DE10010924A1

DE10010924A1 - Elektronische Schnell-Start-Schaltung

Info

Publication number: DE10010924A1
Application number: DE2000110924
Authority: DE
Inventors: Richard Bloch; Beat Kramer
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-09-13

Abstract

Die Vorrichtung zum Einspeisen von Strom aus einer Wechselstromquelle in eine elektronische Komponente (5) enthält einen Gleichrichter (3) und eine elektronische Beschaltung (4) mit einem Speicherkondensator (6). Die elektronische Beschaltung (4) weist eine dem Speicherkondensator (6) vorgeschaltete Laderegelungseinheit (7) mit einer parallel geschalteten Entladediode (8) auf. DOLLAR A Mit der Laderegelungseinheit (7) wird der Ladestrom in den Speicherkondensator (6) geregelt. Insbesondere beim Einschalten der Wechselstromquelle wird erst dann ein Speisestrom in den Speicherkondensator geführt, wenn die Speisespannung (U¶v¶) die Betriebsspannung der elektronischen Komponente erreicht hat. Dadurch wird die Dauer bis zur Betriebsbereitschaft der elektronischen Komponente nach dem Einschalten der Wechselstromquelle verkleinert.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zum Einspeisen von Strom aus einer Wechselstromquelle in eine elektronische Komponente gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine solche Vorrichtung wird etwa in Stromschutzschaltern eingesetzt, welche zum Schutz von unter Niederspannung stehenden Leitungen, Motoren, Apparaten und Anlagen vor den Folgen von Überlast- und Kurzschlussströmen verwendet werden. Daher betrifft die Erfindung auch einen Stromschutzschalter mit einer solchen Vorrichtung.

STAND DER TECHNIK

Herkömmliche Vorrichtungen der eingangs genannten Art enthalten einen Stromwandler, einen Gleichrichter, einen Speicherkondensator und eine minimale elektronische Beschaltung, welche beispielsweise ein Begrenzungselement enthält. Damit wird ein Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle gewandelt, aufbereitet und als Gleichstrom in eine elektronische Komponente eingespiesen. Ein typisches Verwendungsbeispiel ist eine selbstgespeister Stromschutzschalter zum Messen und Auswerten eines Wechselstromes, der gleichzeitig als Stromquelle für die elektronische Komponente dient. Die Betriebsbereitschaft der elektronischen Komponente ist somit davon abhängig, ob der Wechselstrom überhaupt fliesst.

Kritisch ist es, wenn vor einem zu erfassenden Ereignis solange kein Wechselstrom geflossen ist, dass der Speicherkondensator nicht mehr genügend Ladung aufweist, um die elektronische Komponente mit Energie zu versorgen. Ist das zu erfassende Ereignis beispielsweise ein Kurzschluss beim Einschalten, ist die elektronische Komponente zum Einschaltzeitpunkt nicht bereit, da der Versorgungsstrom vorerst ausbleibt. Da die Versorgungsspannung erst ihren Betriebszustand erreicht, nachdem sich der Speicherkondensator genügend aufgeladen hat, kann es lange dauern, bis die elektronische Komponenete betriebsbereit ist. Dies führt dazu, dass beispielsweise bei einem Stromschutzschalter während einer bestimmten Zeit nach dem Einschalten kein ausreichender Schutz gewährleistet werden kann.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 bis 5 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einspeisen von Strom aus einer Wechselstromquelle in eine elektronische Komponente zu schaffen, die die Dauer bis zur Betriebsbereitschaft der elektronischen Komponente nach dem Einschalten der Wechselstromquelle gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen reduziert.

In der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Einspeisen von Strom aus einer Wechselstromquelle in eine elektronische Komponente ist dem Speicherkondensator eine erweiterte elektronische Beschaltung vorgeschaltet. Diese Beschaltung weist im wesentlichen eine Laderegelungseinheit auf, welche den in den Speicherkondensator fliessenden Strom in Abhängigkeit der Speisespannung der elektronischen Komponente und der Spannung über dem Speicherkondensator regelt. So wird unmittelbar nach dem Einschalten der Wechselstromquelle, da die Speisespannung noch nicht genügend gross ist, der gesammte Strom aus dem Gleichrichter direkt in die elektronische Komponente geleitet. Die Speisespannung beginnt sich aufzubauen, bis die Betriebsspannung der elektronischen Komponente erreicht ist. Dieser Zustand wird dank der Laderegelungseinheit raschmöglichst nach dem Einschalten der Wechselstromquelle erreicht. Erst zu diesem Zeitpunkt beginnt Strom in den Speicherkondensator zu fliessen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Laderegelungseinheit ein lineares Steuerelement sowie ein Begrenzungselement. Damit kann besonders einfach die erwünschte Regelung des in den Speicherkondensator fliessenden Stroms erzielt werden.

