DE1488916C - Schaltungsanordnung zur Überwachung der Verlustleistung des Transistorstellgliedes eines stabilisierten Stromversorgungsgerätes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Verlustleistung des Transistorstellgliedes eines stabilisierten Stromversorgungsgerätes, bestehend aus einer an den Aus-, gang des Stromversorgungsgerätes angeschlossenen, ein der jeweiligen Transistorverlustleistung proportionales Potential erzeugenden, produktbildenden Anordnung, die die Verlustleistungshyperbel des Transistorstellgliedes unter Verwendung eines nichtlinearen Spannungsteilers nachbildet, und einer das Transistorstellglied steuernden, von der produktbildenden Anordnung beaufschlagten Grenzwertstufe bestimmter Ansprech- und Rückschaltspannung.

Derartige Stromversorgungsgeräte müssen, hauptsächlich wenn sie größere Leistungen abgeben, möglichst vollkommen gegen Überlast gesichert sein. Insbesondere darf die Verlustleistung des eingebauten Transistorstellgliedes ein bestimmtes Maß nicht überschreiten.

Es sind Vorrichtungen mit Stellgliedern bekannt, die so dimensioniert sind, daß sie die höchste vorkommende Verlustleistung aufnehmen können.

Bei Anordnungen, die größere Leistungen, abgeben, ist es bekannt, eine derartige Überdimensionierung .zu vermeiden, indem man die Verlustleistung im Transistorstellglied durch eine elektronische Vorregelung der Hauptgleichrichterspannung verringert, so daß letztere der Ausgangsspannung des Gerätes angepaßt ist. Dies geschieht dadurch, daß die Kollektor-Emitterspannung des Transistorstellgliedes über einen zusätzlichen Gleichrichter-Regelkreis konstant gehalten wird. Dabei ist es für den Gleichrichter-Regelkreis ohne Bedeutung, ob das Gerät nur mit einer Spannungsstabilisierung oder auch mit einer Stromstabilisierung ausgerüstet ist. Durch eine derartige Maßnahme ist es überhaupt erst möglich geworden, Stromversorgungsgeräte höherer Leistung wirtschaftlich aufzubauen.

Bei einer schnellen Änderung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstromes ist das Transistorstellglied damit jedoch noch nicht gegen Überlast gesichert: Ist nämlich bei einem Stromversorgungsgerät mit Vorregelung der Gleichrichterspannung und nachgeschaltetem Transistorregelkreis beispielsweise eine hohe Ausgangsspannung eingestellt und wird diese Ausgangsspannung dann plötzlich dadurch verkleinert, daß die Ausgangsklemmen kurzgeschlossen werden, so ist die elektronische Vorregelung durch die relativ hohe Entladezeitkonstante des Gleichrichtersiebgliedes nicht in der Lage, die Gleichrichterspannung ebenso schnell abzusenken. Eine momentane Überlastung des Transistorstellgliedes muß also durch zusätzliche Maßnahmen verhindert werden.

Man kennt bereits eine Einrichtung zur Überwachung eines oberen Grenzwertes der Kollcktorlimitterspannung des Transistorstellgliedes ohne Berücksichtigung des Kollektor- bzw. Emitterstromes. Diese Anordnung läßt aber keine vollkommene Begrenzung der Verlustleistung des Stellgliedes zu, wenn nicht gleichzeitig eine entsprechende Reserve an Leistung vorgesehen ist. Außerdem hat diese Überwachungsart noch einen anderen Nachteil, der bei getasteter Last des geregelten Stromversorgungsgerätes auftritt: Hier kann es nämlich vorkommen, daß diu Kollektor-Emitterspannung des Transistor-· Stellgliedes jeweils nach dem Abschalten der Last iibtischwingt, wodurch die Sicherungseinriditung unerwünscht anspricht, und /war gerade dann, wenn der Ansprechwert knapp über der im statischen Betrieb anliegenden Kollektor-Emitterspannung liegt.

Es ist eine weitere Anordnung zur Überwachung der Verlustleistung- in einem Stromversorgungsgerät mit relativ großer Ausgangsleistung bekannt. Diese Schaltung liefert ohne Vorregelung eine einstellbare konstante Lastspannung, bis ein gewisser Laststrom erreicht ist. Bei stärkerem Absinken des Lastwiderstandes vermindert sich sowohl die Lastspannung als

ίο auch der Laststrom, so daß die jeweils maximal zulässige Verlustleistung des Transistorstellgliedes nicht überschritten wird, auch wenn schnelle Laständerungen auftreten. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß man den maximalen Laststrom unter VoIlausnutzung der maximal zulässigen Verlustleistung nur entnehmen kann, wenn die T^astspannung selbst und ebenso auch die Spannung am Transistorstellglied in einem ziemlich engen Bereich bleibt.. Eine entsprechende Vorregelung der Spannung am Transistorstellglied auf einen konstanten Wert würde zwar diesen Nachteil beheben, aber der Vorregelkreis würde bei starken und schnellen Laständerungen infolge seiner großen Zeitkonstanten eine Überlastung des Transistorstellgliedes nicht schnell genug

verhindern. , .

