DE19920625A1 - Schutzschaltung für einen Schalter sowie Schaltnetzteil - Google Patents

Abstract

Die Schutzschaltung für einen Schalter (T1) weist ein Speichermittel (C1) auf, das mit einem Steuereingang (G) des Schalters (T1) in Verbindung steht, und das bei einer anliegenden Steuerspannung (Ug) über Widerstandsmittel (R1) verzögert aufgeladen wird und über Schaltmittel (D2) bei einer niedrigen oder fehlenden Steuerspannung (Ug) entladen wird, sowie eine Schaltstufe (T2, T3), die mit einer Versorgungsspannung (VCC) in Verbindung steht, und die bei einer bestimmten Schwellenspannung über dem Speichermittel (C1) durchschaltet und hierdurch die Versorgungsspannung (VCC) reduziert. Bei Durchschalten der Schaltstufe (T2, T3) wird in einem Ausführungsbeispiel die von der Versorgungsspannung (VCC) abgeführte Ladung zumindest teilweise über eine Diode (D2), die parallel zu dem Speichermittel (C1) liegt, auf das Speichermittel (C1) geführt, so daß die Durchschaltphase der Schaltstufe (T2, T3) verlängert ist und das Speichermittel (C1), hier ein Kondensator, vollständig entladen wird. Die Schutzschaltung ist insbesondere geeignet für Schaltnetzteile, die in Geräten der Unterhaltungselektronik verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für Schalter, wie sie insbesondere in Schaltnetzteilen Verwendung finden, sowie ein diesbezügliches Schaltnetzteil.

In Schaltnetzteilen werden zunehmend Schalter mit einem hochohmigen Steuereingang, wie beispielsweise MOSFETs, verwendet. Durch die Hochohmigkeit des Steuereingangs kann das Schaltnetzteil bei einem Defekt in einen undefinierten Zustand geraten, durch den der Schalter zerstört werden kann. Dies ist beispielsweise möglich bei einem Kurzschluß am Ausgang des Schaltnetzteiles oder bei einer Unterbrechung der Regelschleife des Schaltnetzteiles, wodurch eine Unterbrechung des geregelten Schalterbetriebes entsteht. Es kann in diesen Fällen jedoch noch eine Restspannung an dem Steuereingang des Schalters vorhanden sein, bei Schaltnetzteilen insbesondere durch dessen Anlaufschaltung verursacht, so daß der Schalter teilweise aufgesteuert wird. Bei einem nur teilweise Aufsteuern des Schalters fließt durch diesen ein hoher Strom bei gleichzeitig noch anliegender Spannung, so daß dessen Verlustleistung zu hoch wird und er hierdurch zerstört wird.

Aus der DE 197 35 208 A1 ist ein selbstschwingendes Schaltnetzteil mit einer Schutzschaltung angegeben, die bei einem Kurzschluß ein sicheres Abschalten des Schalttransistors bewirkt. In einem Ausführungsbeispiel wird die Steuerspannung am Eingang des Schalttransistors durch eine Transistorstufe abgeleitet, so daß der Schalttransistor sicher gesperrt bleibt in einem Kurzschlußfall.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schutzschaltung sowie ein diesbezügliches Schaltnetzteil für einen Schalter anzugeben, die in einem Fehlerfall ein Aufsteuern des Schalters und hierdurch dessen Zerstörung verhindert.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Schutzschaltung der vorliegenden Erfindung enthält ein Speichermittel, das mit dem Steuereingang des Schalters verbunden ist und das bei einer anliegenden Steuerspannung über Widerstandsmittel verzögert aufgeladen wird, sowie nachfolgend bei einer fehlenden oder niedrigen Steuerspannung über Schaltmittel entladen wird. Da Schalter dieser Art üblicherweise mit Rechteckspannungen, die beispielsweise impulsbreitenmoduliert oder frequenzvariabel für eine Regelung eines Schaltnetzteiles ausgeführt sind, angesteuert werden, wird hierdurch das Speichermittel während des Ein-Signals für den Schalter langsam aufgeladen, während des "Aus"-Signals jedoch gleich wieder entladen. Hierdurch kann sich über dem Speichermittel im normalen Schalterbetrieb keine höhere Spannung aufbauen.

