DE3138282C1 - Schutzschaltung für einen Schalttransistor - Google Patents

Description

• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Auslöseelement ein Thyristor ist, dessen Anoden-Kathoden-Strecke parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors liegt, daß in Reihe zum Schwellwertelement der Steuerkreis eines zweiten Auslöseelements liegt, das in einer vorgeschalteten Ansteuereinheit die Ansteuerimpulse für den Schalt- transistor blockiert und daß die Basis des Hilfstransistors mit der Ansteuerleitung des Schalttransistors über ein Verzögerungsglied verbunden ist.
• Bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung werden also die Ansteuerimpulse dem Hilfstransistor über ein Verzögerungsglied verzögert zugeführt, so daß das Auslöseelement erst nach Ablauf der Einschaltzeitdes Schalttransistors ansprechen kann. Als erstes Ausloseelement wird mit geringem Aufwand ein Thyristor eingesetzt, der insbesondere den Vorteil hat, daß er ohne weitere Maßnahmen ein Selbsthalteverhalten aufweist. Der Thyristor bleibt nämlich so lange leitend, bis der anstehende Ansteuerimpuls beendet ist. Allerdings wird der Schalttransistor mit einem neuen Ansteuerimpuls wieder eingeschaltet, bis die Schutzschaltung erneut anspricht. Für viele Schalttransistoren ist jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Einschaltungen bei Überlast zulässig. Außerdem kann bei höheren Ansteuerleistungen der als Auslöseelement verwendete Thyristor beschädigt werden, wenn der Ansteuerimpuls erhalten bleibt. Die für den verwendeten Zweck erforderlichen schnellen Thyristoren sind nämlich nur mit begrenzter Leistung erhältlich. Aus diesen Gründen ist ein zweites Auslöseelement vorgesehen, das in einer vorgeschalteten Ansteuereinheit die Ansteuerimpulse für den Schalttransistor blockiert. Diese Blockierung kann beispielsweise durch eine manuelle Quittierung in der vorgeschalteten Ansteuereinheit wieder aufgehoben werden. Durch die Ansteuerung der Auslöseelemente über ein Schwellwertglied wird der Auslösepunkt von der Versorgungsspannung unabhängig.
• Zwischen dem Emitter des Schalttransistors und der Kathode des Thyristors kann ein weiteres Schwellwertelement eingefügt sein. Damit wird das Basispotential des Schalttransistors beim Zünden des Thyristors niedriger, so daß der Schalttransistor schneller und zuverlässiger ausschaltet.
• Das zweite Auslöseelement kann vorteilhafterweise ein Optokoppler sein, dessen Leuchtdiode in Reihe zum Schwellwertelement geschaltet ist und dessen Fototransistor mit einem Sperreingang der vorgeschalteten Ansteuereinheit verbunden ist. Damit wird auf einfache Weise eine galvanische Trennung zwischen dem Steuerkreis des zweiten Auslöseelements und der Ansteuereinheit erreicht.
• Dem Steuerkreis des zweiten Auslöseelements kann ein Kondensator parallel geschaltet sein. Dieser Kondensator liefert unverzögert einen Stromstoß zur Zündung des Thyristors.
• Dem zweiten Auslöseelement kann ein Zähler nachgeschaltet sein, der die Ansteuerimpulse in der vorgeschalteten Ansteuereinheit erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Auslöseimpulsen des zweiten Auslöseelements sperrt. Damit wird die Ansteuereinrichtung nicht bereits beim ersten Ansprechen der Schutzschaltung stillgelegt, sondern erst nach einer in Abhängigkeit von der Belastbarkeit des Schalttransistors und des Thyristors vorgebbaren Anzahl von Auslöseimpulsen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand derF i g. 1 und 2 näher erläutert Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegt eine Last 12 über einen Schalttransistor 1 an einer Versorgungsspannungsquelle. Der Schalttransistor 1 wird von einer Ansteuereinheit 6 angesteuert, deren Ausgang mit der Primärwicklung 11a eines Ansteuerübertragers 11 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 11 b des Ansteuerübertragers 11 ist einerseits mit der Basis des Schalttransistors 1 und andererseits mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden. Ferner ist der Emitter des Schalttransistors 1 über ein aus zwei antiparallel geschalteten Dioden 21a, 21b bestehendes Schwellwertelement 21 mit dem Bezugspotential verbunden. Zwischen dem Kollektor des Schalttransistors 1 und dem Bezugspotential liegt die Reihenschaltung einer Z-Diode 3, eines Kondensators 8, eines Hilfstransistors 4 und eines Widerstandes 10. Der Verbindungspunkt zwischen Emitter des Hilfstransistors 4 und Widerstand 10 ist mit dem Gate eines Thyristors 2 verbunden, dessen Anode mit der Basis des Schalttransistors 1 und dessen Kathode mit dem Bezugspotential verbunden ist Dem Kondensator 8 ist die Reihenschaltung einer Z-Diode 13 und der Leucht-Diode 5a eines Optokopplers 5 parallel geschaltet. Der Emitter des Fototransistors 5b des Optokopplers 5 ist mit dem Bezugspotential der Ansteuerschaltung 6 und der Kollektor des Fototransistors 5b mit einem Sperreingang Sp der Ansteuerschaltung 6 verbunden.
