOM.Normally, when there are no overcurrents, the transistors SW1 and SW2 are fully conductive and the load current through the current shielding device 3 is lower than INOM.

En transient överström har en stigtid som är en bråkdel av den tid som behövs för timem 4 att gå ut och stänga av såväl transistom SW2 som transistom SW1.A transient overcurrent has a rise time which is a fraction of the time required for timer 4 to go out and turn off both transistor SW2 and transistor SW1.

Med hänvisning till fig. 2 antages att en transient överström visar sig vid tiden tl.With reference to fi g. 2 it is assumed that a transient overcurrent appears at time t1.

När strömmen har stigit över IOF F såsom anges i fig. 2 går utsignalen från spän- ningsfórstärkaren 5 låg. Härigenom stängs transistom SW2 omedelbart av.When the current has risen above IOF F as indicated in fi g. 2, the output signal from the voltage amplifier 5 goes low. This immediately shuts off transistor SW2.

Strömmen är toppbegränsad vid ett värde IMAX, såsom visat i fig. 2. Strömvärdet IMAX inställs genom resistansvärdet hos den strömbegränsande resistom Rl eme- dan transistom SWl fortfarande är fullt ledande. När den transienta strömmen har nått dess topp vid IMAX börjar den att försvagas, såsom återges i fig. 2.The current is peak-limited at a value IMAX, as shown in fi g. 2. The current value IMAX is set by the resistance value of the current limiting resistor R1 because the transistor SW1 is still fully conductive. When the transient current has reached its peak at IMAX, it begins to weaken, as shown in fi g. 2.

Försvagningen avkänns medelst den transienta detektom 9. n .,n nu 10 15 20 25 516 363 , n . . | ø | .o 7 Om försvagningen är tillräckligt snabb triggas inte timem 4 även om utsignalen fi'ån komparatom 6 är hög (belastninsgströmmen > INOM) och utsignalen från den tran- sienta detektorn 9 också är hög. Men då den senare är inverterad vid den inverterade ingången hos OCH-kretsen 8 hålls utsignalen hos OCH-kretsen 8 låg.The attenuation is detected by the transient detector 9. n., N now 10 15 20 25 516 363, n. . | ø | .o 7 If the attenuation is fast enough, timer 4 is not triggered even if the output signal fi 'from the comparator 6 is high (load current> INSIDE) and the output signal from the transient detector 9 is also high. But when the latter is inverted at the inverted input of the AND circuit 8, the output of the AND circuit 8 is kept low.

När den transienta belastningsströmmen har avtagit till värdet ION, t.ex. vid en tid t2, bildas en negativ återkopplingsslinga genom spänningsfórstärkaren 5, transistom SW2, den strömavkännande anordningen 3 och referensspärmingskällan 10 som har antagit värdet ION. Spänningstörstärkarens 5 utspänning börjar öka och transistom SW2 startar att leda en ökande ström ISW2, såsom visas i fig. 2.When the transient load current has decreased to the value ION, e.g. at a time t2, a negative feedback loop is formed by the voltage amplifier 5, the transistor SW2, the current sensing device 3 and the reference voltage source 10 which has assumed the value ION. The output voltage of the voltage amplifier 5 begins to increase and the transistor SW2 starts to conduct an increasing current ISW2, as shown in fi g. 2.

Samtidigt börjar den ström som går genom transistom SW1 att minska i motsvaran- de grad, såsom anges genom ISW1 i fig. 2.At the same time, the current flowing through transistor SW1 begins to decrease correspondingly, as indicated by ISW1 in fi g. 2.

Transistom SW2 tar således gradvis ”över” belastningsströmmen från transistom SW1 och den strömbegränsande resistom R1. Med andra ord leder transistom SW2 gradvis mera ström under samma ändringsrat som spänningen tvärs belastningen 2 ökar, t.ex. beroende på laddning av en ingångskapacitans hos belastningen 2.Transistor SW2 thus gradually "takes over" the load current from transistor SW1 and the current-limiting resistor R1. In other words, transistor SW2 gradually conducts more current below the same rate of change as the voltage across the load 2 increases, e.g. depending on the charge of an input capacitance of the load 2.

När ingångskapacitansen hos belastningen 2 är helt laddad existerar inte längre den transienta strömmen och strömmen begränsas sedan endast genom belastningen 2. I normalfallet kommer sedan strömmen att ha ett värde under det nominella värdet INOM.When the input capacitance of the load 2 is fully charged, the transient current no longer exists and the current is then limited only by the load 2. In the normal case, the current will then have a value below the nominal value IN.