Die Schutzschaltung enthält außerdem eine Schaltstufe, die mit einer Versorgungsspannung für den Schalter verbunden ist, und die bei einer bestimmten Schwellenspannung über dem Speichermittel durchschaltet und hierdurch die Versorgungsspannung reduziert. Das Speichermittel ist beispielsweise ein Kondensator und die Schaltstufe eine einzelne Transistorstufe oder ein Transistorpaar, das in Thyristorschaltung beschaltet ist.

Beim Durchschalten der Schaltstufe bei der genannten Schwellenspannung wird gleichzeitig das Speichermittel über die Schaltstufe entladen. Ein Teil der von der Versorgungsspannung abgeführten Ladung wird hierbei zumindest teilweise auf die Speichermittel geführt, so daß die Durchschaltphase der Schaltstufe verlängert wird. Dies wird durch eine Diode parallel zum Speichermittel bewirkt. Diese Diode verhindert gleichzeitig ein inverses Aufladen des Speichermittels.

Die Schutzschaltung läßt sich insbesondere für Schaltnetzteile verwenden, wie sie beispielsweise in Fernsehgeräten oder Videorecordern eingesetzt werden. Schaltnetzteile dieser Art weisen üblicherweise eine Versorgungsstufe, die von einer sekundären Wicklung des Transformators gespeist wird, sowie eine Anlaufschaltung auf, die nach dem Einschalten des Schaltnetzteiles eine Versorgungsspannung liefert, bis sich das Schaltnetzteil über die Versorgungsstufe selbst versorgt.

An dem Steuereingang des Schalters liegt eine Steuerspannung an, durch die das Schaltnetzteil über eine entweder sekundärseitig oder primärseitig angeordnete Regelschaltung Ausgangsspannungen stabilisiert. Der Steuereingang ist über ein Widerstandsmittel von der Anlaufschaltung bzw. der Versorgungsstufe entkoppelt. Das Speichermittel der Schutzschaltung steht hierbei mit dem Steuereingang des Schalttransistors in Verbindung und die Schaltstufe mit der Anlaufschaltung bzw. der Versorgungsstufe.

Bei einem Fehlerfall kann der Fall auftreten, daß der geregelte Schalterbetrieb unterbrochen wird und sich am Steuereingang des Schalters beispielsweise durch die Anlaufschaltung eine Spannung aufbaut, die den Schalter zumindest teilweise durchschalten könnte. Dies wird durch die Schutzschaltung erkannt und die Versorgungsspannung bzw. die Spannung am Steuereingang des Schalters wird durch diese entsprechend reduziert, so daß keine Gefahr für den Schalter besteht.

Dem Ausgang des Schalters ist in einem Schaltnetzteil häufig ein niederohmiger Strommeßwiderstand nachgeschaltet, der eine Strominformation für die Regelschaltung liefert. Der Ausgang der Schutzschaltung ist dann vorteilhafterweise anstatt mit Masse mit dem höherliegenden Ausgang des Schalttransistors verbunden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand eines schematischen Schaltbildes näher erläutert. Es zeigt:

Figur ein Schaltnetzteil mit einer Schutzschaltung.

Das Schaltnetzteil der Figur ist über einen Netzanschluß 1 mit dem Leitungsnetz, dessen Netzspannung in einer Eingangsstufe 2, die insbesondere Filter zum Sieben von unerwünschten höherfrequenten Spannungen enthält, verbunden. Nachfolgend wird die Netzspannung in einer Schaltung 3 gleichgerichtet und über einen Ladekondensator zum Betrieb des Schaltnetzteiles gepuffert.