• Zwischen der Basis des Schalttransistors 1 und dem Bezugspotential liegt ferner das aus der Reihenschaltung eines Widerstands 7a und eines Kondensators 7b bestehende RC-Glied 7. Dem Kondensator 7b ist ein Entladewiderstand 9 parallel geschaltet. Das RC-Glied 7 dient als Verzögerungsglied für die Ansteuerung des Hilfstransistors 4.
• Wenn die Ansteuerschaltung 6 einen Ansteuerimpuls abgibt, so wird über den Ansteuerübertrager 11 der Schalttransistor 1 und - nach einer durch die Zeitkonstante des RC-Gliedes 7 vorgegebenen Verzögerungszeit - auch der Hilfstransistor 4 leitend geschaltet. Wenn der Spannungsabfall am Schalttransistor 1 plus die Schwellspannung des Schwellwertelements 21 nach Ablauf der Verzögerungszeit des RC-Gliedes 7, d. h. bei leitendem Hilfstransistor 4 die Zenerspannung der Z-Diode 3 überschreitet, so fließt über die Reihenschaltung von Z-Diode 3, Kondensator 8, Hilfstransistor 4 und Widerstand 10 ein Strom. Die Zenerspannung der Z-Diode ist dabei so gewählt, daß diese nur bei Überlastung des Schalttransistors 1 leitend wird. Der Stromfluß über die genannte Serienschaltung erzeugt am Widerstand 10 einen Spannungsabfall, der den Thyristor 2 in den leitenden Zustand schaltet.
• Dadurch wird die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors 1 überbrückt, d. h. der Ansteuerimpuls kurzgeschlossen. Der Schalttransistor 1 sperrt daher, so daß der schädliche Überstrom verschwindet Durch die Schwellspannung der Diode 21a wird die Basis-Emitterspannung des Schalttransistors 1 bei gezündetem Thyristor 2 verringert, so daß der Sperrvorgang beschleunigt wird. Außerdem sind damit auch Thyristoren mit einer relativ hohen Durchlaßspannung, die ansonsten zum sicheren Sperren des Schalttransistors 1 nicht geeignet wären, einsetzbar.
• Mit dem Einfügen des durch den Ansteuerimpuls verzögert angesteuerten Hilfstransistors 4 wird erreicht, daß die Schutzschaltung nur bei anstehendem Ansteuerimpuls wirksam wird. Ansonsten würde die im Sperrzustand des Schalttransistors 1 anstehende Sperrspannung, die die Zener-Spannung der Z-Diode 3 übersteigt, ebenfalls zu einem Zünden des Thyristors 2 führen. Die Ansteuerung des Hilfstransistors 4 muß gegenüber dem Schalttransistor 1 verzögert sein, da die Spannung am Schalttransistor 1 erst nach Ablauf von dessen Einschaltzeit abklingt Nach einem Durchzünden des Thyristors 2 bleibt dieser unabhängig von einem Zündimpuls so lange leitend, bis der Ansteuerimpuls wieder verschwindet.
• Bei einem erneut auftretenden Ansteuerimpuls wird der Schalttransistor d wieder eingeschaltet und - falls die Überlastungsursache noch nicht beseitigt ist - durch Zünden des Thyristors 2 wieder ausgeschaltet. Dies würde also zu einem ständigen Aus- und Einschalten des Schalttransistors 11 bei Überlast führen. Dies könnte schließlich eine Zerstörung des Schalttransistors 9 verursachen. Außerdem ist der für das Abschalten des Schalttransistors 1 erforderliche schnelle Thyristor 2 nur mit begrenzter Schaltleistung erhältlich. Bei der Ansteuerung sehr leistungsstarker Schalttransistoren 1 weist jedoch der kurzzuschließende Ansteuerimpuls bereits eine erhebliche Leistung auf, so daß der Thyristor 2 bei ständig anstehendem bzw. periodisch wiederkehrenden Ansteuerimpuls überlastet werden könnte. Es ist daher ein zweites Auslöseelement in Form des Optokopplers 5 vorgesehen, das bei leitendem Fototransistor 5 über einen Sperreingang Sp der Ansteuereinheit 6 die Ansteuerimpulse sperrt. Dabei ist der Leuchtdiode 5a des Optokopplers 5 eine weitere Z-Diode 13 vorgeschaltet Mit dieser weiteren Z-Diode 13 wird verhindert, daß der Optokoppler 5 beim normalen Abschalten angesteuert wird. Während der Speicherzeit des Schalttransistors t steigt nämlich dessen Kollektor-Emitter-Spannung schon an, während der Hilfsthyristor 5 erst nach Ablauf seiner Speicher-und Fallzeit sperrt und damit die Schutzschaltung blockiert. Mit der zusätzlichen Spannungsschwelle der Z-Diode 13 kann diese Spannungserhöhung am Schalttransistor 1 abgefangen werden.