Schließlich ist eine Anordnung bekannt, bei der zwischen die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors im Längszweig eines elektronisch stabilisierten Stromversorgungsgerätes und die Belastung ein Widerstand geschaltet ist, dessen Spannungsabfall etwa bei Erreichen des für die maximal zulässige Verlustleistung im jeweiligen Betriebszustand höchstzulässigen Stromes durch den Transistor die Schutzschaltung auslöst und bei der an der Basis des Transistors ein spannungsabhängiges Schaltelement liegt, welches beim Ansprechen der Schutzschaltung leitend wird und den Transistor durch Änderung der Basisvorspannung so niederohmig steuert, daß seine zulässige Verlustleistung nicht überschritten wird, in der Weise, daß das spannungsabhängige Schaltelement, vorzugsweise in Reihe mit einem zweiten Widerstand, zwischen der Basis des Transistors und dem vorn Kollektor abgewandten Ende des Widerstandes liegt. Diese Anordnung hat aber den Nach-

teil, daß beim Ansprechen der Schaltung das Stellglied niederohmig wird und daß zum Schutz desselben der Verbraucher belastet wird. Dadurch, daß das Stellglied, bevor es zu einer Überlastung kommt, niederohmig wird, ist diese Schaltung nicht bei den Geräten anwendbar, die neben einer Spannungs- ; regelung auch noch eine Stromregelung besitzen. j Außerdem ist diese Schaltung nur dann sinnvoll anwendbar, wenn nur relativ kleine Ströme verarbeitet werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Verlustleistung des Transistorstellgliedes von Stromversorgungsgeräten mit großer Ausgangsleistung absolut sicher zu überwachen bzw. zu begrenzen, auch wenn große und/oder schnelle Laständerungen auftreten, ohne daß die Anordnung überdimensioniert ist. Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Schaltungsanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als produktbildende Anordnung ein ohmscher Spannungsteiler aus zwei festen Widerständen und einem veränderlichen Widerstand zwischen dem Kollektor des Transistorstellgliedes und der Ausgangskleinme einer Hilfsspannungsquelle liegt, derer Potential, bezogen auf den Endpunkt des Emitter

Widerstandes des Transistorstellgliedes als gemein- erst dann wieder leitend wird, wenn seine Kollektor-

samen Bezugspunkt, das umgekehrte Potential wie Emitterspannung U_CE nach dem Ansprechen der

dessen Kollektor aufweist, daß der Abgriff des Span- Sicherungseinrichtung weit genug durch die einge-

nungsteilers mit dem Kollektor eines Transistors ver- ^v baute Vorlast und Vorregelung abgesunken ist. Die

bunden ist, der die entgegengesetzte Leitfähigkeit 5 Grenzwertstufe 16 hat also die Funktion eines

hat wie das Transistorstellglied, daß dessen Basis an Schmitt-Triggers mit absichtlich großer Hysterese,

der positiven Ausgangsklemme des. Stromversor- Ohne diese Hysterese-Eigenschaft würde die Ariord-

gungsgerätes, daß dessen Emitter am Emitter des nung nach dem Ansprechen sofort wieder auf "den

Transistorstellgliedes liegt und daß der Verbindungs- Ausgangswert zurückgehen und könnte dadurch

punkt der Widerstände zur Ansteuerung der in be- ₁₀ nicht stabil arbeiten.

kannter Weise als Schmitt-Trigger ausgeführten Wie F i g. 2 zu entnehmen ist, folgt auf die Klemme

Grenzwertstufe geführt ist. 15 ein veränderlicher Widerstand 18, bestehend aus

Der an sich bekannte Schmitt-Trigger bildet eine einer Widerstands-Dioden-Kombination, wie sie Hysterese, die absichtlich so groß ist, daß das zu später in Fig. 3 näher erläutert wird, die ihren Wert überwachende Transistorstellglied nach einer Sper- i₅ durch Aussteuerung des Transistors 19 selbständig in rung erst dann wieder leitend wird, wenn seine der Weise ändert, daß sich für ein konstantes Pro-Kollektor-Emitterspannung nach dem Ansprechen dukt aus der Kollektor-Emitterspannung U_n.- einder Einrichtung weit genug abgesunken ist. schließlich des Spannungsabfalles am Widerstand 10