Diese Spannung liegt über die Primärwicklung W1 eines Transformators Tr an einem Schalter T1, in diesem Ausführungsbeispiel ein MOSFET, an. Der Schalter T1 wird durch eine rechteckförmige Steuerspannung Ug während des Betriebes periodisch ein- und ausgeschaltet zur Übertragung von Energie auf Sekundärwicklungen W2 und W3 des Transformators Tr. Die Wicklung W3 ist hierbei primärseitig angeordnet und dient über eine Versorgungsschaltung 5 zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung VCC für den Betrieb des Schaltnetzteils.

Die von der sekundärseitig angeordneten Wicklung W2 abgegebene Spannung wird über eine Diode Da gleichgerichtet und durch einen Kondensator Ca stabilisiert zur Versorgung eines externen Verbrauchers. Zur Stabilisierung dieser Ausgangsspannung wird diese abgegriffen und über einen Optokoppler 6 (oder auch über andere Übertragungsmittel, da das Schaltnetzteil in diesem Ausführungsbeispiel eine Netztrennung bewirkt) auf die Primärseite übertragen zu einer Regelschaltung 7. Durch diese wird der Steuereingang G des Schalttransistors T1 gesteuert. Die Regelschaltung 7 ist nur schematisch angedeutet und kann insbesondere auch sekundärseitig angeordnet sein. Sie kann beispielsweise eine integrierte Schaltung mit Oszillator enthalten oder auch frequenzsynchronisiert betrieben sein. Außerdem kann das Schaltnetzteil als selbstschwingendes Schaltnetzteil ausgeführt sein.

Das Schaltnetzteil enthält weiterhin einen Strommeßwiderstand Rs, über den der Ausgang des Schalttransistors T1 mit Masse M verbunden ist, und der eine Strominformation über die Größe des durch den Schalttransistor T1 hindurchfließenden Stromes für die Regelschaltung 7 liefert.

Das Schaltnetzteil enthält außerdem eine Anlaufschaltung mit einem Widerstand oder einer Widerstandskette Rm, die zum Anlaufen des Schaltnetzteiles einen Anlaufstrom Im bereitstellt, bis das Schaltnetzteil sich über die Versorgungsstufe 5 selbst versorgt. Sie kann sowohl vor als auch hinter dem Ladekondensator sowie dem Gleichrichter der Schaltung 3 angeschlossen sein. Außerdem enthält das Schaltnetzteil ein sogenanntes Snubber-Netzwerk 4 parallel zur Primärwicklung W1, das Schaltspitzen beim Sperren des Schalttransistors T1 dämpft.

Die Schutzschaltung liegt an dem Steuereingang G des Schalttransistors T1 an, dessen Steuerspannung Ug überwacht wird. Während der "Ein"-Phase des Schalttransistors T1 wird ein Kondensator C1 der Schutzschaltung über einen Widerstand R1 langsam aufgeladen. Während der "Aus"-Phase des Schalttransistors wird der Kondensator C1 schnell über eine Diode D1 wieder entladen, so daß sich über dem Kondensator C1 im Normalbetrieb keine höhere Spannung aufbauen kann. Die Diode D1 arbeitet hier als Schaltmittel, alternativ kann beispielsweise auch ein gesteuerter Transistor verwendet werden.

An dem Kondensator C1 ist ein Transistor T2 mit seinem Steuereingang angeschlossen, der im Falle eines Durchschaltens die Versorgungsspannung VCC über einen weiteren Transistor T3 auf ein niedrigeres Potential ableitet. Die beiden Transistoren T2 und T3 sind hier als Thyristorstufe geschaltet, so daß ein schnelles und effektives Durchschalten bewirkt wird. Im Normalbetrieb des Schaltnetzteiles ist der Transistor T2 immer gesperrt, da über dem Kondenstor C1 keine ausreichende Spannung aufgebaut wird zum Durchschalten des Transistors T2, wie vorangehend erläutert. An dem Steuereingang des Transistors T3 liegt ein Kondensator C2 sowie ein zu diesem parallel geschalteter Widerstand R3 an, so daß eine eventuell auftretende Störspannung kein Durchschalten des Transistors T3 und hierdurch ein Abschalten des Schaltnetzteiles bewirken kann.