• Bei der beschriebenen Schutzschaltung wird also bei Überlastung des Schalttransistors 1 der Ansteuerimpuls auf zweifache Weise blockiert, und zwar einmal direkt durch Kurzschließen der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors und zum zweiten durch Sperre der Ansteuerimpulse in der Ansteuereinheit 6. Die Sperre in der Ansteuereinheit 6 allein wäre für einen sicheren Überlastschutz zu langsam. Bei einem alleinigen Kurzschließen der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors 1 bestünde andererseits wie bereits beschrieben die Gefahr einer Überlastung des Schalttransistors 11 und des Thyristors 2 durch ständig wiederkehrende Ansteuerimpulse. Für einen sicheren Schutz insbesondere von Hochleistungs-Schalttransistoren sind daher beide Maßnahmen erforderlich. In Abhängigkeit von den Belastungsgrenzen des Schalttransistors 1 bzw. des Thyristors 2 kann es jedoch u. U. ausreichen, wenn die Ansteuereinheit 6 erst nach einer bestimmten Anzahl von Ansteuerimpulsen endgültig ausgeschaltet wird. In diesem Fall wird die Störanfälligkeit verringert, da nach einer kurzzeitigen Überlastung die Schaltung selbst wieder in den Normalbetrieb übergeht.
• Wie in F i g. 2 dargestellt, kann dies dadurch erreicht werden, daß zwischen dem Fototransistor 5b und dem Sperreingang Sp der Ansteuereinheit 6 ein Zähler 14 eingefügt ist, der auf eine entsprechende Anzahl von Ansteuerimpulsen eingestellt ist. Abgesehen von der im folgenden beschriebenen Abwandlung der Ansteuerung des Hilfstransistors 4 entspricht die Schaltung nach F i g. 1 der Schaltung nach F i g. 2.
• Bei der Schaltung nach F i g. 2 ist zur verzögerten Ansteuerung des Hilfstransistors 4 ein weiterer Hilfstransistor 115 vorgesehen. Damit soll der Einschaltzeitpunkt des Hilfstransistors 4 eindeutiger definiert werden. Bei der Schaltung nach F i g. 1 steigt die Emitter-Spannung des Hilfstransistors 4 wegen des Widerstandes 10 an, sobald dieser zu leiten beginnt.
• Damit ist also die Basis-Emitter-Spannung nicht allein durch das RC-Glied 7 vorgegeben. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist bei der Schaltung nach F i g. 2 zwischen einem Anschluß der Sekundärwicklung des Ansteuerübertragers 12 und der Basis des Hilfstransistors 4 die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke des weiteren Hilfstransistors 15 und eines Basis-Widerstands 18 angeordnet. Zwischen den beiden Anschlüssen der Sekundärwicklung 11 b liegt das aus der Reihenschaltung des Kondensators 7b und des Widerstands 7a bestehende RC-Glied 7. Dabei ist der Widerstand 7a dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung zugewandt. Der Kondensator 7b ist von der Reihenschaltung eines Widerstands 16 und einer für den Ansteuerimpuls in Leitrichtung gepolten Diode 17 überbrückt. Der Verbindungspunkt von Widerstand 16 und Diode 17 ist mit der Basis des weiteren Hilfstransistors 15 verbunden. Zwischen die direkt mit der Sekundärwicklung 11 b verbundenen Anschlußpunkte des Kondensators 7, des Widerstands 16 und des weiteren Hilfstransistors 15 und den Verbindungspunkt des Thyristors 2 mit der Basis des Schalttransistors list ein Widerstand 20 eingefügt.
• Wenn an der Sekundärwicklung 11 ein Ansteuerimpuls auftritt, so ist die Basis-Emitter-Spannung des weiteren Hilfstransistors 15 noch niedrig, solange der Kondensator 7b noch nicht aufgeladen ist. Wenn jedoch der Kondensator 7b nach Aufladung über den Widerstand 7a eine ausreichende Spannung aufweist, so schaltet der weitere Hilfstransistor 15 durch und steuert über den Basis-Vorwiderstand 18 den Hilfstransistor 4 in den leitenden Zustand. Da der Emitter des weiteren Hilfstransistors 15 unmittelbar mit einem Anschluß des Kondensators 7b verbunden ist, hängt die Basis-Emitter-Spannung lediglich von der am Kondensator 7b anstehende Spannung ab. Der Schaltzeitpunkt des weiteren Hilfstransistors 15 und damit auch der Schaltzeitpunkt des Hilfstransistors 4 ist daher mit dem RC-Glied 7 einfach zu dimensionieren. Der Widerstand 20 verhindert, daß mit dem Einschalten des Thyristors 2 auch die Versorgungsspannung für den weiteren Hilfsthyristor 15 kurzgeschlossen wird. Am weiteren Hilfstransistor 15 steht vielmehr auch nach Einschalten des Thyristors 2 der Ansteuerimpuls an, so daß der Hilfstransistor 4 durchgesteuert bleibt.
• - Leerseite - - L e e r s e i t e -