Zusätzlich kann in. einer weiteren Ausgestaltung . und dem Emitterstrom /,. eine konstante Spannung der Erfindung die Sicherungseinrichtung ein Relais 20 zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 20 ansteuern, über dessen Kontakt ein niederohmiger und 21 und dem Punkt 3 einstellt, die zur Ansteue-Entladewiderstand parallel zum Siebgliedkondensa- rung des Grenzwertgebers 16 dient. Der Ansprechtor gelegt wird, um so die Verweilzeit der Einrich- wert der Grenzwertstufe entspricht dem Maximalwert tung zu ändern und eine beschleunigte Entladung zu der zulässigen Verlustleistung des Transistorstellbewirken. - 25 gliedes 11. Dazu ist zu ergänzen, daß der Spannungs-

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im fol- abfall am Widerstand 10 gegenüber der Kollektor-

genden näher beschrieben. Emitterspannung Uq_E des Transistors 9 ohne weiteres

Gemäß Fig. 1, welche die Prinzipschaltung eines zu vernachlässigen ist, so daß zwischen den Punkten 3 Stromversorgungsgerätes bekannter Art mit Span- und 12 in Näherung die Kollektor-Emitterspännung nungs- und Stromregelung sowie Vorregelung zeigt, 30 U_CF und zwischen den Punkten 3 und 13 eine dem enthält ein derartiges Gerät mit Längsstellglied Ausgangsstrom proportionale Spannung erscheint,
zwischen den Eingangsklemmen 1 und 2 und den Gemäß Fig. 3 besteht nun die Grenzwertstufe 16 Ausgangsklemmen 3 und 4 mit dem üblichen Kon- aus dem eigentlichen Schmitt-Trigger 22 mit den densatör 5 grundsätzlich folgende Bauteile bzw. Bau- beiden Transistoren 23 und 24 einschließlich der gruppen: An die Klemmen 1 und 2 ist zunächst ein ₃₅ Widerstände 25 bis 31. Der Transistor 32 hat die Transformator 6 angeschlossen, auf den ein Brücken- Aufgabe, den Eingangswiderstand des Schmittgleichrichter 7 mit zwei Thyristoren und zwei norma- Triggers 22 an den Spannungsteiler mit den Widerlen Dioden folgt. Daran schließt sich ein Siebglied 8 ständen 18, 20, 21 anzupassen. Der Transistor 33 und ein Transistorstellglied 9 an. Zwischen dem dient dazu, den Befehl, der vom Schmitt-Trigger 22 Emitter desselben und der Klemme 3 liegt ein Strom- 40 kommt, an den Verstärker 11 gemäß Fig. 2 über den fühlwiderstand 10. Der an diesem auftretende Span- Ausgang 17 sowie an das bereits erwähnte Relais nungsabfall wird, ebenso wie die Ausgangsspannung, weiterzuleiten. An der Klemme 34 liegt eine gegenals Regelgröße in einen Regelverstärker 11 einge- über Klemme 3 positive Versorgungsspannung. Zur speist, der seinerseits entweder die Ausgangsspan- Einstellung der Betriebswerte der Transistoren 32 und nung oder den Ausgangsstrom durch Kennlinien- 45 33 gehören grundsätzlich die Bauteile 35, 38, 39. ablösung konstanthält, indem er den Längstran- Der Spannungsteiler 36, 37 dient mit zur Einstellung sistor 9 steuert. Als elektronische Vorregelung wirkt der Betriebswerte des Schmitt-Triggers und legt geder von der Kollektor-Emitterspannung U_CE zwischen meinsam mit dem Rückkopplungswiderstand 27 die den Punkten 12 und 13 des Stellgliedes 9 gesteuerte Größe der Hysterese fest. Der veränderliche Wider-Regelverstärker 14 auf die Thyristoren des Gleich- 50 stand 18 besteht aus den Widerständen 40 bis 44 sorichters 7, indem sie durch die Beeinflussung ihres wie den vorgespannten Dioden 45 und 46. Der. im Zündwinkels die Kollektor-Emitterspannung im Prinzipschaltbild gemäß F i g. 2 eingefügte Transistor stationären Zustand konstanthalten. 19 ist hier in Fig. 3 ebenfalls eingezeichnet, und zwar

F i g. 2 zeigt das grundsätzliche Schaltbild der mit den weiteren an ihm angeschlossenen Bauele-

Sicherungseinrichtung in einer Schaltung gemäß 55 menten 47, 48 und 49.