Bei einem Kurzschluß auf der Ausgangsseite oder auch bei einem anderen Fehlerfall, wie beispielsweise einer Unterbrechung der Regelschleife, wird der geregelte Schalterbetrieb gestört. So versucht die Regelschaltung 7 beispielsweise bei einem Kurzschluß, den Schalttransistor T1 möglichst lange durchzuschalten, um hierdurch die Ausgangsspannung hochzuziehen. Hierdurch kann der Schalttransistor T1 überlastet werden.

Ein weiterer gefährlicher Fehlerfall ist ein Ausfall der Regelstufe 7 derart, daß diese und somit der Eingang G des Schalttransistors T1 hochohmig wird. In diesem Fall steigt die Steuerspannung Ug durch den Anlaufstrom Im kontinuierlich an. Hierdurch steigt jedoch die Spannung über dem Kondensator C1 soweit an, bis eine bestimmte Schwellenspannung erreicht wird, bei der der Transistor T2 durchschaltet. Durch diesen wird über den Transistor T3 die Versorgungsspannung VCC reduziert bzw. abgeleitet, wodurch über den Widerstand Rg die Steuerspannung Ug soweit absinkt, daß der Schalttransistor T1 wieder sperrt.

Der Ausgang des Transistors T3 ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch nicht direkt mit Masse verbunden, sondern über einen Widerstand R2 mit dem Ausgang des Schalttransistors T1, der über den Widerstand Rs mit Masse M verbunden ist. Schaltet der Transistor T3 durch, so wird durch die Spannung über R2 die Spannung über C1 angehoben, so daß der Transistor T2 länger aufgesteuert wird und die Versorgungsspannung VCC im wesentlichen abgebaut wird. Eine Diode D2, parallel zu dem Kondensator C1, verhindert hierbei ein Umpolen von C1. Gleichzeitig wird der Kondensator C1 über den Transistor T2 und eine Diode D3 vollständig entladen.

Die Schutzschaltung macht hierdurch gewissermaßen ein Reset, so daß der Schalttransistor T1 nach einer gewissen Zeit wieder in Betrieb gehen kann. Ist der Fehlerfall jedoch weiterhin noch vorhanden, so spricht die Schutzschaltung wieder an.

Problematisch sind alle Störungen, bei denen der Ausgang der Regelschaltung 7 hochohmig bleibt, so daß sich an dem Steuereingang G eine Gleichspannung aufbaut. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Oszillation des Schaltnetzteiles abbricht und keine Versorgungsspannung VCC über die Sekundärwicklung W3 mehr bereit gestellt wird, da die Anlaufschaltung über den Widerstand Rm immer aktiv bleibt. Da die Schutzschaltung zyklisch anspricht, kann das Schaltnetzteil jederzeit wieder in Betrieb gehen, wenn der Fehler behoben ist. Durch das Anheben der Spannung über dem Kondensator C1 mittels Widerstand R2 wird C1 hierbei im Fehlerfall immer vollständig entladen.

In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Bauteile folgende Werte auf:
R1 = 100 k
R2 = 470 R
R3 = 10 k
Rm = 560 k
Rg = 100 R
Rs = 4 R7
C1 = 10 µF
C2 = 10 µF.

Die Einschaltspannung des Schalttransistors T1 beträgt 5 V. VCC ist gleich 14 V.

