DE3732334A1

DE3732334A1 - Einrichtung und schaltungsanordnung zum schutz gegen ueberstrom und ueberspannung

Info

Publication number: DE3732334A1
Application number: DE19873732334
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Ing Melchert
Original assignee: Kloeckner Moeller Elektrizitaets GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1987-09-25
Publication date: 1989-04-27
Also published as: DE3732334C2

Description

Die Erfindung beschreibt eine Einrichtung und Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Überstrom und Über spannung insbesondere als Schutzeinrichtung in als Schalt netzteile konfigurierte Stromversorgungseinheiten, die vorzugsweise in elektronischen Steuerungssysteme eingesetzt werden und aus einem Steuerungsteil mit Ansteuermodul, Steuerübertrager und Steuertransistoren, und aus einem Leistungsteil mit Leistungsübertrager bestehen.

Die vorrangige Funktion derartiger Verfahren und Schaltungsanordnungen ist es, die Stromversorgungseinheit elektronischer Steuerungssysteme im Fehlerfall, d. h. bei Kurzschluß oder Überstrom und oder Überspannung abzu schalten, um Folgeschäden innerhalb des elektronischen Steuerungssystems zu verhindern. Nach dem Stand der Technik sind zur Realisierung dieser Anforderungen zwei Geberschaltungen notwendig, um die beschriebenen Störungen sicher zu erkennen und eine entsprechende Sicherheits funktion einzuleiten.

Überspannungsschutz wird bei bekannten Schutzschaltungen mit der Begrenzung der Eingangsspannung mittels einer Zenerdiode erreicht. Der Kurzschluß- oder Überlastfall wird über primär- und sekundärseitig angeordnete Sensewider stände abgefragt. Der Spannungsabfall an den Sensewider ständen wird gemessen und mit einer Referenzspannung verglichen. Steigt der Spannungsabfall an dem Sensewider stand über die Referenzspannung, wird ein Ansteuermodul, welches die Leistungstransistoren ansteuert, gestoppt. Gleichzeitig wird ein Thyristor gezündet, der den Eingang kurzschließt und eine Sicherung zur Auslösung bringt. Nachteile dieser Schutzschaltungen sind:

- Bei energiereichen Überspannungen wird die Zenerdiode zerstört.
- Die Überspannungsschutzschaltung ist nicht im Stande, das Ansteuermodul abzuschalten.
- Die Zenerdiode muß bei Überlastung in den Kurzschluß gehen und darf nicht aufbrennen. Nur wenige Hersteller garantieren diese Eigenschaft für ihre Dioden, die dann auch ensprechend teuer sind.
- Bei Netzteilen mit niedriger Eingangsspannung z. B. 24 V und hoher Ausgangsleistung <500 W muß die Diode so ausgelegt sein, einen Kurzschlußstrom von z. B. 50 A über mehrere Sekunden zu führen.
- Nach einem Fehlerfall ist die Reparatur der Stromver sorgung notwendig, da nicht nur die Sicherung defekt ist.

Es sind auch Schutzschaltungen bekannt, wobei statt der Schutzdiode auf der Primärseite eine Operationsverstärker schaltung eingesetzt wird. Die Operationsverstärker überwachen die anliegende Spannung auf der Primär- und Sekundärseite. Nachteilig bei derartigen Schutzschaltungen ist es, daß die Ansteuerung des OPV von der Sekundärseite zum Ansteuermodul über Opto-Koppler galvanisch getrennt werden muß.

Aus der DE-PS 28 22 897 ist eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung in Netzgeräten mit Strom - und Spannungs regelung bekannt. Hierbei wird eine Schaltungsanordnung vorgestellt, wobei eine steuerbare Referenzstromquelle mit einer vom Ausgangsstrom des Netzgerätes abhängigen Regelspannung beaufschlagt wird, wodurch die Höhe der einem Differenzverstärker zugeführten Refferenzspannung von der Höhe des Ausgangsstromes abhängig ist, und daß die vom Ausgangsstrom des Netzgerätes abhängige Regelspannung für den ersten Differenzverstärker von einem weiteren Differenzverstärker gebildet wird, der einem an einem Sensewiderstand entstehenden Spannungsabfall mit einer Bezugsspannung vergleicht.

