DE19504124C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Schutz von durch Wechselspannung gespeisten elektrischen Verbrauchern gegen Netzüberspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 sowie eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 zum Schutz von durch Wechselspannung ge­ speisten elektrischen Verbrauchern gegen Netzüberspannungen, wobei Schaltungsmaßnahmen getroffen werden bzw. sind, die zwischen dem Netzeingang und der Schaltung des zugrunde­ liegenden elektrischen Gerätes vorgenommen werden bzw. sind.

Überspannungen, deren Ursachen außerhalb des zu schützenden Systems liegen und die über Verbindungsleitungen in das Sys­ tem gelangen oder durch induktive oder kapazitive Einkopplung auf den Stromversorgungsnetz entstehen, führen, je nach Amp­ litude und Energie, zur Zerstörung von angeschlossenen elekt­ rischen Geräten. Solche in der Regel nicht periodische Über­ spannungen entstehen beispielsweise aufgrund einer galvani­ schen Koppelung mit höheren Spannungspotentialen, Schaltvor­ gänge durch andere Verbraucher oder durch das Zu- und Ab­ schalten von Blindleistungskompensationskondensatoren in Ver­ sorgungsnetzen oder Blitzeinschlag in Leitungen, in denen dann eine Wanderwelle hoher Spannung entsteht. Weitere Ursa­ chen sind induktive Beeinflussungen, z. B. durch Kurzschluß in Versorgungsleitungen, insbesondere bei starrer Sternpunkter­ dung, wodurch in benachbarte Leitungen starke Ströme indu­ ziert werden können, sowie Beeinflussungen durch starke e­ lektromagnetische Felder.

In den einschlägigen Normen wie beispielsweise der VDE 0160 wird deshalb der Nachweis gefordert, daß elektrische Geräte energiereichen Überspannungsimpulsen widerstehen. Im Zuge der Harmonisierung des Rechts der Mitgliedsstaaten der Euro­ päischen Union als Folge des politischen Bestrebens, zu einem offenen Europäischen Markt zu kommen, ist eine Richtlinie erlassen worden, welche die Hersteller elektrischer Geräte vom 01.01.1996 an zwingt, daß von ihnen hergestellte und in den Verkehr gebrachte elektrische Geräte in der Richtlinie festgelegte Anforderungen an die elektromagnetische Verträg­ lichkeit, kurz EMV, erfüllen. EMV ist somit die Eigenschaft eines Gerätes, in einer elektromagnetischen Umgebung befrie­ digend zu funktionieren, ohne selbst mit unzulässig starken elektromagnetischen Störungen die Umwelt zu belasten. Neben der aktiven Emission von Störspannungen werden somit auch Anforderungen an die passive Beeinflußbarkeit durch Überspan­ nungen an ein elektrisches Gerät gestellt. Eine relevante EMV-Richtlinie ist beispielsweise die EN50178. Somit bestehen neben den einschlägigen Normen der VDE nunmehr auch europäi­ sche Richtlinien, welche erfordern, daß ein elektrisches Gerät Überspannungsimpulsen wiederstehen kann. Die Erfahrung zeigt jedoch, daß die bisherige Auslegung elektrischer Geräte nicht in allen Fällen ausreicht.

Es ist bekannt, daß herkömmliche Schaltungen zur Begrenzung von Überspannungen beispielsweise Überspannungsbegrenzer wie Varistoren und Gasableiter verwenden (vgl. D. Nührmann, Das große Werkbuch Elektronik, Teil A, 5. Aufl. 1989, Franzis- Verlags GmbH, München, S. 696ff.; Siemens Matushita Compo­ nents GmbH & Co. KG, Marketing, 1992, Best. Nr. B5-P6204, S. 48, Abb. 23a. u. 23b.). Diese sind in der Regel, ein Dreipha­ sensystem vorausgesetzt, in Form einer Dreieckschaltung zwi­ schen die einzelnen Phasen geschaltet. Aufgrund der nicht­ linearen Strom-Spannungs-Kennlinie des Varistors treten ent­ sprechende Verzerrungen und damit Oberwellenbildungen auf, die Spannungsverzerrungen resultieren lassen. Hinzu kommt, daß für die Begrenzung schneller Überspannungsstörungen mit großem dU/dt aufgrund der speziellen Spannungscharakteristik von Varistoren die Ansprechzeit häufig nicht kurz genug be­ messen werden kann.

Beim Auftreten von asymmetrischen Überspannungsimpulsen stellt sich zusätzlich das Problem, daß sich die statischen Gleichstromkennlinien eines Varistors von den dynamischen Wechselstromkennlinien unterscheiden, da hier der Einfluß des sich bildenden Scheinwiderstandes an Einfluß gewinnt. Aus diesem Grund kann das Verhalten eines Varistors nicht gleich­ zeitig für das Auftreten eines statischen Gleichspannungs­ impulses als auch eines dynamischen Wechselspannungsimpulses optimiert werden. Auch ist von Nachteil, daß im unteren Schutzbereich unter 1000 Volt aufgrund von Varistoren imma­ nenten Nichtlinearitäten keine ausreichende Begrenzung von Überspannungen möglich ist.

