DE2713310B2

DE2713310B2 - Schutzanordnung für eine Niederspannungs-Steuerschaltung

Info

Publication number: DE2713310B2
Application number: DE19772713310
Authority: DE
Inventors: Yasuo Koganei Tokio Shimada (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-03-25
Filing date: 1977-03-25
Publication date: 1980-05-22
Also published as: JPS52116054A; DE2713310A1; DE2713310C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung für eine Niederspannungs-Steuerschaltung, die ein Schaltelenent steuert, um einen Lastkreis an eine Gleichstromquelle hoher Spannung anzuschalten und die Stromzufuhr von der Gleichstromquelle zum Lastkreis zu steuern, mit einer parallel zum Ausgang der Niederspannungs-Steuerschaltung geschalteten, in Richtung des Steuerstromes gepolten Dioden-Anordnung.

Aus der Zeitschrift »Wireless World« Juni 1968, Seite 154 ist bereits eine Schutzanordnung bei Auftreten von Spitzenströmen bekannt. Auch bei dieser bekannten Schutzanordnung ist ein Lastkreis an eine Gleichstromquelle mit hoher Spannung angeschlossen und es ist in Reihe mit der Last des Lastkreises ein Transistor geschaltet. Dem Steueranschluß bzw. der Basis dieses Transistors wird ein Steuerstrom zugeführt und es ist ferner parallel zum Eingang dieses Transistors eine Dioden-Anordnung geschaltet, die in Richtung des Steuerstromes gepolt ist.

Diese bekannte Schutzanordnung bietet jedoch dann keinen Schutz für eine Steuerschaltung, wenn die Dioden-Anordnung zerstört ist.

Darüber hinaus ist es beispielsweise aus der DE-AS 11 93 594 bekannt, Sicherungen am Ausgang von Steuerkreisen vorzusehen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, bei einer Schutzanordnung für eine Niederspannungs-Steuerschaltung der eingangs definierten Art die Niederspannungs-Steuerschaltung auch bei einer Zerstörung des Schaltelementes des Lastkreises sowohl gegen einen Überstrom als auch gegen eine Überspannung wirksam mit einfachsten Mitteln zu schützen.

Ausgehend von der Schutzanordnung der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Steuerleitung von der Niederspannungs-Steuerschaltung zu dem Schaltelement zwischen diesem und dem Anschluß der Diodenanordnung ein Selbstunterbrecherelement zwischengeschaltet ist, welches derart bemessen ist, daß es bei Durchbruch der hohen Gleichspannung auf die Niederspannung der Steuerschaltung anspricht.

Erfindungsgemäß wird somit im Falle einer Zerstö

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rung des Schaltelementes im Lastkreis die dabei entstehende Überspannung über das Selbstunterbrecherelement zur Diodenanordnung geleitet, die dadurch in den niederohmigen Zustand gelangt, so daß über die Diodenanordnung und über das Selbstunterbrecherelement ein vergleichsweise hoher Strom fließt, der erst dann zur Unterbrechung des Selbstunterbrecherelements führt, so daß effektiv sowohl ein wirksamer Überspannungsschutz als auch ein wirksamer Überstromschutz für die Niederspannungs-Steuerschaltung realisiert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Erfindung dadurch noch eine Weiterbildung erfahren, daß die Dioden-Anordnung aus einer Zenerdiode besteht

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Schutzanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 ein Schaltbild einer Servovorrichtung, bei welcher die Vorrichtung gemäß F i g. 1 angewandt wird,

F i g. 3 ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Darlington-Brückenschaltung vorgesehen ist,

Fig.4 ein Schaltbild einer weiter abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Zener-Diode an eine Schutzschaltung angeschlossen ist, und

F i g. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Bypaß-Schutzschaltung als Schutzschaltung vorgesehen ist.