Weiter liegt der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 6 angegeben ist, die Aufgabe zugrunde, einen selbstgespeister Stromschutzschalter zu schaffen, bei dem die Dauer bis zu dessen Betriebsbereitschaft nach dem Einschalten des zu überwachenden Stromes gegenüber herkömmlichen selbstgespeisten Stromschutzschaltern reduziert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Einspeisen von Strom aus einer Wechselstromquelle in eine elektronische Komponente nach der Erfindung, mit einer Stromquelle, einem Gleichrichter, einer elektronischen Beschaltung und einer elektronischen Komponente,

Fig. 2 eine Ausführungsform der elektronischen Beschaltung nach Fig. 1, und

Fig. 3 ein Diagramm mit dem Einschaltverhalten der Vorrichtung nach Fig. 1.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Einspeisen von Strom aus einer Wechselstromquelle in eine elektronische Komponente 5. Die Wechselstromquelle setzt sich aus einem wechselstromführenden Leiter 1 und einem Stromwandler 2 zusammen. Dabei ist der Leiter 1, welcher den Wechselstrom I_P führt, als Primärwicklung des Stromwandlers 2 von einer spulenförmigen Sekundärwicklung umgeben. Die Sekundärwicklung, welche den Wechselstrom I_A führt, ist über zwei Anschlüsse mit einem Gleichrichter 3 verbunden. Dieser wandelt den Wechselstrom I_A in einen gleichgerichteten Strom I_D. Am Ausgang des Gleichrichters 3 ist eine elektronische Beschaltung 4 angeschlossen, die im wesentlichen einen Speicherkondensator 6 und eine Laderegelungseinheit 7 enthält. Am Ausgang der elektronischen Beschaltung 4 fliesst ein Verbraucherstrom I_V.

Die elektronische Beschaltung 4 weist einen eingangsseitigen Gleichrichter- Anschluss D, einen ausgangsseitige Verbraucher-Anschluss V sowie einen Erdpotential-Anschluss G auf, und umfasst neben dem Speicherkondensator 6 und der Laderegelungseinheit 7 eine Entladediode 8.

Der Gleichrichter-Anschluss D ist direkt mit dem Verbraucher-Anschluss V verbunden. Die Laderegelungseinheit 7 ist zwischen den Speicherkondensator 6 und den Gleichrichter-Anschluss D geschaltet und regelt den Ladestrom in den Speicherkondensator 6. Parallel dazu ist die Entladediode 8 geschaltet. Sie verbindet den Speicherkondensator 6 mit dem Verbraucher-Anschluss V und führt den Entladestrom aus dem Speicherkondensator 6.

Die Funktionsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung lässt sich am Besten anhand eines Einschaltvorgangs der Wechselstromquelle erläutern. Solange die Wechselstromquelle ausgeschaltet ist, das heisst, solange in dem Primärleiter 1 kein Strom fliesst (I_P = 0), fliesst weder ein Strom durch den Gleichrichter (I_A = 0, I_D = 0) noch durch die elektronische Beschaltung in die elektronische Komponente (I_V = 0). Nach dem Einschalten des Primärstromes I_P fliesst am Ausgang des Gleichrichters der gleichgerichtete Wechselstrom I_D, der dem Speicherkondensator durch die Laderegelungseinheit 7 solange vorenthalten bleibt, bis die Speisespannung U_V in der elektronischen Komponente 5 ihren Betriebszustand erreicht hat. Erst dann lässt die Laderegelungseinheit 7 den überschüssigen Strom als Ladestrom in den Speicherkondensator 6 fliessen.

In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht die Laderegelungseinheit aus einem linearen Stellglied (NPN-, PNP- Silizium oder Germanium Transistor; N- oder P-Sperrschicht Feld-Effekt-Transistor; N- oder P- selbstleitende oder selbstsperrende Isolierschicht Feld-Effekt Transistor) sowie aus einem Begrenzungselement (Zenerdiode, Referenzdiode, Überspannung- Schutzdiode, Leuchtdiode). Gemäss Fig. 2 ist der Emitter-Anschluss eines PNP- Transistors am Gleichrichter-Anschluss D angeschlossen, der Kollektor-Anschluss K mit dem Speicherkondensator 6 verbunden und der Basis-Anschluss B über eine Zenerdiode 72 am Erdpotential-Anschluss G angeschlossen.

Solange die Speisespannung U_V kleiner als die Summe der Spannungen über der Zenerdiode und der Basis-Emitter-Strecke (U_Z + U_BE) ist, fliesst kein Strom in die Basis B des Transistors. Somit ist der Transistor gesperrt und es fliesst kein Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke zum Speicherkondensator.

Hat die Speisespannung U_V den Wert der Summe der Spannungen über der Zenerdiode und der Basis-Emitter-Strecke (U_Z + U_BE) erreicht, fliesst allmählich ein Basis-Strom. Dieser erscheint verstärkt durch die Kleinsignalverstärkung des Transistors am Kollektor und lädt den Speicherkondensator.