Weiterhin ist bekannt, zur Begrenzung von Überspannungen am Netzeingang beispielsweise eines Dreiphasensystems RC-Glieder einzusetzen. Die Widerstände werden jeweils in Reihe zu den einzelnen Phasen geschaltet, während die Kondenstoren in Dreieckschaltung zwischen die einzelnen Phasen geschaltet sind. Nachteilig bei dieser Methode ist jedoch, daß durch die Verwendung von Leistungskondensatoren die zu verarbeitenden hohen Energien in der Regel selbst bei sehr großer Dimensio­ nierung nicht vollständig unterdrückt werden können. Solche Maßnahmen sind eher zur Unterdrückung kleinerer aber dafür steilflankiger Überspannungen geeignet. Aufgrund der erfor­ derlichen großen Dimension solcher Leistungsbauteile sind diese zumeist teuer und außerdem nicht printfähig. Hinzu kommt, daß niederfrequente Störspannungen von den RC-Gliedern nicht wirksam ausgefiltert werden, sondern aufintegriert werden und so doch an das zu schützende elektrische Gerät gelangen und dieses mit hoher Wahrscheinlichkeit zerstören.

Desweiteren verwendet man zur Begrenzung von Überspannungen der elektrischen Schaltungen auch elektrische Strombegren­ zungen, welche beispielsweise in einem Zweiphasen- oder Dreiphasensystem im Anschluß an eine Gleichrichterschaltung in den stromführenden Zweig geschaltet werden.

Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren zur Be­ grenzung von Überspannungen müssen demnach folgende Nachteile in Kauf genommen werden. Bei der Verwendung von Über­ spannungsbegrenzern wie z. B. Varistoren können Spannungsver­ zerrungen auftreten und die Ansprechzeit der Varistoren ist aufgrund deren spezieller Spannungscharakteristik häufig nicht ausreichend kurz genug für Überspannungen mit großem dU/dt. Zudem verbleibt aufgund der spezifischen Eigenschaften von Varistoren gerade im kritischen Bereich unter 1000 Volt ein "Schutzloch". Genau wie bei der Verwendung von RC-Glie­ dern stellt sich das Problem, daß kein aktiver Ausgleich von austretenden Überspannungsimpulsen möglich ist, sondern le­ diglich auftretende Überspannungsimpulse zu einem großen Teil gefiltert werden können. Bei RC-Gliedern gelangen Über­ spannungen mit kleinem dU/dt doch an das zu schützende Gerät. Somit ist dadurch nicht gewährleistet, daß die zu dem elek­ trischen Gerät gelangende Versorgungsspannung auf einem kon­ stanten, zulässigen Wert verbleibt. Bei der Verwendung einer elektrischen Strombegrenzung ist ein aktives Nachstellen und somit Konstanthalten des zum elektrischen Gerät gelangenden Stromes zwar möglich, jedoch werden Überspannungsspitzen da­ durch nicht verhindert.

Aus DE-Elektroniker Nr. 8/1978, S. 15-17 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Geräte gegen Gleichspannungsüberspannungen bekannt, bei der allerdings keine Maßnahmen zum Schutz von durch Wechselspannungen ge­ speisten Geräten entnehmbar sind. Gleiches gilt auch für den Gegenstand der DE 34 25 235 C1. Die DE-Technische Mitteilung aus dem Bereich Bauelemente der Firma Siemens, Z-Dioden, 1976, S. 10 zeigt ebenfalls eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art. Dabei sind jedoch le­ diglich Maßnahmen zur Amplitudenbegrenzung offenbart, wobei keine Leistungstransistoren mit deren entsprechenden Sperr­ strecken in Reihe in jede Versorgungsleitung geschaltet sind. Auch sind keine Hinweise auf einen Einsatz von in Sperrich­ tung gepolten Leistungsdioden über der Sperrstrecke jedes Leistungstransistors offenbart. Somit wird hier, wie auch bei dem Gebrauchsmuster DE 91 14 784 U1, kein spannungsverzer­ rungsfreier Schutz vor zu hohen Wechselspannungen für elekt­ rische Verbraucher gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem gattungsgemäßen Ver­ fahren bzw. einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung einen Schutz von wechselspannungsgespeisten elektrischen Verbrau­ chern vor Netzüberspannung zu erreichen, wobei Spannungsver­ zerrungen vermieden werden.

Gemäß Anspruch 1 wird diese Aufgabe für das gattungsgemäße Verfahren durch folgende Merkmale gelöst:

• 1. 1.1 in Reihe zum elektrischen Verbraucher wird in jede Ver­ sorgungsleitung in Reihe ein Leistungstransistor, insbe­ sondere ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate, mit seiner Sperrstrecke geschaltet,
• 2. 1.2 die Sperrstrecke eines jeden Leistungstransistors wird mit einer in Sperrichtung gepolten Leistungsdiode ausrei­ chender Durchschlagsfestigkeit überbrückt,
• 3. 1.3 durch eine elektrische Steuereinrichtung wird jeder Lei­ stungstransistor so gesteuert, daß seine Sperrstrecke im Normalbetrieb eine minimale Durchlaßspannung aufweist,
• 4. 1.4 durch die elektrische Steuereinrichtung wird jeder Lei­ stungstransistor so gesteuert, daß an seiner Sperrstrecke bei Auftreten von Überspannung eine so hohe Spannung ab­ fällt, daß die Spannung an seinem Ausgang maximal so hoch ist, daß der nachfolgende elektrische Verbraucher diese sicher verarbeiten kann.