Gemäß Fig. 1 ist eine Reihenschaltung aus einer Gleichstromversorgung 12 und einer Last 13 in Reihe an die Kollektor-Emitterstrecke eines Hochleistungstransistors U angeschlossen, bei dem die Kollektor-Basis-Spannung V_reo600 V, die Kollektor-Emitter-Spannung Vce 450 V, die Emitter-Basis-Spannung Veto 5 V, der Kolltktorstrom Ic 50 A, der Kollektor-Spitzenstrom Icpfak 100 A (1 ms), der Basisstrom //? 3 A und der Stromverstärkungsfaktor /f/e=1000 betragen. Eine Schutzdiode 14 ist in Rückwärts- bzw. Sperrichtung zwischen Basis und Emitter des Hochieistungstransistors 11, im folgenden auch einfach als »Transistor« bezeichnet, geschaltet. Die Basis des Transistors 11 ist mit einer positiven bzw. Plus-Ausgangsklemme Ti einer Basissteuerschaltung 16 über ein selbstabschaltendes Element (15), beispielsweise einen in einem Gehäuse vergossenen Schutzschalter oder eine Schmelzsicherung, verbunden. Eine Diodenanordnung 17 aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Dioden ist in Sperrichtung zwischen positive und negative Ausgangsklemmen T\ bzw. 7"2 der Basissteuerschaltung 16 eingeschaltet, welche ihrerseits eine äußere Steuersignalquelle 16a, einen durch ein Steuersignal von der Steuersignalquelle 16a angesteuerten Optoisolator 16b und einen durch ein Ausgangssignal vom Optoisolator 16 gesteuerten Transistor 16c umfaßt. Der Kollektor des Optoisolators 16c ist mit der Basis eines Transistors 16c und außerdem mit der Plusklemme einer Hilfs-Gleichstromquelle 18 über einen Widerstand 16</ verbunden. Der Kollektor des Transistors 16cliegt über die positive Ausgangsklemme Tj und die Sicherung an der Basis des Transistors 11 und außerdem über einen Widerstand 16e an der Plusklemme der Hilfs-Gleichstromquelle 18. Der Emitter des Transistors 16c ist mit dem Emitter des Optoisolators 16b und außerdem mit der Minusklemme

der Gleichstromquelle 18 und weiterhin über die negative Ausgangsklemme 7} mit dem Emitter des Transistors 11 verbunden.

Wenn der Optoisolator i6b bei der beschriebenen Schalterkreisvorrichtung durch ein Steuersignal von der äußeren Steuerschaltung 16a durchgeschaltet wird, sperrt der Transistor 16c. Infolgedessen wird der positiven Ausgangsklemme Γι der Basissteuerschaltung 16 eine positive Spannung aufgeprägt, so daß der Transistor 11 durchschaltet und mithin die Last 13 mit Strom von der Gleichstromquelle 12 beschickt wird. Wenn dagegen der Optoisolator 166 sperrt und dadurch der Transistor 16c durchgeschaltet wird, wird der Transistor 11 negativ bzw. in Gegenrichtung vorgespannt, so daß er sperrt. Der Transistor 11 wird somit durch ein Ausgangssignal der Basissteuerschaltung 16 angesteuert wodurch die Stromzufuhr zur Last 13 gesteuert wird.

Die in F i g. 2 dargestellte Servovorrichtung weist vier Schalterkreise SCi—SC₄ auf, die jeweils auf die in Fig. 1 dargestellte Weise angeordnet und zusammengeschaltet sind, und sie enthält einen als Last dienenden Gleichstrommotor M. Wenn in den Schalterkreisen SQ, SCi vorgesehene Hochleistungstransistoren 77?i, TRi durchschalten, fließt Strom über eine Reihenschaltung aus dem Transistor TR 1, dem Gleichstrommotor Mund dem Transistor TR 4, so daß der Motor M in Normalrichtung angetrieben, d. h. in Drehur g versetzt wird. Wenn die Transistoren TR 1, TR 4 sperren und die Transistoren TR 2, TR 3 durchschalten, fließt der Strom über eine Reihenschaltung aus dem Transistor TR 3. dem Gleichstrommotor M und dem Transistor TR 2, so daß der Motor Min Gegenrichtung läuft.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 erläutert. Mit // ist dabei der Strom bezeichnet, der im Normalbetrieb des Schaltkreises über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors U durch die Last 13 fließt. Der Basistrom l_b des Transistors Xi läßt sich in diesem Fall durch folgende Gleichung ausdrucken:

L =

I + /.'Ο

in welcher β O den Stromverstärkungsfaktor des Transistors 11 bezeichnet. Im folgenden sei angenommen, daß bei nicht vorgesehener Schutzdioden-Reihenschaltung 17 eine Störung auftritt, bei welcher der Transistor U zerstört, die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors U voll durchgeschaltet und auch seine Kollektor-Emitter-Strecke geöffnet wird. Der Strom fließt dabei von der Gleichstromquelle t2 über die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 11 zur Sicherung IS, zur Basissteuerschaltung 16 und zur Last 13. Hierbei wird der positiven Ausgangsklemme Ti der Basissteuerschaltung 16 von der Gleichstromquelle 12 eine Spannung (normalerweise etwa 300 V) aufgeprägt. Die Basissteuerschaltung 16 besteht jedoch aus einem Niederspannung-Schaltkreiselement, das von der Gleichstromversorgung 18 durch eine Spannung von z. B. 6 V erregt wird, nämlich aus einem Optoisolator 16/> und einem Transistor 16c. Wenn daher die positive Ausgangsklemme Ti mit der hohen Spannung von 300 V beaufschlagt wird, werden die Schaltkreiselemente 16b und 16c wegen ihres ungenügenden Spannungswiderstands durch diese unzulässige hohe Spannung zerstört. Ein über die Basissteuerschaltung 16 fließender Stör- bzw. Fehlerstrom 4 läßt sich hierbei durch die Gleichung

Is =

V₁ - V₁
Z₁,

ausdrucken, in welcher

Vc die Kollektorspannung des Transistors 11 entsprechend dem Spannungspegel der Gleichstromquelle 12,

Vf die Emitterspannung des Transistors 11 und Z) die Ausgangsimpedanz der Basissteuerschaltung 16

bedeuten.

Der über die Basissteuerschaltung 16 fließende Strom besitzt im allgemeinen etwa den gleichen Pegel wie der Basisstrom 4 des Transistors tt. Infolgedessen läßt sich die Ausgangsimpedanz Z₀ der Basissteuerschaltung 16 ausdrücken als

(mit £2= Spannung der Gleichstromquelle 18).

Wenn der Transitor 11 ausfällt, erhält die Basisteuerschaltung 16 einen Stör- oder Fehlerstrom Is entsprechend '' ''

Z₁.

gemäß Gleichung (2).

Bei Substitution von Gleichung (3) in Gleichung (2) erhält man

iV< = V₁)

Infolgedessen erhält die Basissteuerschaltung 16 einen Stör- oder Fehlerstrom Is, der um das (Vc— Vy/Erfache größer ist als der Strom h und entgegengesetzt zu letzterem fließt. Beim Fließen eines so großen Fehlerstroms würde die Basissteuerschaltung 16 zerstört werden. Ein andauernder Fluß dieses Störoder Fehlerstroms würde zu einem Durchbrennen der Basissteuerschaltung 16 führen.

Der Schalterkreis gemäß der Erfindung ist jedoch mit einer Schutzschaltung versehen, die aus der zwischen der Basis des Transistors 11 und der positiven Ausgangsklemme Π der Basissteuerschaltung 16 liegenden (Schmelz-)Sicherung 15 und der zwischen die Ausgangsklemmen Ti und T2der Basissteuerschaltung 16 eingeschalteten Diodenreihenschaltung 17 besteht. Wenn somit der Transistor 11 ausfällt und seine Basis die Kollektorspannung von etwa 300 V erhält, fließt daher der größte Teil des Fehlerstroms über die Diodenreihenschaltung 17, wodurch eine über die Ausgangsklemmen Π und T2 der Basissteuerschaltung 16 anliegende Spannung auf einen niedrigeren als den vorgeschriebenen Pegel beschränkt wird. Die Diodenreihenschaltung 17 wirkt als Dioden-Bezugsschahung, welche in Durchlaßrichtung einer niedrigen Spannung einen hohen Widerstand und einer hohen Spannung einen niedrigen Widerstand bietet und dadurch die Spannung an den Ausgangsklemmen Π und T2 der Basissteuerschaltung 16 auf einen niedrigeren als den

vorgeschriebenen Pegel begrenzt. Die in der Basissteuerschaltung 16 enthaltenen Transistoren werden folglich vor einer Zerstörung aufgrund eines zu geringen Widerstands gegenüber einen hohen Spannung geschützt. Falls eine noch wesentlich höhere Spannung ·, auftritt, schmilzt die Sicherung 15 durch, so daß der Fehlerstrom augenblicklich unterbrochen und dadurch die Basissteuerschaltung 16 vor einer Zerstörung durch Brand bzw. Durchbrennen geschützt wird. Die (Schmelz-)Sicherung 13 wird mit einer Nennstromstär- m ke entsprechend dem l,5fachen eines Mindest-Basisstroms

gewählt, der für die Sättigung des Emitterpotentials des Hochleistungstransistors 11 erforderlich ist.