Derartige Schaltungsanordnungen sind in ihrer Wirkungsweise einfach, sind aber aus folgenden Gründen störanfällig in ihrer Funktionsweise

- für den primärseitigen OPV muß eine Hilfsspannung zur Versorgung bereit stehen,
- OPV′s reagieren sehr sensibel. Kurzzeitige Transienten, wie sie in jedem Netzsystem vorkommen, würden die Schutzschaltung ansprechen lassen, obwohl das nicht unbe dingt nötig wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein richtung und Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung, insbe sondere als Schutzeinrichtung für Schaltnetzteile anzugeben, die die obengenannten Nachteile verbessert und mit geringem Aufwand eine kostengünstige Lösung aufzeigt, bei der in den genannten Störfällen eine schnelle und sichere Abschaltung des gesamten Steuerungssystems erfolgt und das Zerstören von Bauteilen im Steuerungssystem und in der Stromversorgungseinheit selbst vermieden wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Kombination des primärseitig angeordneten Stromwandlers mit der ihm nachgeschalteten Suppressor diode bei Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung am Eingang des Schaltnetzteiles den primär und sekundär galvanisch getrennten elektronischen Schalter zu einer sicherheitsspezifischen Abschaltung des Steuerteils veranlaßt und daß die Kombination des sekundärseitig angeordneten Stromwandlers mit der ihm nachgeschalteten Suppressordiode bei Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung am Ausgang des Schaltnetzteiles den primär und sekundär galvanisch getrennten elektronischen Schalter zu einer sicherheitsspezifischen Abschaltung des Steuerteils veranlaßt, indem der als Komperator geschaltete Operationsverstärker die Spannung UR mit der konstanten Schwellwertspannung vergleicht und bei Übersteigen der Spannung UR über die Schwellwertspannung der durch die Stromwandler und den optischen Schalter primär- und sekundärseitig galvanisch getrennte elektronische Schalter ein sicheres Abschalten des Steuerteils durch das Stopp-Signal bewirkt.

Dabei ist es, nach Anspruch 2, von besonderem Vorteil, daß bei Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung am Eingang und/oder am Ausgang des Schaltnetzteiles der elektronischen Schalter 2 den elektronischen Schalter 5 aktiviert, wodurch die Sicherheitseinrichtung anspricht, und den Eingang des Schaltnetzteils vom Eingangspotential trennt.

Weiterhin ist es, nach Anspruch 3, vorteilhaft, daß durch die Charakteristik der Suppressordioden Spannungsspitzen bis zu einem den Suppressordioden spezifischen Zeitintegral absorbiert werden und daß in einem Fehlerfall bei Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung zuerst die Ansteuerschaltung durch den elektronischen Schalter 2 unterbrochen wird und in der Folge die Sicherheitsein richtung durch den elektronischen Schalter 5 zur Aus lösung gebracht wird.

Nach Anspruch 4 ist es von besonderem Vorteil, daß die Parallelschaltung des Widerstandes R 1 und des Konden sators C 1 parallel zu dem Ausgang des Stromwandlers S 1 eine Zeitkonstante bilden, die das Ansprechen der Über spannungsauslösungseinrichtung bei kurzzeitigen Transienten, kleiner der Zeit zwischen den Zeitpunkten t 2 und t 3, verhindert und daß nach Anspruch 5 die Parallelschaltung des Widerstandes R 2 und des Kondensators C 2 parallel zu dem Ausgang des Stromwandlers S 2 eine Zeitkonstante bilden, die das Ansprechen der Überspannungsauslösungs einrichtung bei kurzzeitigen Transienten, kleiner der Zeit zwischen den Zeitpunkten t 2 und t 3, verhindern.