Eine alternative Lösung gemäß Anspruch 2 zeichnet sich dadurch aus, daß die Begrenzung der zu dem e­ lektrischen Verbraucher gelangenden Überspannung so durch­ geführt wird, daß diese Spannung auf einem konstanten Wert gehalten werden kann. Diese Lösung ist dadurch gekenn­ zeichnet daß sie folgende Merkmale aufweist:

• 1. 2.1 in Reihe zum elektrischen Verbraucher wird in jede Ver­ sorgungsleitung in Reihe ein Leistungstransistor, insbe­ sondere ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate, mit seiner Sperrstrecke geschaltet,
• 2. 2.2 die Sperrstrecke eines jeden Leistungstransistors wird mit einer in Sperrichtung gepolten Leistungsdiode ausrei­ chender Durchschlagsfestigkeit überbrückt,
• 3. 2.3 durch eine elektrische Steuereinrichtung wird jeder Lei­ stungstransistor so gesteuert, daß seine Sperrstrecke im Normalbetrieb eine minimale Durchlaßspannung aufweist,
• 4. 2.4 durch die elektrische Steuereinrichtung wird jeder Lei­ stungstransistor so gesteuert, daß an seiner Sperrstrecke bei Auftreten von Überspannung eine so hohe Spannung ab­ fällt, daß die Spannung an seinem Ausgang konstant bleibt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Er­ findung arbeitet besonders genau und ist vor allem zum Ein­ satz bei besonders empfindlichen und kritischen elektrischen Geräten befähigt. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes Merkmal aufweist:

• 1. 3.1 die Regelung der Ausgangspannung erfolgt durch einen kon­ tinuierlichen Betrieb in Form einer Linearregelung.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Er­ findung zeichnet sich dadurch aus, daß sie besonders einfach zu realisieren ist und somit auch für weniger empfindliche elektrische Verbraucher vorteilhaft eingesetzt werden kann. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes Merkmal aufweist:

• 1. 4.1 die Regelung der Ausgangspannung erfolgt durch schalten­ des Verhalten in Form einer Zweipunktregelung.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist vor allem zur Verarbeitung ho­ her Überspannungen mit großer Energie ausgelegt und ver­ größert somit den Betriebsbereich. Diese ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie folgendes Merkmal aufweist:

• 1. 5.1 vor den Leistungstransistor wird durch einen Überspan­ nungsbegrenzer, insbesondere ein Varistor oder Gasablei­ ter, welcher jeweils zwischen zwei Phasen des Netzein­ ganges geschaltet wird, also im Falle eines Drei-Phasen- Netzes in Form einer Dreieckschaltung beschaltet wird, eine Grobfilterung von Überspannungen vorgenommen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung erweitert das erfindungsge­ mäße Schutzkonzept, indem neben Überspannungen auch damit verbundene hohe Ströme unterdrückt werden. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes Merkmal aufweist:

• 1. 6.1 am Ausgang des Leistungstransistors wird eine elektrische Strombegrenzung nach einem herkömmlichen Verfahren ange­ fügt.

Gemäß der Erfindung wird ferner eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7 geschaffen, die besonders kostengüns­ tig realisiert werden kann und effektiv arbeitet. Diese Vor­ richtung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 1. 7.1 in jede Versorgungsleitung ist je ein Leistungstransi­ stor, insbesondere ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate, mit seiner Sperrstrecke in Reihe mit einem elektri­ schen Verbraucher geschaltet,
• 2. 7.2 über die Sperrstrecke jedes Leistungstransistors ist eine Leistungsdiode mit ausreichend hoher Sperrfestigkeit in Sperrichtung geschaltet,
• 3. 7.3 die Steueranschlüsse der beiden Leistungstransistoren sind über zwei gegeneinander gepolte spannungsbegrenzende Bauelemente, über denen eine konstante Spannung abfällt, insbesondere Zenerdioden oder Supressordioden hoher Leis­ tung, miteinander verbunden,
• 4. 7.4 zwischen dem Steueranschluß und dem eingangsseitigen Anschluß der Sperrstrecke eines Leistungstransistors ist jeweils ein Widerstand geschaltet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch einen beson­ ders weiten Anwendungsbereich aus und besitzt darüber hinaus den Vorteil, daß sie speziell auf die vorliegenden Gegeben­ heiten abgestimmt werden kann. Dies ist dadurch gekennzeich­ net, daß sie folgendes Merkmal aufweist:

• 1. 8.1 durch die Dimensionierung eines Kühlkörpers wird die Vor­ richtung an die Energie und die Häufigkeit der Über­ spannung angepaßt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß elektrische Verbraucher wirksam vor in Ver­ sorgungsnetzen auftretenden Überspannungsimpulsen geschützt werden können. Darüber hinaus lassen sich durch die erfin­ dungsgemäße Vorgehensweise die Anforderungen der einschlä­ gigen Normen wie VDE und der EMV-Richtlinie mit geringem Auf­ wand und besonderer Qualität erfüllen. Hinzu kommt, daß der Ausgleich von Überspannungen auf aktive Art und Weise er­ folgt, Spannungsverzerrungen, wie bei passiven Bauelementen üblich, vermieden werden und die Ansprechzeit vor allem beim Auftreten von steilflankigen Überspannungsimpulsen ausrei­ chend kurz bemessen werden kann. Dazu kommt, daß besonders der durch herkömmliche Schutzverfahren nicht hinreichend ab­ gedeckte Bereich unter 1000 Volt wirksam vor Überspannungen geschützt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gattungsbildend bezeichnet sind, gleiche Elemente jedoch nicht zwangsläufig dieselben sind. Weitere Zeichnungen zeigen die in der Be­ schreibungseinleitung gewürdigten herkömmlichen Verfahren zur Begrenzung vor Überspannungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zum eingangs geschilderten Stand der Technik (DE-Elektroniker Nr. 8/1978), das eine Be­ grenzung von Überspannungsimpulsen durch Linearregelung am Beispiel eines Dreiphasennetzes mit anschließender Gleichrichtung aufzeigt,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungsimpulsen bei wechsels­ pannungsgespeisten elektrischen Verbrauchern durch Li­ nearregelung am Beispiel eines Zweiphasennetzes,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungsimpulsen mit Zweipunk­ tregelung am Beispiel eines Dreiphasennetzes mit an­ schließender Gleichrichtung,