Fig. 1. An die Klemme 15 wird bei den gewählten Aus der mathematischen. Ableitung d^r Funktion Leitfähigkeitstypen eine auf den Punkt 3 bezogene der Widerstandskombination 18 als Funktion des negative Versorgungsspannung angeschlossen. Die Emitterstromes für ein konstantes Produkt aus der Sicherungseinrichtung enthält eine Grenzwertstufe 16 Kollektor-Emitterspannung U_(:/._: und dem Emittermit dem Ausgang 17 und führt über den Regelver- 60 strom/,.· ergibt sich ein Verlauf, der im realisierstärker 11 an die Basis des Transistorstellgliedes 9, baren Bereich, dem ersten Quadranten, ein Maximum wodurch nach Ansprechen der Einrichtung der Aus- aufweist. Es zeigt sich, daß zunächst mit zunehmengang 17 auf das Potential der Klemme 3 gelegt wird, den Strom auch der Widerstand 18 zunehmen muß. so daß der Längstransistor 9 sperrt. Nach Überschreiten des Maximums muß dann der

Die Grenzvvertstufe 16 hat nun die Aufgabe, ein- 65 Widerstand mit zunehmendem Strom wieder· abneh-

mal den Ansprechwert der Einrichtung nach Größe men. Da. eine Umkehrung des Widerstandsverlaufes

und Zeit zu nominieren und zum anderen eine der- schallunustechnisch nicht ohne größeren Aufwand

artige Hysterese zu bilden, daß der Läiigstransistor¹) zu \er\virklichen ist, wird bei der angegebenen Schal-

tung nur der Teil der Funktion nachgebildet, bei dem der Widerstand mit zunehmendem Strom abnehmen muß. Da jedoch mit steigendem Strom der Transistor 19 immer weiter ausgesteuert wird, muß also mit zunehmender Aussteuerung des Transistors 19 der Widerstandswert der Kombination 18 abnehmen.

, Der geforderte Widerstandsverlauf derselben wird nun dadurch erreicht, daß man die Widerstandskombination 18 auf bekannte Weise, wie in Fig. 3 dargestellt, ausbildet. Ist die Spannung am Widerstand 10 gemäß Fig. 2 am Punkt 13 Null, also der Strom /,. Null, wobei der Transistor 19 nahezu sperrt, so sind die Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 41 und 44 sowie 42 und 43, so ausgelegt, daß die Dioden 45 und 46 gesperrt sind und damit der resultierende Widerstand nur noch aus dem Widerstand 40 besteht. ■·.·

Mit steigender Aussteuerung des Transistors 19 nimmt der Spannungsabfall am Widerstand 40 zu, bis schließlich eine Spannung wie am Widerstand 41 erreicht wird und die Diode 45 in den Durchlaßbereich gesteuert, nach Überschreiten der Schleusenspannung leitend wird: Dann liegt der Widerstand 41 parallel zum Widerstand 40. Wird der Spannungsabfall am Widerstand 40 durch die Aussteuerung des Transistors 19 weiter gesteigert, so wird schließlich

. der Spannungsabfall am Widerstand 42 überschritten und damit die Diode 46 leitend. Damit besteht der Gesamtwiderstand der Schaltung 18 aus der Parallelschaltung der Widerstände 40, 41 und 42! Durch geeignete Wahl der Widerstände 40 bis 44 ist es so möglich, den gewünschten hyperbelartigen Verlauf der Funktion J_n = / (U_CE) durch tangierende Geraden anzunähern.

Daß bei großer Steuerspannung U_ce der Ansprechwert des nachgeschalteten Schmitt-Triggers unerwünschterweise schon bei kleineren Werten des Steuerstromes/_t-, als sich aus der Hyperbelfunktion ergeben würde, erreicht wird, ist auf die dann vorhandene starke Beeinflussung des Spannungsteilers, bestehend aus den Widerständen 20, 21 und 18 durch die Kollektor-Emitterspannung des Transistorsteilgliedes 9 zurückzuführen und drückt sich in dem vorher erwähnten umkehrenden Verlauf der Widerstandskombination 18 als Funktion des Emitterstromes J_E bei kleinen Werten desselben aus. Bei der vorliegenden Anwendung tritt dieser Effekt jedoch nicht störend auf. Durch geeignete Wahl des Spannungsteilers, bestehend aus den Widerständen 20 und 21 und der Versorgungsspannung am Punkt 15 kann der Spannungswert der Kollektor-Emitterspannung U_a._:, bei dem die Sicherungseinrichtung schon ohne einen Strom J_n anspricht, möglichst weit hinausgeschoben werden. Ist es notwendig, den Ansprechwert der Sicherungseinrichtung für den Emitterstrom J₁. = 0 noch weiter zu höheren Kollektor-Emitterspannungen U(X zu verschieben, so kann der Widerstand 20 aufgeteilt werden. Zwischen dem Teilpunkt des Widerstandes 20 und der Buchse 3 können ein oder mehrere abgestufte Schwellwcrtbildner, z. B. Zenerdiodcn, gelegt werden, um den -'Einfluß der Kollektor-Emitterspannung U,χ auf den Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 20, 21 und 18, gering zu halten. Im interessierenden Bereich kann auf die beschriebene Weise der Grenzwert der Verlustleistung des Stellgliedtransistors-mit großer Näherung überwacht werden, wie dem Diagramm gemäß Fig. 4 zu entnehmen ist. Hier zciiit Λ die ideale Kurve und B den Kurvenverlauf, wie er sich durch die Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung ergibt. .