Wird der Ladestrom zu gross, geht die Speisespannung U_V zurück. Als Folge davon reduziert sich der Basis-Strom und somit auch der Ladestrom. Es entsteht eine Regelung und nur der überschüssige Strom fliesst in den Speicherkondensator.

Ist der Speicherkondensator auf den Wert der Betriebsspannung U_V minus 0,2 V geladen, beginnt der Transistor zu sättigen und die Kleinsignalverstärkung des Transistors geht gegen Null. Es kann kein Ladestrom mehr in den Speicherkondensator fliessen. Der gesamte überschüssige Strom wird über die Basis B des Transistors zur Zenerdiode 72 geführt.

Sinkt die Speisespannung U_V in der Folge unter den Wert der Spannung des Speicherkondensators minus der Spannung über der Entladediode (U_C - U_F), entlädt sich der Speicherkondensator 6 über die Entladediode 8 und erlaubt somit einen kontinuierlichen Betrieb der elektronischen Komponente 5, selbst bei kurzzeitigem Ausfallen des Primärstromes I_P.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht die Laderegelungseinheit aus einem geschalteten Stellglied mit einem Schaltregler anstelle des linearen Stellgliedes mit dem Begrenzungselement. Das verbesserte Einschaltverhalten der erfindungsgemässen Vorrichtung ist im Diagramm der Fig. 3 anschaulich dargestellt. Bereits 0,5 Milisekunden nach dem Einschalten (0 ms) des Primärstromes I_P erreicht die Speisespannung U_V die Betriebsspannung der elektronischen Komponente U_Vmin. Im Vergleich dazu steigt die Speisespannung U_V' einer herkömmlichen Vorrichtung, bei der sich zuerst der Speicherkondensator auflädt, wesentlich verzögert und erreicht erst nach rund 13 Milisekunden das angestrebte Spannungsniveau. Im stationären Betriebszustand gleichen sich die beiden Kurven wieder an.

Ist gemäss Fig. 1 die erfindungsgemässe Vorrichtung Teil eines Stromschutzschalters, so ist die elektronische Komponente 5 mit einem den Leiter 1 überwachenden Stromsensor 10 verbunden. Fliesst im Leiter 1 ein zu grosser Strom I_P, beispielsweise ein Überlast- oder ein Kurzschlussstrom, steuert die elektronische Komponente 5 eine Schaltstelle 9 an, die den Strom I_P ausschaltet. Liegt an dem Leiter 1 beispielsweise bereits beim Einschalten des Stromes I_P ein Kurzschluss an, so kann dieser dank der erfindungsgemässen Vorrichtung bereits nach wenigen Milisekunden erkannt und der Strom I_P abgeschaltet werden.

Bezugszeichenliste

1

Primärleiter, Wechselstromleitung

2

Stromwandler

3

Gleichrichter

4

Elektronische Beschaltung

5

Elektronische Komponente

6

Speicherkondensator

7

Laderegelungseinheit

71

Lineares Steuerelement

72

Begrenzungselement

8

Entladediode

9

Schaltstelle

10

Stromsensor
B, E, K Basis, Emmiter und Kollektor des Stellgliedes
D Gleichrichter-Anschluss (Eingang)
G Erdpotential-Anschluss
I_P

Primärstrom
I_A

Wechselstrom aus Stromwandler
I_D

Gleichstrom aus Gleichrichter
I_V

Verbraucherstrom
U_BE

Basis-Emmiter-Spannung über Stellglied
U_C

Spannung über Speicherkondensator
U_D

Spannung am Gleichrichter-Anschluss
U_F

Spannung über Entladediode
U_V

Speisespannung der elektronischen Komponente
U_Z

Spannung über Begrenzungselement
V Verbraucher-Anschluss (Ausgang)

Claims

1. Vorrichtung zum Einspeisen von Gleichstrom aus einer Wechselstromquelle in eine elektronische Komponente (5), enthaltend in Serie geschaltet

- einen Gleichrichter (3) und
- eine elektronische Beschaltung (4) mit einem Speicherkondensator (6),

dadurch gekennzeichnet, dass

- die elektronische Beschaltung (4) dem Speicherkondensator (6) vorgeschaltet eine Laderegelungseinheit (7) mit einer parallel geschalteten Entladediode (8) enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Laderegelungseinheit (7) ein lineares Stellglied (71) mit einem Begrenzungselement (72) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- das lineare Stellglied (71) einen Feld-Effekt-Transistor enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Begrenzungselement (72) eine Zenerdiode enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Laderegelungseinheit (7) ein geschaltetes Stellglied mit einem Regler enthält.

6. Stromschutzschalter zum Erkennen und Abschalten von Überlast- und Kurzschlussströmen in einer Wechselstromleitung (1) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Stromschutzschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Wechselstromquelle als ein Stromwandler (2) mit der Wechselstromleitung (1) als Primärwicklung ausgebildet ist.