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Elektronischer überstromschalter Die Erfindung betrifft einen elektronischen
überstromschalter, bei dem die an einem Meßwiderstand im Laststromkreis abfallende
Spannung beim überschreiten eines vorgegebenen Wertes das Ansprechen von Schaltmitteln
zur Herabsetzung des Laststromes bewirkt.
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Zur Absicherung der Ausgänge elektronisch geregelter Netzgeräte lassen
sich keine normalen Schmelzsicherungen verwenden. Charakteristisch für diese Netzgeräte
ist, daß die Spannung über den ganzen Belastungsbereich konstant bleibt, bei überschreiten
eines Maximalwertes aber plötzlich zusammenbricht. Eine Schmelzsicherung, deren
Nennwert dem Maximalwert des von dem Netzgerät gelieferten Stromes entspricht, würde
nie zum Auslösen kommen, da hierzu mindestens der zweifache Nennstrom erforderlich
ist. Aber auch bei dem zweifachen Strom müßte eine lange Auslösezeit in Kauf genommen
werden. Tragbar kurze Auslösezeiten, die häufig für elektronische Schaltungsanordnungen
verlangt werden, entstehen aber erst bei Kurzschlußströmen, die dem Vielfachen des
Nennwertes entsprechen.
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Es sind unter der Bezeichnung »elektronische Sicherung« Schutzschaltungen
entwickelt worden, die das Absinken der Spannung unter einen vorgegebenen Wert ausnutzen,
um durch elektronische oder elektromechanische Schaltmittel den Ausgang des Netzgerätes
stromlos zu machen. Diese Sicherungen arbeiten sehr schnell. Sie schützen nicht
nur das Netzgerät, sondern auch die Bauelemente im Verbraucher, die durch den Kurzschlußstrom
oder das Absinken der Spannung Schaden leiden könnten.
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Jedoch ist die vorbeschriebene bekannte Schaltungsmaßnahme nicht ausreichend,
wenn es sich um ein Netzgerät höherer Leistung und um einen insbesondere elektronischen
Verbraucher handelt, der mehrere Sicherungskreise aufweist. Zusätzlich erschwerend
wirkt sich die Forderung nach einer zweiten Versorgungsspannung aus. In diesem Fall
kann nicht mehr das Zusammenbrechen der Versorgungsspannung zum Abschalten ausgenutzt
werden. In diesen Fällen muß das innerhalb eines diskreten Prozentbereiches erfolgende
Überschreiten des Nennstromes in dem zu schützenden Stromkreis zum sofortigen Abschalten
dieses Kreises führen. Diese Forderung ist um so bedeutungsvoller, wenn in den übrigen
Sicherungskreisen durch diesen Abschaltevorgang keine Störungen ausgelöst werden
dürfen. Sind zwei Versorgungsspannungen für eine abzusichernde elektronische Verbrauchergruppe
erforderlich, dann muß bei Kurzschluß in einem Spannungskreis die zweite Spannung
mit abgeschaltet werden. Als weitere sehr wesentliche Forderung sollte der Spannungsabfall
in den Schaltmitteln, die den Strom kontrollieren, denjenigen nicht wesentlich übersteigen,
der in den bekannten Schmelzsicherungen auftritt.
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Es ist ferner auch schon eine elektronische Sicherung bekannt (Elektronics
35, 1962, 13, S. 60), bei der die an einem Meßwiderstand im Laststromkreis abfallende
Spannung mit einer Festspannung verglichen wird. Diese Festspannung wird dabei an
einer über einen Vorwiderstand betriebenen Diode erzeugt. Überschreitet die Meßspannung
die Festspannung, so wird die Differenzspannung mittels eines Transistorverstärkers
verstärkt und dann zur Steuerung eines Transistors benutzt, dessen gesteuerte Strecke
im Laststromkreis angeordnet ist und der den Laststrom herabsetzt. Eine derartige
Sicherung hat jedoch keinen definierten Schaltpunkt, denn mit dem Ansteigen der
Differenzspannung steigt auch langsam der Basisstrom des Verstärkertransistors an,
wobei Basis- und Kollektorstrom von der Umgebungstemperatur abhängig sind.
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Eine nachfolgende Triggerschaltung würde erst das erforderliche Schaltverhalten
zeigen, das zur Steuerung der die Belastung abtrennenden Schaltmittel nötig ist.
Da nach Abschalten der Belastung auch der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand wegfällt,
kippt die Schaltung wieder in die Ruhelage zurück. Es sind somit zusätzliche Schaltmittel
erforderlich, durch die die Belastung von der Stromversorgung abgetrennt bleibt.
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Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ergibt sich aus der Schwankungsbreite
der Basis-Emitter-Spannung des Transistors und der der Durchlaßspannung der Diode.