Bei einem Ausfall des Transistors 12 wird der Basissteuerschaltung der Schalterkreisvorrichtung, wie erwähnt, weder eine unzulässig hohe Spannung, noch ein übermäßig großer Strom aufgeprägt, so daß die Basissteuerschaltung vor Zerstörung oder Durchbrennen geschützt ist.

Gemäß Fig.3 die eine Schalterkreisvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt, ist eine Hochleistungstransistorschaltung 21 für eine Last aus einer in Darlington-Brückenschaltung angeordneten Transistorschaltung gebildet. Dabei ist die Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors 21a mit der Gleichstromquelle 12 und einem Lastkreis 13 verbunden. Die Basis des ersten Transistors 21a liegt an seinem Kollektor, der seinerseits über die Emitter-Basis-Strecke eines zweiten Transistors 21b an die positive bzw. Plus-Ausgangsklemme der Gleichstromquelle 12 angeschlossen ist. Die Basis des zweiten Transistors 21Zj ist über die Sicherung 15 mit der positiven Ausgangsklemme Ti der Basissteuerschaltung 16 und außerdem über in Reihe geschaltete Widerstände 21c und 21c/mit dem Emitter des ersten Transistors 21a verbunden. Die Verzweigung zwischen det Widerständen 21c und 21c/ ist an die Verzweigunj zwischen der Basis des ersten Transistors 21a und den Emitter des zweiten Transistors 21 b angeschlossen. Di< beschriebene Darlington-Transistorschaltung ermög licht die Steuerung eines großen Laststroms mittel· eines annehmbar niedrigen Steuerstroms. Bei dei Darlington-Brückenschaltung muß daher eine Schutz schaltung speziell für die Basissteuerschaltung K vorgesehen sein. Aus diesem Grund enthält die zweiti Ausführungsform gemäß F i g. 3, ebenso wie in F i g. 2 eine Schutzschaltung aus einer (Schmelz-)Sicherung Ii und einer Diodenreihenschaltung 17.

Bei der weiter abgewandelten Ausführungsform dei erfindungsgemäßen Schalterkreisvorrichtung gemät Fig. 4 ist die in der Schutzschaltung von Fig. I vorgesehene Diodenreihenschaltung 17 durch eim Zener-Diode 22 ersetzt, die zwischen die Ausgangs klemmen 7"! und T2 der Basissteuerschaltung K geschaltet ist. Die Zener-Diode 22 begrenzt ebenfall: eine an den Ausgangsklemmen 7"1 und 7~2 dei Basissteuerschaltung 16 liegende Spannung auf einer niedrigeren als den vorgeschriebenen Pegel, so daß dit Basissteuerschaltung 16 vor Zerstörung oder Durch brennen geschützt ist.

Bei der weiter abgewandelten Ausführungsform dei Schalterkreisvorrichtung gemäß Fig.5 ist stellvertre tend für die Schutzdiode 17 oder 22 eine Diode 23 ir Durchlaßrichtung von der Verzweigung zwischen dei Sicherung 15 und der positiven Ausgangsklemme 7*1 der Basissteuerschaltung 16 zur positiven Ausgangs klemme einer Hilfs-Gleichstromquclle 18 geschaltet Wenn der Transistor 11 ausfällt und sich die Spannung an seiner Basis auf einen erheblichen Wert erhöht, wirk die Diode 23 der Schutzschaltung gemäß Fig. 5 al: Bypaß bzw. Nebenweg. Ein Fehlerstrom umgeht dabe die Elemente über die Diode 23 so daß dii Basissteuerschaltung 16 vor Zerstörung oder Durch brennen geschützt ist.

Die Schutzschaltungen gemäß Fig.4 und 5 könner auch bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig.! angewandt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzanordnung für eine Niederspannungs-Steuerschaltung, die ein Schaltelement steuert, um einen Lastkreis an eine Gleichstromquelle hoher Spannung anzuschalten und die Stromzufuhr von der Gleichstromquelle zum Lastkreis zu steuern, mit einer parallel zum Ausgang der Niederspannungs-Steuerschaltung geschalteten, in Richtung des in Steuerstroms gepolten Dioden-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß in die Steuerleitung von der Niederspannungs-Steuerschaltung (16) zu dem Schaltelement (11) zwischen diesem und dem Anschluß der Diodenanordnung (17) ein Selbstun- η terbrecherelement (Sicherung 15) zwischengeschaltet ist, welches derart bemessen ist, daß es bei Durchbruch der hohen Gleichspannung auf die Niederspannung der Steuerschaltung (16) anspricht.

2. Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenanordnung (17) aus einer Zenerdiode (22) besteht.