Weiter ist es, nach Anspruch 6, von wesentlichem Vorteil, daß die Schaltungsanordnung derart dimensioniert ist, daß sich bis zu dem Abschaltzeitpunkt t 3 eine Zeitkonstante ergibt, die niedriger liegt als die Zeit, die der Quer strom IQ 1, IQ 2 benötigt, um in seinen höheren Grenz bereich zu gelangen.

Schließlich ist es nach Anspruch 5 zweckmäßig, daß die Ausgänge der Stromwandler durch Dioden entkoppelt sind.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung in einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines Schaltnetzeiles, bei dem das erfindungsgemäß Verfahren und die Schaltungsanordnung Anwendung findet.

Fig. 2 anhand de Diagramme .I bis .IX den generellen Ablauf eines Abschaltvorganges nach dem erfindungs gemäßen Verfahren in einem Störfall, verursacht durch Überspannung am Eingang E des Schalternetzteiles.

In Fig. 1 ist das Schaltbild eines Schaltnetzteiles darge stellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltungsanordnung Anwendung findet. Anhand dieser beispielhaften Ausführung eines 24 V-DC-Schaltnetzteils soll die Erfindung dokumentiert werden.

Das Steuerteil 3 besteht im wesentlichen aus den Leistungs-Mos -Fets T 1 und T 2, dem Ansteuermodul 4 und den Übertragern U 2, U 3. Das Ansteuermodul 4 steuert über die Übertrager U 2, U 3 die Transistoren T 1 und T 2 abwechselnd an, wobei das Tastverhältnis <0,5 sein muß. Die pulsierende Gleichspannung wird von dem Gegentaktwandler U 1 auf die Sekundärseite transformiert und von den Dioden D 3, D 4 gleichgerichtet. L 1 und C 2 dienen als Siebglieder. Die Ausgangsgleichspannung wird über den Regeleingang des Ansteuermoduls 4 abgefragt und entsprechen der Referenz spannung korregiert. Der Stromwandler S 1 und die Suppressordiode ÜA 1 bilden den primärseitigen Schutz gegen Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung am Eingang E. Stromwandler S 2 und die Suppressordiode ÜA 2 bilden den sekundärseitigen Schutz gegen Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung am Ausgang A.

Bekanntlich arbeiten Stromwandler nach dem Transformatoren betrieb, wobei sich die Ströme umgekehrt proportional zu den Windungszahlen verhalten. Der Sekundärstrom an den Stromwandler S 1 und S 2 verursacht demnach bei einem entsprechendem Übersetzungsverhältnis an den Widerständen R 1 und R 2 einen Spannungsabfall UR 1, UR 2, der ein genaues Abbild des Primärstromes darstellt. Die Erfindung nutzt dieses Verhalten um im Störfall den elektronischen Schalter 2 zu aktivieren.

Bei Kurzschluß, Überstrom oder Überspannung am Eingang E oder am Ausgang A steigt der Sekundärstrom im Stromwandler S 1 oder S 2 proportional zu dem Primärstrom. Der Spannungsabfall an den Widerständen R 1 oder R 2 bewirkt dadurch eine Erhöhung der Spannung UR. Die Dioden D 1 und D 2 entkoppeln die Ausgänge der Stromwandler S 1 und S 2. Übersteigt die Spannung UR der konstanten Schwellwert US schaltet der Operationsverstärker OPV in positiver Richtung um und zündet den Thyristor Th 1 wodurch das Ansteuermodul 4 gestoppt wird. Über den zur galvanischen Trennung zwischengeschalteten optischen Schalter 6 wird der elektronische Schalter 5 aktiviert, wobei der durchgeschaltete Thyristor Th 2 die Sicherheitseinrichtung F zur Auslösung bringt und das Schaltnetzteil spannungs frei schaltet. Die Verzögerungszeit vom Auftreten der Störung zum Zeitpunkt t 2 bis zum Abschalten des Schalt netzteils 1 zum Zeitpunkt t 3 wird durch die Ausgangsbe schaltung der Stromwandler S 1, S 2 mittels der RC-Kombina tionen R 1, C 1 und R 2, C 2 bestimmt. Kurzzeitige Transienten, die durch beispielsweise induktive oder kapazitive Störungen immer auftreten können, werden somit nicht erfaßt, wodurch eine unnötige Abschaltung des Schaltnetz teiles vermieden wird.