Da der am Meßwiderstand auftretende Spannungsabfall klein sein soll, dieser aber
mit dem Wert verglichen wird, der sich aus der Differenz der wesentlich größeren
Basis-Emitter-Spannung des gerade leitend werdenden Transistors und der Durchlaßspannung
der
Diode ergibt, beeinflußt die Schwankungsbreite dieser Spannungen sehr stark den
Ansprechwert der Sicherung.
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Es ist für Zwecke der schnellen Durchschaltung eiper Wechselspannung
oder von Impulsen bekannt (deutsche Auslegeschrift 1131 736), einen Transistor
zu verwenden und diesen Transistor mit der an einer Tupneldiode abfallenden Spannung
in den leitenden bzw. nichtleitenden Zustand zu schalten, indem der vorgespannten
Tunneldiode von einer Impulsquelle über einen Kondensator ein negativer bzw. positiver
Impuls zugeführt wird. Abgesehen davon, daß diese Anordnung nicht als elektronische
Sicherung vorgesehen ist, ist sie auch für diesen Zweck weniger geeignet, da die
Impulsquelle außer durch die Tunneldiode noch durch einen im Vorspannungsstromkreis
der Tunneldiode angeordneten Widerstand belastet wird. Das führt bei elektronischen
Sicherungen zu dem Nachteil, daß für den Meßwiderstand ein unerwünscht höherer Widerstandswert
vorgesehen werden müßte.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektronischen überstromschalter
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile vermieden
sind. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß dem Meßwiderstand eine
Reihenschaltung aus einer Diode und einer über einen zweiten Widerstand vorgespannten
Tunneldiode parallel geschaltet ist, deren Spannung beim Lastnennstrom knapp unterhalb
der Höckerspannung liegend gewählt ist, und daß die beim Überschreiten des Lastnennstroms
an der Tunneldiode abfallende erhöhte Spannung, gegebenenfalls verstärkt, die den
Laststrom herabsetzenden Schaltmittel in an sich bekannter Weise steuert.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird eine Diode mit
kleinem Durchlaßwiderstand, vorzugsweise eine Rückwärtsdiode, gewählt. Infolge des
kleinen Durchlaßwiderstandes wird auch nur ein verhältnismäßig kleiner Spannungsabfall
am Meßwiderstand, d. h. nur ein kleiner Meßwiderstand, benötigt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist dem Meßwiderstand eine
Diode, vorzugsweise eine Siliziumleistungsdiode, parallel geschaltet. Diese verhindert,
daß der Spannungsabfall am Meßwiderstand als Folge des Kurzschlußstromes größer
als die Durchlaßspannung dieser Diode wird, wodurch die Tunneldiode und die Rückwärtsdiode
vor Überlastung geschützt werden.
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Der durch den Kippvorgang in der Tunneldiode erzeugte Spannungssprung
führt, gegebenenfalls nach Verstärkung, zur Abschaltung des gestörten Stromverbrauchers.
Als Verstärker kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ein zweistufiger
Transistorverstärker verwendet werden. Durch Auswechseln oder Verändern des Meßwiderstandes
läßt sich jeder beliebige Nennwert in diesem elektronischen überstromschalter einstellen,
vorausgesetzt, daß das Schaltmittel zum Abschalten des Kurzschlußstromes die nötige
Schaltleistung besitzt. Zum Abschalten können sowohl Relais wie auch Leistungstransistoren
verwendet werden. Relaiskontakte besitzen nur sehr kleine Übergangswiderstände und
erzeugen somit kaum einen Spannungsabfall in der Stromzuführung. Ihre Abfallzeit
ist jedoch relativ groß. Transistoren dagegen sind im Mittel um den Faktor 103 schneller,
erzeugen aber im Stromweg zusätzlich einen kleinen Spannungsabfall. Nach Beseitigung
der Störungsursache im Verbraucherstromkreis kann der Oberstromschalter durch Betätigung
einer Taste wieder leitend gemacht werden.
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Weitere Maßnahmen betreffen die gemeinsame, Abschaltung zweier Laststromkreise,
wenn mindestens in einem dieser Laststromkreise eine überlast auftritt. Gemäß der
Erfindung wird vorgeschlagen, den Stromkreis zur Vorspannung der Tunneldiode durch
den zweiten Laststromkreis zu beeinflussen.
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Diese und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung können der folgenden
Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele entnommen werden. Es zeigt F i g. I einen
elektronischen Überstromschalter mit einem Relais als Abschaltmittel.
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F i g. 2 einen elektronischen Oberstromschalter mit einem Transistor
als Abschaltmittel, F i g. 3 einen elektronischen überstromschalter zum gleichzeitigen
Abschalten von zwei verschiedenen Versorgungsspannungen mittels eines Relais, F
i g. 4 einen elektronischen überstromschalter zum gleichzeitigen Abschalten von
zwei verschiedenen Versorgungsspannungen mittels zweier Transistoren.