Fig. 4 eine Prinzipskizze der herkömmlichen Begrenzung von Ü­ berspannungen mit Hilfe von Varistoren,

Fig. 5 eine Prinzipskizze der herkömmlichen Verwendung von RC- Gliedern zur Begrenzung von Überspannung und

Fig. 6 eine Prinzipskizze der Verwendung von elektrischen Strombegrenzungen zur Begrenzung von Überspannungen.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Blockschaltbild ge­ zeigt, welches eine prinzipiell bekannte Vorrichtung zur Be­ grenzung von Überspannungen mittels einer Linearregelung wie­ dergibt. Dies ist anhand eines Beispiels mit einem Dreipha­ sendrehstromsystem L1, L2 und L3 und darauffolgendem Gleich­ richter GR ausgeführt. Die am Ausgang des Gleichrichters GR abgegriffene Spannung ist durch den Pfeil UE gekennzeichnet, welcher die Eingangsspannung zu der darauffolgenden Schaltung kennzeichnet und von Punkt 1 nach Punkt 4 verläuft. Ein Leis­ tungstransistor T, im Falle des Ausführungsbeispieles ein Bi­ polartransistor mit isoliertem Gate, ist mit seiner Sperr­ strecke zwischen den Punkten 1 und 2 in Reihe mit einem dar­ auffolgenden elektrischen Verbraucher V geschaltet. Der drit­ te Anschluß des Bipolartransistors T, der Steueranschluß, ist über eine Supressordiode SD hoher Leistung mit dem zweiten, die Versorgungsspannung zum elektrischen Verbraucher V füh­ renden Anschluß 4 verbunden. Desweiteren ist der Steueran­ schluß 3 des Bipolartransistors T mit dem die gleichgerichte­ te Versorgungsspannung führenden Anschluß 1 des Bipolar­ transistors T über einen Widerstand R verbunden. Die über der Sperrstrecke des Bipolartransistors T abfallende Spannung ist mit einem Spannungspfeil U₁₂ bezeichnet. Desweiteren ist die Spannung über dem Widerstand R mit einem Spannungspfeil U₁₃ gekennzeichnet, der vom Anschluß 1 nach Anschluß 3 verläuft. Die Spannung über der Supressordiode SD ist mit einem Span­ nungspfeil U₃₄ gekennzeichnet, der von Punkt 3 nach Punkt 4 verläuft. Die Überspannungsbegrenzte Ausgangsspannung, welche zum elektrischen Verbraucher V gelangt, wird an den Punkten 2 und 4 abgegriffen und ist durch einen Spannungspfeil U_A ge­ kennzeichnet, der von Punkt 2 nach Punkt 4 verläuft.

Im folgenden wird zunächst auf die Wirkungsweise der Schal­ tung nach Fig. 1 eingegangen. Um einen elektrischen Verbrau­ cher V aktiv vor Überspannungen auf dem Versorgungsnetz, wel­ che an dem Eingang des elektrischen Verbrauchers V erschei­ nen, zu schützen, bedarf es der Verwendung aktiver elektroni­ scher Bauelemente. Dazu wird in der Schaltung, welches für Gleichspannung und somit Überspannungen positiver Polarität ausgelegt ist, ein beson­ ders geeigneter Bipolartransistor T mit isoliertem Gate als Steueranschluß eingesetzt. Dieser wird mit seiner Sperr­ strecke direkt in Reihe in eine der Versorgungsleitung ge­ schaltet, welche zu dem elektrischen Verbraucher V führt. Ein solcher Bipolartransistor T mit isoliertem Gate besitzt den Vorteil, daß er große Leistungen verarbeiten kann, so daß er hohe Sperrspannungen über seiner Sperrstrecke verträgt. Gleichzeitig besitzt er den Vorteil, daß sich die Sperr­ strecke über den isolierten Steueranschluß quasi leistungslos schalten läßt, was zur Folge hat, daß zum Schalten nur geringe Ströme benötigt werden, so daß die dadurch verur­ sachte Verlustleistung gering gehalten werden kann. An den Steueranschluß des Bipolartransistors mit isoliertem Gate T ist eine Supressordiode SD geschaltet, welche mit ihrem zwei­ ten Anschluß direkt mit der anderen zum elektrischen Ver­ braucher V führenden Versorgungsleitung verbunden ist. Eine solche Supressordiode SD zeichnet sich, wie auch der Bipolartransistor mit isoliertem Gate, dadurch aus, daß sie hohe Spannungen verarbeiten kann. Zur weiteren Ansteuerung des Steueranschlusses des Bipolartransistors T mit isoliertem Gate ist dieser, gekennzeichnet durch Punkt 3, über einen Widerstand R, welcher in seiner Leistung an die zu verarbei­ tende bzw. zu begrenzende Überspannung angepaßt sein muß, mit dem Anschluß der Sperrstrecke des Bipolartransistors T ver­ bunden, welcher zum Versorgungsnetz hinzeigt.