Der besondere Vorteil des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die angesprochenen Störfälle schnell und sicher erkannt werden und den Erfordernissen entsprechend reagiert wird, ohne das ein oder mehrere Bauteile des Schaltnetzteiles zerstört werden.

Fig. 2 dokumentiert anhand der Diagramme .I bis .IX den generellen Ablauf eines Abschaltvorganges nach dem erfindungegemäßen Verfahren in einem beispielhaften Störfall, verursacht durch eine Überspannung am Eingang E des Schaltnetzteiles.

Zu Diagramm .I

UE 1 stellt die anliegende Eingangsspannung dar, die aber durch die Suppressoriode Üa 1 auf ÜE 2 begrenzt wird. UN ist die maximale Eingangsspannung, die von UE 1 zum Zeitpunkt t 1 überschritten wurde.

Zu Diagramm .II

Die Suppressordiode ÜA 1 wird zum Zeitpunkt t 1 leitend und begrenzt die anliegende Eingangsspannung UE 1 auf UE 2. Zum Zeitpunkt t 2 (bei ca. 2 X UN) beginnt der Quer strom IQ 1 durch die Suppressordiode ÜA 1 sehr schnell auf ein n-faches zu steigen.

Deutlich wird diese Eigenschaft an nachfolgendem Daten blattauszug der 33 V Suppressordiode BZW 50-33.

U Diode in V

Zu Diagramm .III

Der Laststrom IL 1 und IL 2 ist relativ unabhängig von der Eingangssapnnung und hier zur Vereinfachung als konstant angenommen.

Zu Diagramm .IV

Der Eingangsstrom IE setzt sich aus dem Querstrom IQ 1 der Suppressordiode ÜA 1 und dem Laststrom IL 1 und IL 2 zusammen.

Zu Diagramm .V

Der eingeprägte Strom in der Primärwirkung des Strom wandlers S 1 generiert auf seiner Sekundärseite eine analoge Ausgangsspannung UR 1, die am Komperator OPV des elektronischen Schalter 2 als UR mit der Schwellwert spannung US verglichen wird. Zum Zeitpunkt t 3 wird UR größer US und der Komperator OPV schaltet in positiver Richtung um.

Zu Diagramm .VI

Die positive Ausgangsspannung des Komperators OPV ver ursacht einen Stromfluß Iopt., der den optischen Schalter 6 durchschaltet.

Zu Diagramm .VII

Gleichzeitig, zum Zeitpunkt t 3, zündet der Komperator OPV den Thyristor Thy 1, der das Ansteuermodul 4 des Steuer teils 3 stoppt und somit die Ansteuerung der Transistoren T 1 und T 2 unterbricht. Vorteilhaft ist es hierbei, daß die Drain-Source-Spannung UDS auf die Eingangsspannung UE reduziert wird.

Zu Diagramm .VIII

Gleichzeitig wird der elektronische Schalter 5 von dem optischen Schalter 6 aktiviert und der Thyristor Th 2 gezündet.

Zu Diagramm .IX

Der Thyristor Th 2 bringt die Sicherheitseinrichtung F nach der Ansprechzeit t 4 zur Auslösung. Das gesamte Schaltnetzteil ist ab diesen Moment spannungslos.

Bei sekundärseitiger Überspannungeinkopplung würde der Stromwandler S 2 eine vergleichbare Spannung UR 2 als Eingangssignal UR dem Komperator OPV zur Verfügung stellen.

Der Abschaltvorgang des Schaltnetzteiles entspräche dabei den obenbeschriebenen wobei lediglich die Suppressor diode ÜA 2 bzw. dessen Querstrom IQ 2 den Abschaltzeitpunkt bestimmen würde.

Bei Überstrom oder Kurzschluß am Eingang E oder Ausgang A resultiert der Auslösestrom nicht von den Suppressordioden ÜA 1, ÜA 2 sondern vom Kurzschlußstrom. Der Abschaltvorgang wäre wieder der gleiche.