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Schutzschaltung für einen Schalttransistor mit einem ersten Auslöseelement mit Selbsthaltung, dessen Steuerkreis in Serienschaltung mit einem Schwellwertelement und einem Hilfstransistor dem Schalttransistor parallel geschaltet ist, wobei die Basis des Hilfstransistors mit einer Ansteuerleitung des Schalttransistors verbunden ist, über die der Hilfstransistor bei anstehendem Ansteuerimpuls für den Schalttransistor leitend geschaltet wird und wobei das erste Auslöseelement den Schalttransistor ausschaltet, wenn der Spannungsabfall am Schalttransistor einen vorgegebenen Wert überschreitet, dadurch .gekennzeichnet, daß das erste Auslöseelement ein Thyristor (2) ist, dessen Anoden-Kathoden-Strecke parallel zur Basis-Emitter-Strekke des Schalttransistors (1) liegt, daß in Reihe zum Schwellwertelement (3) der Steuerkreis (5a) eines zweiten Auslöseelements (5) liegt, das in einer vorgeschalteten Ansteuereinheit (6) die Ansteuerimpulse für den Schalttransistor (t) blockiert und daß die Basis des Hilfstransistors (48 mit der Ansteuerleitung des Schalttransistors (n) über ein Verzögerungsglied (7) verbunden ist.
2. 2. Schutzschaltung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitter des Schaittransistors (fl) und der Kathode des Thyristors (2) ein weiteres Schwellwertelement (2fl) eingefügt ist.
3. 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Auslöseelement (5) ein Optokoppler ist, dessen Leuchtdiode (5a) in Reihe zum Schwellwertelement (3) geschaltet ist und dessen Fototransistor (Sb) mit einem Sperreingang der vorgeschalteten Ansteuereinheit (6) verbunden ist.
4. 4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuerkreis (5a) des zweiten Auslöseelements (5) ein Kondensator (8) parallel geschaltet ist.
5. 5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Auslöseelement (5) ein Zähler (1L4) nachgeschaltet ist, der die Ansteuerimpulse in der vorgeschalteten Ansteuereinheit (6) erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Auslöseimpulsen des zweiten Auslöseelements (5) sperrt.

   Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen Schalttransistor mit einem ersten Auslöseelement mit Selbsthaltung, dessen Steuerkreisin Serienschaltung mit einem Schwellwertelement und einem Hilfstransistor dem Schalttransistor parallel geschaltet ist, wobei die Basis des Hilfstransistors mit einer Ansteuerleitung des Schalttransistors verbunden ist, über die der Hilfstransistor bei anstehendem Ansteuerimpuls für den Schalttransistor leitend geschaltet wird und wobei das erste Auslöseelement den Schalttransistor ausschaltet, wenn der Spannungsabfall am Schalttransistor einen vorgegebenen Wert überschreitet.

   Eine derartige Schutzschaltung ist aus der DE-AS ii 09 786 bekannt. Dabei wird die Transistoreigenschaft ausgenutzt, daß die an einem durchgesteuerten Transistor anstehende Spannung schnell ansteigt, wenn der Transistor mit unzulässig hohen Strömen belastet wird.

   In diesem Fall wird das dem Schalttransistor parallel geschaltete Schwellwertelement leitend, so daß das in Serie zum Schwellwertelement liegende Auslöseelement angesteuert wird. Dieses Auslöseelement sperrt den zu schützenden Schalttransistor oder schaltet diesen aus. Um zu verhindern, daß das Auslöseelement auch im Sperrzustand des Schalttransistors, bei dem stets eine verhältnismäßig hohe Sperrspannung am Schalttransistor ansteht, auslöst, wird ein dem Auslöseelement vorgeschalteter Hilfstransistor nur bei einem für den Schalttransistor anstehenden Ansteuerimpuls leitend geschaltet. Als Auslösegerät kann bei der bekannten Anordnung ein Relais mit Selbsthaltewicklung oder ein Multivibrator, der im Überlastfall den zu schützenden Schalttransistor periodisch ein- und ausschaltet, eingesetzt werden.

   Bei dieser bekannten Anordnung wird also der Schalttransistor sofort wieder gesperrt, wenn bei anstehendem Ansteuerimpuls seine Kollektor-Emitter-Spannung einen Schwellwert überschreitet. Bei Schalttransistoren bricht jedoch die Basis-Emitter-Spannung erst nach einer bestimmten Einschaltzeit nach Anlegen eines Ansteuerimpulses zusammen. Diese Einschaltzeit nimmt insbesondere bei größeren Leistungstransistoren beachtliche Werte an, so daß bei der bekannten Anordnung die Gefahr besteht, daß bei jedem Einschalten des Schalttransistors auch ohne Überstrom stets das Auslöseelement anspricht.

   Aus der DE-AS 12 86 631 ist eine Überlastschutzeinrichtung für- Schalttransistoren bekannt, bei der der zu schützende Schalttransistor mit einem Hilfstransistor ein bistabiles Kippglied bildet. Wenn bei eingeschaltetem Schalttransistor der Spannungsabfall am Schalttransistor einen vorgegebenen Wert übersteigt, so wird der Hilfstransistor über eine Diode und einen der Basis des Hilfstransistors vorgeschalteten Spannungsteiler in den leitenden Zustand geschaltet. Damit sperrt der Schalttransistor. Der Zustand: »Schalttransistor gesperrt - Hilfstransistor leitend« bleibt so lange erhalten, bis das Ansteuersignal für den Schalttransistor verschwindet. Bei erneutem Auftreten des Ansteuersignals wird der Schalttransistor wieder leitend. Damit kurze Einschaltstromstöße, beispielsweise bei Glühlampen-Last nicht zur Abschaltung des Schalttransistors führen, ist dem Spannungsteiler ein Kondensator parallel geschaltet, der das Ansprechen der Überlast-Schutzeinrichtung verzögert. Bei dieser Anordnung wird der Schalttransistor auch bei vorhandener Überlast mit jedem neuen Ansteuerimpuls für kurze Zeit eingeschaltet. Schalt- und Hilfstransistor müssen daher für eine entsprechende Belastung ausgelegt sein.

   Außerdem ist bei der bekannten Schaltung die Spannungsteilerspannung und damit auch der Abschaltpunkt von der Versorgungsspannung abhängig.

   Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schutzschaltung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine Fehlauslösung der Schutzschaltung beim Einschalten des Schalttransistors mit Sicherheit verhindert wird und daß im Überlastfall die Ansteuerimpulse gesperrt werden.