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F i g. 1 zeigt einen elektronischen überstromschalter für eine Spannung
mit Auftrennung des Strompfades durch einen Relaiskontakt. R 1 ist der Meßwiderstand,
der durch seine Größe den Nennstrom des überstromschalters bestimmt. Parallel zu
diesem liegt in Stromrichtung eine Leistungsdiode G 1 und eine Reihenschaltung
aus einer Tunneldiode G2 und einer Diode G3. Die Diode G3 soll eine Diode mit kleiner
Durchlaßspannung sein, z. B. eine Germaniumflächendiode oder besser eine sogenannte
Rückwärtsdiode. Ein parallel zur Tunneldiode G2 liegender Kondensator C1 verhindert,
daß sehr kurze Störspitzen schon zum Kippen der Tunneldiode führen. Der überstromschalter
kann durch diesen Kondensator in gewissen Grenzen mehr oder weniger träge gemacht
werden. Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Dioden G2. G 3 und
dem positiven Potential liegt ein Widerstand R _S, der die Tunneldiode G2 mit einem
Strom vorbelastet. der in seiner Größe zwischen dem Höckerstrom und dem Talstrom
liegt. Mit der an der Tunneldiode auftretenden Spannung wird ein im wesentlichen
aus den Transistoren T 1 und T 2 bestehender Verstärker gesteuert.
Im Kollektorkreis des Transistors T2 liegt ein Relais B, das bei Abfall mit
seinem Kontakt b 1
den zu überwachenden Stromkreis auftrennt. Die Verstärkerschaltung
ist nicht an eine vorgeschriebene Anordnung gebunden; sie sollte iedoch so ausgelegt
sein, daß der Abfall des Relais B bei Kurzschluß im Verbraucherkreis auch dann garantiert
ist, wenn die Betriebsspannung auf kleine Werte zusammenbricht.
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Bei Überschreiten des Lastnennstromes tritt an dem Widerstand R
1. ein Spannungsabfall auf, der die Summe der Spannungen aus Höckerspannung
der Tunneldiode und Durchlaßspannung der Rückwärtsdiode übersteigt. Dadurch kippt
die Tunneldiode in den Bereich zwischen Talspannung und Höckerdurchlaßspannung,
wobei die Rückwärtsdiode gleichzeitig gesperrt wird. Die Höhe der an der Tunneldiode
abfallenden Spannung ist dann abhängig von dem durch den Widerstand R 5 eingeprägten
Strom und beträgt ein Mehrfaches von der Höckerspannung. Dadurch wird der Transistor
T1 leitend und der
Transistor T 2 gesperrt. Das Relais
B fällt daher ab. Die Leistungsdiode G 1 verhindert, daß der am Meßwiderstand
R 1 erzeugte Spannungsabfall bei Auftreten eines Kurzschlusses im angeschlossenen
Verbraucher die Summe aus maximal zulässiger Höckerdurchlaßspannung der Tunneldiode
und maximal zulässiger Durchlaßspannung der Rückwärtsdiode überschreitet. Eventuell
muß in Reihe mit Tunneldiode und Rückwärtsdiode ein Widerstand geschaltet werden.
Eine Überlastung der Diode G1 ist auch bei hohem Kurzschlußstrom in der kurzen Zeit,
die bis zum Abschalten durch den Kontakt b 1 vergeht, nicht zu befürchten. Nach
Beseitigung der Störung kann durch kurzzeitiges Abschalten der Betriebsspannung
oder durch Betätigung einer Taste S der elektronische überstromschalter wieder leitend
gemacht werden. Der durch den Widerstand R 5 und einen Spannungsteiler R 2, R 4
fließende und in der Tunneldiode G2 eingeprägte Strom sowie der durch den Kollektorwiderstand
R 3 fließende Strom wird durch diese Taste abgeschaltet. Das Abschalten des Widerstandes
R 3 ist erforderlich, damit für die Dauer der Tastenbetätigung durch den nun gesperrten
Transistor T 1 der Transistor T 2 nicht leitend werden kann, wodurch
das Relais B ansprechen würde. Erst wenn durch Schließen der Taste S ein erneutes
Auslösen des überstromschalters gewährleistet ist, darf das Relais B wieder ansprechen.
Das angesprochene Relais B überbrückt mit seinem Kontakt b 2 die Taste
S, damit durch irrtümliche Betätigung dieser Taste nicht das Relais B abgeworfen
wird, was zum Unterbrechen der Stromzufuhr führen würde.