Claims

1. Einrichtung und Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Überstrom und Überspannung, insbesondere als Schutzein richtung in als Schaltnetzteile konfigurierte Stromver sorgungseinheiten, die vorzugsweise in elektronische Steuerungssysteme eingesetzt werden und aus einem Steuerungsteil mit Steuermodul, Steuerübertrager und Steuer transistoren, und aus einem Leistungsteil mit Leistungs übertrager bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Kombination des eingangsspannungsseitig angeordneten Stromwandlers (S 1) mit der ihm nachgeschalteten Suppressordiode (ÜA 1) bei Kurzschluß oder Überstrom und/ oder Überspannung am Eingang (E) des Schaltnetzteiles (1) den primär- und sekundärseitig galvanisch getrennten elektronischen Schalter (2) zu einer sicherheitsspezifischen Abschaltung des Steuerteiles (3) veranlaßt,
b) die Kombination des ausgangsspannungsseitig angeordneten Stromwandlers (S 2) mit der ihm nachgeschalteten Suppressordiode (ÜA 2) bei Kurzschluß oder Überstrom und/ oder Überspannung am Ausgang (A) des Schaltnetzteiles (1) den primär- und sekundärseitig galvanisch getrennten elektronischen Schalter (2) zu einer sicherheitsspezifischen Abschaltung des Steuerteils (3) veranlaßt, indem der als Komperator geschaltete Operationsverstärker (OPV) die Spannung (UR) mit der konstanten Schwellwert spannung (US) vergleicht und bei Übersteigen der Spannung (UR) über die Schwellwertspannung (US) der durch die Stromwandler (S 1, S 2) und durch den optischen Schalter (6) primär- und sekundärseitig galvanisch getrennte elektronische Schalter (2) ein sicheres Abschalten des Steuerteils (3) durch das Stopp-Signal zum Ansteuermodul (4) bewirkt.

2. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung am Ein gang (E) und/oder Ausgang (A) des Schaltnetzteiles (1) der elektronische Schalter (2) den elektronischen Schalter (5) aktiviert, wodurch die Sicherheitseinrichtung (F) anspricht, die den Eingang (E) des Schaltnetzteils (1) vom Eingangspotential trennt.

3. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Charakteristik der Suppressordioden (S 1, S 2) Spannungsspitzen bis zu einem den Suppressordioden (S 1, S 2) spezifischen Zeitintegral absorbiert werden.

4. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltung von Widerstand (R 1) und Kon densator (C 1) in paralleler Anordnung zum Ausgang des Stromwandlers (S 1) eine Zeitkonstante definiert, die das Ansprechen der Überspannungsauslösungseinrichtung bei kurzzeitigen Transienten, kleiner der Zeit zwischen den Zeitpunkten (t 2) und (t 3), verhindert.

5. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltung von Widerstand (R 2) und Kondensator (C 2) in paralleler Anordnung zum Ausgang des Stromwandlers (S 2) eine Zeitkonstante bildet, die das Ansprechen der Überspannungsauslösungseinrichtung bei kurzzeitigen Transienten, kleiner der Zeit zwischen den Zeitpunkten (t 2) und (t 3), verhindert.

6. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung derart dimensioniert ist, daß sich bis zu dem Abschaltzeitpunkt (t 3) eine Zeitkon stante ergibt, die niedriger liegt als die Zeit, die der Querstrom (IQ 1, IQ 2) benötigt, um in seinen höheren Grenzbereich zu gelangen.

7. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Fehlerfall bei Kurzschluß oder Überstrom und/oder Überspannung zuerst die Ansteuerung der Steuer transistoren (T 1, T 2) durch das Stopp-Signal des elektro nischen Schalter (2) an das Ansteuermodul (4) unterbrochen wird und in der Folge die Sicherheitseinrichtung (F) durch den elektronischen Schalter (5) zur Aulösung gebracht wird.

8. Einrichtung und Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Stromwandler (S 1, S 2) durch die Dioden (D 1, D 2) entkoppelt sind.