Die Diode 49 in Verbindung mit dem Widerstand 47 hat einmal die Aufgabe, den Transistor 19 so weit vorzusteuern, daß schon geringe Emitterströme bzw. geringe Spannungsabfälle am Widerstand 10 wirksam werden können. Die Größe des Einflusses des Emitterstromes kann durch den Gegenkopplungswiderstand 48 verändert werden. Daneben hat die Diode 49 die Aufgabe, den Temperaturgang des Ansprechwertes des Transistors 19 zu kompensieren, da beide aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen und in Gegenreihe liegen. Ein weiterer Einfluß auf den Temperaturgang des Ansprechwertes der Sicherung ist durch die Wahl des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes 48 möglich.

Die Erfindung ermöglicht nun bei einem Stromversorgungsgerät zum einen die . Abgabe größerer Leistungen, ohne jemals überlastet zu werden, zum anderen aber wird eine Überdimensionierung vermieden, wobei der zulässige Arbeitsbereich des Transistorsteligliedes voll ausgenutzt wird.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Schaltungsanordnung zur Überwachung der Verlustleistung des Transistorstellgliedes eines stabilisierten Stromversorgungsgerätes, bestehend aus einer an den Ausgang des Stromversorgungsgerätes angeschlossenen, ein der jeweiligen Transistorverlustleistung proportionales Potential erzeugenden, produktbildenden Anordnung, die die Verlustleistungshyperbel des Transistorstellgliedes · unter Verwendung eines nichtlinearen Spannungsteilers nachbildet, und einer das Transistorstellglied steuernden, von der produktbildenden Anordnung beaufschlagten Grenzwertstufe bestimmter Ansprech- und Rückschaltspannung, d a durch gekennzeichnet, daß als produktbildende Anordnung ein ohmscher Spannungsteiler aus zwei festen Widerständen (20, 21) und einem veränderlichen Widerstand (18) zwischen dem Kollektor des Transistorstellgliedes (9) und der Ausgangsklemme (15) einer Hilfsspannungsquelle liegt, deren Potential, bezogen auf den Endpunkt des Emitterwiderstandes (10) des Transistorstellgliedes (9) als gemeinsamen Bezugspunkt, das umgekehrte Potential wie dessen Kollektor aufweist, daß der Abgriff des Spannungsteilers mit dem Kollektor eines Transistors (19) verbundden ist, der die entgegengesetzte Leitfähigkeit hat wie das Transistorstellglied (9), daß dessen Basis an der positiven Ausgangsklemme (3) des Strom-Versorgungsgerätes und daß dessen Emitter am Emitter des Transistorstellgliedes (9) liegt und daß der Verbindungspunkt der Widerstände. (20, 21) zur Ansteuerung der in bekannter Weise als Schmitt-Trigger (22) ausgeführten Grenzwertstufe geführt ist.

   2. Schaltungsanordnung rfach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung bei Netzgeräten, denen eine Schaltung mit steuerbaren Gleichrichtern' zur groben Spannungsanpassung vorgeschaltet ist.

   3.-Anordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet. claB iiinei halb des Schmitt-Triggers (22) die Spaninmjjsieilerwuleislande (25, 28. 36,

   37) und der Rückkopplungswiderstand (27) so dimensioniert sind, daß die Ansprechspannung des Schmitt-Triggers (22) gleich der Ausgangsspannung der produktbildenden Anordnung bei Erreichen der maximal zulässigen Stellglied-Verlustleistung ist, daß die Rückschaltspannung des

   Schmitt-Triggers gleich ist der Ausgangsspannung der produktbildenden Anordnung, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des gesperrten Stellgliedes einen Wert erreicht hat, der etwas größer ist als die fest eingestellte Sollspannung des Vorregelkreises am Stellglied.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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