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F i g. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, in der zum Abschalten des
gestörten Verbrauchers ein Leistungstransistor eingesetzt ist. Die Schaltungsanordnung
unterscheidet sich von der nach F i g. 1 nur dadurch, daß der Transistor
T 2 und das Relais B durch einen Leistungstransistor T2 ersetzt sind,
dessen Schaltstrecke nun an Stelle des Kontaktes b 1 in der Zuleitung zum Verbraucher
liegt. Sein durch den Widerstand R 3 eingeprägter Basisstrom kann im Verhältnis
zur Großsignalverstärkung dieses Transistors dem Nennstrom des überstromschalters
angepaßt werden. Wird der Nennstrom überschritten, dann kippt die Tunneldiode G2
und macht den Transistor T1 leitend. Dadurch wird der Transistor T2 gesperrt, so
daß in sehr kurzer Zeit der Verbraucher von der Stromzufuhr abgetrennt wird. Eine
Zerstörung des Leistungstransistors T2 in der kurzen Zeit, die bis zum Abschalten
vergeht, ist nicht zu befürchten, zumal bei Auftreten eines Kurzschlußstromes dieser
Transistor nicht mehr ausgesteuert ist und durch das Ansteigen der Kollektor-Emitter-Spannung
zwangläufig der Kurzschlußstrom begrenzt wird. Der Auslösevorgang dieses elektronischen
überstromschalters wird dadurch unterstützt.
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F i g. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Absichern und gleichzeitigen
Abschalten von zwei verschiedenen Versorgungsspannungen (plus und minus gegen Null)
durch ein Relais mit zwei Kontakten. Tritt auf der Minuszuleitung ein Überstrom
auf, dann arbeitet die Schaltung wie die in F i g. 1. Bei Abfall des Relais
B werden jedoch durch die Kontakte b 1
und b 2 gleichzeitig beide Stromversorgungsleitungen
unterbrochen. Die Tunneldiode G2 ist hier jedoch über in Reihe liegende Widerstände
R 5 und R 6 mit der positiven Versorgungsspannung verbunden. Tritt ein Kurzschluß
auf der positiven Zuleitung auf, dann wird hier in einer ähnlichen Indikatoranordnung,
wie sie für die negative Zuleitung gebraucht wird, durch das Kippen einer Tunneldiode
G 4 ein Transistor T3 leitend, der nun den Widerstand R 6 kurzschließt. Dadurch
erhöht sich die Spannung an der Tunneldiode G 2 auf einen Wert, der über der Hökkerspannung
liegt, wodurch diese Tunneldiode ebenfalls gekippt wird. Über die Transistoren
T 1 und T 2
wird das Relais B abgeworfen, das dann die beiden Stromzuführungsleitungen
zum Verbraucher auftrennt.
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Als letztes Beispiel ist in F i g. 4 eine Schaltungsanordnung dargestellt,
bei der zwei verschiedene Versorgungsspannungen durch Leistungstransistoren
T2, T 6 abgeschaltet werden. Es handelt sich hier um eine für beide Spannungsbereiche
symmetrisch aufgebaute Schaltungsanordnung, wobei lediglich beim Einsatz der Halbleiter
die Polarität berücksichtigt werden muß. Der Teil an der Minusleitung entspricht
im wesentlichen der Schaltungsanordnung nach F i g. 2. Jedoch liegt parallel zu
den Ansteuerungspunkten für den Transistor T 1 ein weiterer Transistor T4, der beim
Kippen der Tunneldiode G2 (Kurzschluß der negativen Lastspannung) ebenfalls leitend
wird und damit einen Widerstand R 7 kurzschließt. Der ursprünglich durch Widerstände
R7, R 12 in der Tunneldiode G 4 eingeprägte Strom wird derart erhöht,
daß die Tunneldiode sprunghaft in den anderen Schaltzustand gerät. Über einen Transistor
T 5 wird jetzt auch der Leistungstransistor T 6 ge-
sperrt. Bei einem
die positive Stromzuführung, belastenden Kurzschluß arbeitet die Schaltung sinngemäß
in umgekehrter Richtung mit den für die Tunneldiode G2 vorgesehenen Vorwiderständen
R5, R 13 und dem mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke dem Vorwiderstand R 13 parallelliegenden
Transistor T3, der von der Tunneldiode G4 mitgesteuert wird. Damit ist sichergestellt,
daß auch bei dieser Schaltungsanordnung schon bei Auftreten einer unzulässig hohen
Belastung auf nur einer der beiden Stromzuführungsleitungen gegenüber dem Nullpotential
in kürzester Zeit die Stromzufuhr zum Verbraucher unterbrochen wird und daß dadurch
andere an die gleiche Stromversorgungsquelle angeschlossene Verbraucher durch einen
Zusammenbruch der Versorgungsspannung am gestörten Verbraucher nicht gestört werden.