Liegt eine vom Versorgungsnetz gelieferte Spannung, im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel ist dies eine gleichgerichtete Spannung U_E, im zulässigen Bereich der Versorgungsspannung, so wird der Bipolartransistor T mit isoliertem Gate durchge­ schaltet, was zur Folge hat, daß seine Sperrstrecke sehr niederohmig wird und eine darüber abfallende Spannung U₁₂ ge­ gen 0 V geht. Dies geschieht dadurch, daß der über den Wider­ stand R fließende Strom den Bipolartransistor T mit isolier­ tem Gate durchsteuert, weil über die Supressordiode SD, wel­ che im Bereich der normalen Versorgungsspannung nicht durch­ schaltet, kein Strom fließen kann.

Tritt nun in der Versorgungsspannung U_E eine Überspannung auf, so wirkt sich diese Spannungserhöhung auch auf die Supressordiode SD aus. Sowohl die Spannung U₁₃ über dem Widerstand R als auch die Spannung U₃₄ über der Supressordi­ ode steigen mit zunehmender Erhöhung von U_E. Bei geeigneter Dimensionierung der Durchschaltspannung der Supressordiode SD schaltet diese bei Erreichen des Schwellwertes durch und der über den Widerstand R fließende Strom, welcher bisher den Bipolartransistor mit isolierendem Gate T durchgeschaltet hat, fließt zu einem Großteil über die Supressordiode SD ab. Dies ist vor allem daher der Fall, weil der Bipolartransistor T mit isoliertem Gate aufgrund des isolierten Steueranschlus­ ses quasi leistungslos geschaltet wird und nur einen sehr geringen Strom aufnimmt. Dies hat nun zur Folge, daß der Bipolartransistor T mit isoliertem Gate über seiner Sperr­ strecke zunehmend hochohmig wird und darüber eine Spannung U₁₂ abfällt. Dieser Spannungsabfall wiederum bewirkt, daß sich die am Ausgang des Bipolartransistors T zu messende Spannung U_A, welche zu dem zu versorgenden elektrischen Verbraucher V gelangt, eben um diesen Spannungsbetrag U₁₂ vermindert wird. Die durch eine Überspannung im Versorgungs­ netz verursachte Differenz zwischen benötigter Versorgungs­ spannung U_E und dem tatsächlichen Wert von U_E entspricht somit dem Wert der Spannung U₁₂, welcher über der Sperr­ strecke des Bipolartransistors T mit isoliertem Gate abfällt. Da die Spannung über der Sperrstrecke des Bipolarransistors T somit jeweils der Differenz zwischen erwünschter und tatsäch­ lich vorhandener Eingangsspannung U_E entspricht, erfolgt die Überspannungsbegrenzung kontinuierlich in Form einer Linear­ regelung. Die Ausgangsspannung U_A wird somit konstant gehal­ ten.

Bevor die Darstellung gemäß Fig. 2 beschrieben wird, sei zu­ nächst auf Fig. 3 eingegangen.

In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist ein Blockschaltbild ge­ zeigt, welches eine Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungen mittels einer Zweipunktregelung wiedergibt. Dabei ist der Aufbau in wesentlichen Teilen identisch mit der Darstellung in Fig. 1. Lediglich die Supressordiode SD aus Fig. 1 ist durch einen Komparator K mit entsprechender Beschaltung ersetzt. Der Ausgang des Komparators K ist mit dem Steueranschluß 3 des Bipolartransistors T mit isoliertem Gate verbunden. Der Referenzeingang, also der nicht-invertierende Eingang des Komparators, wird mit einer Referenzspannung U_Eref beauf­ schlagt, deren Wert proportional zur gewünschten Eingangs­ spannung für den elektronischen Verbraucher V ist. Der inver­ tierende Eingang des Komparators K liegt an einem Wider­ standsteiler Ra und Rb, über dem die tatsächliche Versor­ gungsspannung U_E abfällt.

Zur Realisierung eines einfacheren Regelungskonzeptes, einer Zweipunktregelung mit schaltendem Verhalten, wird die Supres­ sordiode SD aus Fig. 1 durch einen Komparator K in Fig. 3 er­ setzt. Der Komparator K ist mit seinem Ausgang an Punkt 3, den Steueranschluß des Bipolartransistors T, angeschlossen. Bei einem nichtinvertierenden Eingang wird der Komparator K mit einer Referenzspannung U_ERef beaufschlagt. Der invertie­ rende Eingang liegt an einem Widerstandsteiler Ra und Rb, der direkt nach dem Gleichrichter GR zwischen die beiden Versor­ gungsleitungen geschaltet ist. Über diesen Widerstandsteiler Ra und Rb gelangen tatsächliche Spannungsänderungen an der Versorgungsspannung, beispielsweise durch Blitzeinschlag ver­ ursachte Überspannung, zum Komparator K. Über die Dimen­ sionierung des Widerstandsteilers Ra und Rb lassen sich die Schaltpunkte zu Zweipunktregelungen entsprechend den ge­ wünschten Werten für den zu schützenden elektrischen Verbrau­ cher V einstellen. Kommt es nun zu Abweichungen zwischen der tatsächlichen über dem Widerstand Rb abfallenden Spannung und Referenzspannung U_ERef, so schaltet der Ausgang des Kompara­ tors durch und entzieht wie zuvor die Supressordiode SD den über den Leistungswiderstand R fließenden Strom, welcher den Bipolartransistor T durchschaltet. Auf diese Art und Weise gelangt der Bipolartransistor T in den Sperrzustand und über seiner Sperrstrecke fällt eine Spannung U₁₂ ab, welche den durch die Überspannung verursachten Wert der Versorgungs­ spannung auf ein für den elektrischen Verbraucher V unschäd­ lichen Wert begrenzt.