Die Schwellenspannung beträgt etwa 1,2 Volt und wird bestimmt durch die Basis-Emitter-Spannung von T2 und der Durchschaltspannung von Diode D3. Die Diode D1 schaltet im Normalbetrieb bei einer Spannung von ca. 0,6 Volt durch. Ist die Versorgungsspannung VCC auf etwa 1,8 Volt abgesunken, so werden T2 und T3 wieder gesperrt.

Das Schaltnetzteil der Figur ist als selbstschwingendes Schaltnetzteil ausgeführt. Für andere Schaltnetzteile, beispielsweise für synchronisierte Schaltnetzteile, kann die Schutzschaltung jedoch ebenfalls verwendet werden. Sie kann sowohl für Schaltnetzteile mit als auch für solche ohne Netztrennung verwendet werden, wie beispielsweise für DC/DC- Konverter.

Claims (10)

1. Schutzschaltung für einen Schalter (T1), wobei die Schutzschaltung ein Speichermittel (C1) aufweist, das mit einem Steuereingang (G) des Schalters (T1) in Verbindung steht, und das bei einer anliegenden Steuerspannung (Ug) über Widerstandsmittel (R1) verzögert aufgeladen wird und über Schaltmittel (D2) bei einer niedrigen oder fehlenden Steuerspannung (Ug) entladen wird,
und eine Schaltstufe (T2, T3) aufweist, die mit einer Versorgungsspannung (VCC) in Verbindung steht, und die bei einer bestimmten Schwellenspannung über dem Speichermittel (C1) durchschaltet und hierdurch die Versorgungsspannung (VCC) reduziert.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Durchschalten der Schaltstufe (T2, T3) von der Versorgungsspannung (VCC) abgeführte Ladung zumindest teilweise auf das Speichermittel (C1) geführt wird, so daß die Durchschaltphase der Schaltstufe (T2, T3) verlängert ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeführte Ladung über eine Diode (D2), die parallel zu dem Speichermittel (C1) liegt, zu diesem hingeführt wird.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermittel (C1) beim Durchschalten der Schaltstufe (T2, T3) über diese (T2) entladen werden.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufe zwei Transistoren (T2, T3) enthält, die in Form einer Thyristorstufe geschaltet sind.

6. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermittel einen Kondensator (C1) aufweist, der bei einer anliegenden Steuerspannung (Ug) durch diese über die Widerstandsmittel (R1) verzögert aufgeladen wird, und daß eine Diode (D1) als Schaltmittel parallel zu dem Widerstandsmittel (R1) liegt, über die der Kondensator (C1) schnell entladen wird bei niedriger oder fehlender Steuerspannung (Ug).

7. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermittel (C1) sowie die Schaltstufe (T3) über einen Widerstand (R2) mit einem niedrigen Potential verbunden sind.

8. Schaltnetzteil mit einem Transformator (Tr), der eine Primärwicklung (W1) sowie mindestens eine Sekundärwicklung (W2, W3) aufweist, einem Schalter (T1), der in Serie zu der Primärwicklung (W1) liegt, einer Versorgungsstufe (5), die mit einer Sekundärwicklung (W3) verbunden ist und eine Versorgungsspannung (VCC) für den Betrieb des Schalters (T1) bereitstellt, und mit einer Anlaufschaltung (Rm), dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzteil eine Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.

9. Schaltnetzteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuereingang (G) des Schalters (T1) und der Anlaufschaltung (Rm) sowie der Versorgungsschaltung (5) ein zweites Widerstandsmittel (Rg) geschaltet ist, daß das Speichermittel (C1) der Schutzschaltung mit dem Steuereingang (G) des Schalters (T1) in Verbindung steht, und daß die Schaltstufe (T2, T3) mit der Anlaufschaltung (Rm) sowie der Versorgungsschaltung (5) verbunden ist.

10. Schaltnetzteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Schalters (T1) und Masse (M) ein Widerstand (Rs) geschaltet ist, und daß das niedrigere Potential der Schutzschaltung mit dem Ausgang des Schalters (T1) verbunden ist.