Vid en förutbestämd avböjning av transienten, såsom avkänd av den transienta de- tektom 9, går den transienta detektoms 6 utsignal låg. Emedan komparatoms 6 ut- signal fortfarande är hög går utsignalen hos OCH-kretsen hög och triggar eller akti- verar timem 4. n o .av on 516 363 o v m: ro 8 Timem 4 inställs på så sätt att den inte går ut innan belastningens 2 ingångskapaci- tans har helt laddats.At a predetermined deflection of the transient, as sensed by the transient detector 9, the output of the transient detector 6 goes low. Since the output signal of the comparator 6 is still high, the output signal of the AND circuit goes high and triggers or activates timer 4. no. Of on 516 363 ovm: ro 8 - tans has been fully charged.

Detta styrda uppträdande hos både spänning och ström i transistom SW2 gör det möjligt att konstruera överströmsskyddet för en minsta effektförlust i transistom SW2. Effektförlusten i transistom SW1 är alltid låg emedan transistom SW1 är helt ledande. Som en följd därav är spänningsfallet tvärs transistom SWl mycket lågt.This controlled behavior of both voltage and current in transistor SW2 makes it possible to design the overcurrent protection for a minimum power loss in transistor SW2. The power loss in transistor SW1 is always low because transistor SW1 is completely conductive. As a result, the voltage drop across transistor SW1 is very low.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 516 363 n n q n ø ø I nu PATENTKRAV Anordning för att skydda en likströmsspänningskälla (1), förbunden med en belast- ning (2), mot överströmmar, innefattande en första omkopplare (SW1) som i serie med en strömbegränsande resistor (Rl) är seriekopplad med belastningen (2), en andra omkopplare (SW2) som är parallellkopplad med den första omkopplaren (SWl) och den strömbegränsande resistom (Rl), samt en styrkrets för att styra nämnda första och andra omkopplare (SWl, SW2), varvid styrkretsen innefattar medel för att hålla nämnda första och andra omkopplare (SWl, SW2) påslagna i frånvaro av överströmmar, medel för att avkänna en överström, medel för att stänga av nämnda andra omkopplare (SW2) som svar på en avkänd överström lör att mata belastningen (2) endast via den första ornkopplaren (SWl) och den strömbegränsan- de resistom (Rl), och en tidkrets (B 1) för att stänga av den första omkopplaren (SWl) efier en förutbestämd tid för frånkoppling av belastningen (2), känneteck- nad av att styrkretsen vidare innefattar - en transient detektor (9) för att avkänna transienta överströmmar, - medel (8) för att förhindra avstängningen av den första omkopplaren (SWl) som svar på avkända transienta överströmmar, och - medel (3,5,l0) för att koppla på nämnda andra omkopplare (SW2) som svar på att de transienta strömmama genom den första omkopplaren (SW1) och den strömbegränsande resistom (Rl) har avklingat till ett förutbestämt värde (ION) för att förse belastningen (2) med en avtagande ström via den första omkoppla- ren (SWl) och den strömbegränsande resistom (Rl) och en motsvarande ökande ström via den andra omkopplaren (SW2) till dess belastningen (2) är matad med ström endast via den andra omkopplaren (SW2). :oo unDevice for protecting a direct current voltage source (1), connected to a load (2), against overcurrents, comprising a first switch (SW1) which in series with a current limiting resistor (R1) is connected in series with the load (2), a second switch (SW2) which is connected in parallel with the first switch (SW1) and the current limiting resistor (R1), and a control circuit for controlling said first and second switches (SW1, SW2), the control circuit comprising means for keeping said first and second switches (SW1, SW2) on in the absence of overcurrents, means for sensing an overcurrent, means for switching off said second switch (SW2) in response to a sensed overcurrent to supply the load (2) only via the first switch (SW1) and the current-limiting resistor (R1), and a timing circuit (B1) for switching off the first switch (SW1) or a predetermined time for switching off the load (2), characteristic The control circuit further comprises - a transient detector (9) for sensing transient overcurrents, - means (8) for preventing the switch-off of the first switch (SW1) in response to sensed transient overcurrents, and - means (3,5, 10) to switch on said second switch (SW2) in response to the transient currents through the first switch (SW1) and the current limiting resistor (R1) having decayed to a predetermined value (ION) to supply the load (2) with a decreasing current via the first switch (SW1) and the current limiting resistor (R1) and a corresponding increasing current via the second switch (SW2) until the load (2) is supplied with current only via the second switch (SW2). : oo un