Nun zu Fig. 2

In der Darstellung in Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der er­ findungsgemäßen Vorrichtung zur Begrenzung von Überspan­ nungsimpulsen bei wechselspannungsgespeisten elektrischen Verbrauchern durch Linearregelung am Beispiel eines Zweipha­ sennetzes gezeigt. Dazu ist in beide Versorgungsleitungen je­ weils ein Bipolartransistor T1 und T2 mit seiner Sperrstrecke geschaltet, welcher jeweils durch eine in Sperrichtung gepol­ te Diode D1 bzw. D2 überbrückt ist. Die beiden Steueran­ schlüsse 3' und 4' der beiden Transistoren sind über zwei ge­ geneinander gepolte Zehnerdioden ZD1 und ZD2 miteinander ver­ bunden. Außerdem sind beide Steueranschlüsse jeweils über ei­ nen Widerstand R1, R2 mit dem zum Versorgungsnetz gerichteten Anschluß 1' und 5' der Sperrstrecke des jeweiligen Transis­ tors verbunden.

Die in den beiden nach Fig. 1 und 3 dargestellte Überspannungsbegrenzung wird bei durch Gleichspannung gespeisten elektrischen Verbrauchern verwendet. Gemäß der vorlie­ genden Erfingung wird entsprechend Fig. 2 für Wechsel­ spannungen in jede der zu dem elektrischen Verbraucher V führenden Zuleitungen ein Bipolartransistor in der weiter oben dargestellten Art und und Weise geschaltet. Im Fal­ le einer Zweiphasenwechselspannung gelangen so zwei Bipo­ lartransistoren T1 und T2 mit isoliertem Gate zum Einsatz. Da aufgrund des Polaritätswechsels der Versorgungsspannung beim Durchschalten eines der Bipolartransistoren T1 und T2 in der Regel der andere Transistor gesperrt wird, ist durch diese Schaltungsmaßnahme allein ein Stromfluß nicht möglich. Aus diesem Grund werden erfindungsgemäß über beide Sperrstrecken der Bipolartransistoren T1 und T2 Dioden D1 und D2, bevorzug­ terweise Leistungsdioden, geschaltet, die jeweils in Sperr­ richtung gepolt sind. Wird ein Bipolartransistor, beispiels­ weise T1, aufgund einer Überspannung in den Sperrzustand gesteuert, so schaltet der andere, T2, durch und der Betrieb ist unproblematisch. Ist der Bipolartransistor T1 jedoch durchgesteuert, so sperrt T2, ohne daß dadurch eine Überspan­ nung ausgeglichen werden soll. In diesem Fall ist der Betrieb problematisch, weil ein Stromfluß so nicht möglich ist. Über die die Sperrstrecke von T2 überbrückende Diode D2 jedoch kann der Strom fließen und es wird somit ein ungestörter Stromfluß ermöglicht. Die über der jeweiligen Diode D1 bzw. D2 abfallende Verlustspannung von 0,7 Volt ist in der Regel gegenüber der einen elektrischen Verbraucher V versorgenden Ausgangsspannung, beispielsweise 220 Volt, vernachlässigbar.

Zum Ansteuern der beiden Bipolartransistoren T1 und T2 für eine Linearregelung ist der eingangsseitige Anschluß jedes Transistors über einen Widerstand R1 und R2 mit seinem Steuranschluß verbunden. Über den jeweiligen Widerstand R1 bzw. R2 fließt der Strom einer Halbwelle und steuert den Bipolartransistor T1 bzw. T2 durch, sofern die Spannung im zulässigen Bereich liegt. Als die Begrenzung einer eventuel­ len Überspannung auslösendes Element wird ein Bauelement eingesetzt, an dem eine konstante Spannung abfällt. Im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel sind dies beispielsweise in Sperrichtung gepolte Zehnerdioden ZD1 und ZD2 mit geeigneter Durchbruchspannung. Über solche Zehnerdioden ZD1 und ZD2, welche jeweils in Sperrichtung an den Steueranschluß des dazugehörigen Bipolartransistors T1 bzw. T2 geschaltet sind, fließt nach Durchbruch ein Teil des Stromes ab, welcher zuvor den Bipolartransistor T1 bzw. T2 durchgesteuert hat. Die beiden im Ausführungsbeispiel verwendeten Zehnerdioden ZD1 und ZD2 sind somit gegeneinander gepolt. Zusätzlich werden sie direkt miteinander verbunden. Das hat zur Folge, daß bei Überspannung immer eine der beiden Zehnerdioden ZD1 bzw. ZD2 durchbricht und eine konstante Spannung darüber abfällt, wäh­ rend die andere durchschaltet. Bei der Bemessung der für eine bestimmte Überspannung erforderlichen Durchbruchspannung sind die Durchlaßspannung der anderen Diode ZD1 bzw. ZD2 sowie der Spannungsabfall über den beiden Widerständen R1 und auch R2 zu berücksichtigen. Alternativ kann anstelle der beiden ge­ genläufig gepolten Zehnerdioden ZD1 bzw. ZD2 auch ein direkt wechselspannungsbegrenzendes Bauelement wie eine spezielle Supressordiode SD eingesetzt werden. Unabhängig von der Vari­ ante wird auf diese Weise eine Überspannung, egal in welcher der Halbwellen sie auftritt bzw. welches Vorzeichen sie auf­ weist, wirksam durch einen dem Wert der Überspannung entspre­ chenden Spannungsabfall über der Sperrstrecke des jeweiligen Transistors ausgeglichen. Bei der Bemessung der Dioden D1 und D2 ist zu beachten, daß deren Sperrspannung im Rahmen der auftretenden Spannung über dem Bipolartransistor T1 bzw. T2 liegt.

Auch in Verbindung mit der Vorrichtung nach Fig. 2 ist eine Schaltungsvariante vorstellbar, die anstelle der beiden Zeh­ nerdioden ZD1 und ZD2 einen Komparator K einsetzt und mit diesem eine Zweipunktregelung zur Begrenzung von Überspannun­ gen alternierender Polarität in Anlehnung an die Schaltungs­ variante nach Fig. 3 realisiert.

In der Darstellung in Fig. 4 ist eine Prinzipskizze zur Be­ grenzung von Überspannung mit Varistoren Va gezeigt. Die Schaltung ist beispielhaft anhand eines Dreiphasendreh­ stromsystems mit den Leitern L1, L2 und L3 gezeigt. Dazu wer­ den die Varistorn Va in Dreieckschaltung zwischen die ein­ zelnen Phasen geschaltet, so daß jeweils ein Varistor Va zwi­ schen Leiter L1 und L2 verläuft, ein weiterer zwischen Leiter L2 und L3 und ein dritter Varistor Va zwischen den beiden Leitern L1 und L3. Auf die Wirkungsweise des Varistors ist in der Beschreibungseinleitung bereits eingegangen wor­ den.

Soll die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungen an Versorgungsnetze mit sehr hohen Versor­ gungsspannungen angeschlossen werden oder besteht die Gefahr von besonders energiereichen Überspannungsimpulsen, so werden in einer besonders darauf abgestimmten Ausführungsform vor die bisher dargestellte Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 3 ein oder mehrere weitere Überspannungsbegrenzer ge­ schaltet. Ein solcher Überspannungsbegrenzer kann beispiels­ weise ein Varistor sein, welcher in der in Fig. 4 gezeigten Art und Weise bei Verwendung eines Drei-Phasen-Netzes in Form einer Dreieckschaltung zwischen die einzelnen Phasen L1, L2 und L3 geschaltet wird. Dies hat zur Folge, daß besonders energiereiche Überspannungsspitzen bereits durch die Varisto­ ren Va auf ein geringeres Maß begrenzt werden, welches dann von der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiterverarbeitet wer­ den kann. Eine solche kombinierte Vorrichtung arbeitet vor allem deshalb sehr effektiv, da diese beiden aufeinanderfol­ genden Stufen jeweils einen unterschiedlichen Bereich von Überspannungsimpulsen begrenzen, der von der jeweils anderen Stufe nicht verarbeitet werden kann. Da die Varistoren sehr träge reagieren, im Bereich unter 1000 V ein sogenanntes "Schutzloch" besitzen und darüber hinaus ein nicht lineares Verhalten aufweisen, eignet sich die erfindungsgemäße Vor­ richtung besonders in Kombination mit einem solchen herkömm­ lichen Verfahren zur Überspannungsbegrenzung, da erfindungs­ gemäß eine aktive Begrenzung vor allem im Schutzbereich von unter 1000 V durchgeführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrich­ tung ist aufgrund der Verwendung eines extrem schnellen Bipolartransistors mit isoliertem Gate in der Lage, auch solche Spannungsimpulse mit großen dU/dt wirksam zu begren­ zen. Hinzu kommt, daß vor allem mit Verwendung einer Supres­ sordiode SD, also der Realisierung einer Linearregelung, ein lineares Ausregeln von Überspannungsimpulsen möglich ist.

In der Zeichnung in Fig. 5 ist eine Prinzipskizze zur Verwen­ dung von ebenfalls eingangs bezüglich ihrer Arbeitsweise geschilderten RC-Gliedern zur Begrenzung von Überspannungen gezeigt wie sie in herkömmlichen Vorrichtungen zur Überspan­ nungsbegrenzung eingesetzt werden. Ebenfalls ist dies anhand eines Dreiphasendrehstromsystems mit den Leitern L1, L2 und L3 gezeigt. In Reihe zu jedem der drei genannten Leiter ist ein Widerstand Rc geschaltet. Die Kondensatoren C sind, wie die Varistoren Va in Fig. 2, in Form einer Dreieckschaltung im Anschluß an die verwendeten Widerstände Rc zwischen die drei Phasen L1, L2 und L3 geschaltet.

In der Zeichnung in Fig. 6 ist eine Prinzipskizze zur Verwen­ dung von einer elektrischen Strombegrenzung gezeigt. Eben­ falls wurde ein Dreiphasendrehstromsystem beispielhaft einge­ setzt. Die Dreiphasenwechselspannung wird jedoch in einem Gleichrichter GR zu einer Gleichspannung gleichgerichtet. In eine der beiden diese Spannung führenden Versorgungsleitungen wird eine Standardschaltung zur Strombegrenzung in Reihe zum elektrischen Verbraucher geschaltet.

Die mit Bezug auf Fig. 4 beschriebene Vorrichtung läßt sich noch weiter verbessern, indem im Anschluß an die erfindungs­ gemäße Vorrichtung zusätzlich eine elektrische Strombegren­ zung, beispielsweise nach dem in Fig. 6 dargestellten herkömm­ lichen Verfahren, angefügt wird. Die elektrische Strombegren­ zung wird an die Punkte 2 und 3 der Blockschaltbilder aus Fig. 1 und Fig. 2 angeschaltet und besitzt somit den Vorteil, daß neben Überspannungsspitzen auch hohe Ströme, welche den nachgeschalteten Verbraucher V ebenfalls beschädigen können, beschränken.

Sofern das Auftreten von Überspannungen hinsichtlich der da­ bei auftretenden Energie und der Häufigkeit von Überspan­ nungsspitzen ungefähr bekannt ist, ergibt sich eine einfache Möglichkeit der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung für unterschiedliche elektrische Verbraucher unter­ schiedlicher Leistungsaufnahme. Durch die Dimensionierung eines Kühlkörpers für den oder die Transistoren T und/oder Leistungswiderstände R läßt sich die Vorrichtung so auslegen, daß die bei der Begrenzung der auftretenden Überspannungen zu vernichtenden Energien ohne Zerstörung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verarbeitet werden können.

Claims (8)

1. Verfahren zum Schutz von durch Wechselspannung gespeisten elektrischen Verbrauchern (V) gegen Netzüberspannungen, wo­ bei Schaltungsmaßnahmen getroffen werden, die zwischen dem Netzeingang und der Schaltung des zugrunde liegenden elek­ trischen Gerätes vorgenommen werden, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale:

• 1. 1.1 in Reihe zum elektrischen Verbraucher (V) wird in jede Versorgungsleitung in Reihe ein Leistungstransistor (T1, T2), insbesondere ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate, mit seiner Sperrstrecke geschaltet,
• 2. 1.2 die Sperrstrecke eines jeden Leistungstransistors (T1, T2) wird mit einer in Sperrichtung gepolten Leistungs­ diode (D1, D2) ausreichender Durchschlagsfestigkeit über­ brückt.
• 3. 1.3 durch eine elektrische Steuereinrichtung wird jeder Lei­ stungstransistor (T1, T2) so gesteuert, daß seine Sperr­ strecke im Normalbetrieb eine minimale Durchlaßspannung aufweist,
• 4. 1.4 durch die elektrische Steuereinrichtung wird jeder Lei­ stungstransistor (T1, T2) so gesteuert, daß an seiner Sperrstrecke bei Auftreten von Überspannung eine so hohe Spannung (U₁₂, U₅₆) abfällt, daß die Spannung an seinem Ausgang (U_A) maximal so hoch ist, daß der nachfolgende elektrische Verbraucher (V) diese sicher verarbeiten kann.

2. Verfahren zum Schutz von durch Wechselspannung gespeisten elektrischen Verbrauchern (V) gegen Netzüberspannungen, wo­ bei Schaltungsmaßnahmen getroffen werden, die zwischen dem Netzeingang und der Schaltung des zugrunde liegenden elek­ trischen Gerätes vorgenommen werden, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale:

• 1. 2.1 in Reihe zum elektrischen Verbraucher (V) wird in jede Versorgungsleitung in Reihe ein Leistungstransistor (T1, T2), insbesondere ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate, mit seiner Sperrstrecke geschaltet,
• 2. 2.2 die Sperrstrecke eines jeden Leistungstransistors (T1, T2) wird mit einer in Sperrichtung gepolten Leistungs­ diode (D1, D2) ausreichender Durchschlagsfestigkeit über­ brückt.
• 3. 2.3 durch eine elektrische Steuereinrichtung wird jeder Lei­ stungstransistor (T1, T2) so gesteuert, daß seine Sperr­ strecke im Normalbetrieb eine minimale Durchlaßspannung aufweist,
• 4. 2.4 durch die elektrische Steuereinrichtung wird jeder Lei­ stungstransistor (T1, T2) so gesteuert, daß an seiner Sperrstrecke bei Auftreten von Überspannung eine so hohe Spannung(U₁₂, U₅₆) abfällt, daß die Spannung an seinem Ausgang (U_A) konstant bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich­ net durch folgendes Merkmal:

• 1. 3.1 die Regelung der Ausgangspannung erfolgt durch einen kontinuierlichen Betrieb in Form einer Linearregelung.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich­ net durch folgendes Merkmal:

• 1. 4.1 die Regelung der Ausgangspannung erfolgt durch schalten­ des Verhalten in Form einer Zweipunktregelung.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch folgendes Merkmal:

• 1. 5.1 vor jeden Leistungstransistor (T1, T2) wird durch einen Überspannungsbegrenzer, insbesondere ein Varistor (Va) oder Gasableiter, welcher jeweils zwischen zwei Phasen des Netzeinganges geschaltet wird, also im Falle eines Drei-Phasen-Netzes (L1, L2, L3) in Form einer Dreieck­ schaltung beschaltet wird, eine Grobfilterung von Über­ spannungen vorgenommen.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch folgendes Merkmal:

• 1. 6.1 am Ausgang des Leistungstransistors (T) wird eine elek­ trische Strombegrenzung (SB) nach einem herkömmlichen Verfahren angefügt.

7. Schaltungsanordnung zum Schutz von durch Wechselspannung gespeisten elektrischen Geräten gegen Netzüberspannungen, die zwischen dem Netzeingang und dem Verbraucher angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkma­ le:

• 1. 7.1 in jede Versorgungsleitung ist je ein Leistungstransi­ stor (T1, T2), insbesondere ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate, mit seiner Sperrstrecke in Reihe mit einem elektrischen Verbraucher (V) geschaltet,
• 2. 7.2 über die Sperrstrecke jedes Leistungstransistors ist ei­ ne Leistungsdiode (D1, D2) mit ausreichend hoher Sperr­ festigkeit in Sperrichtung geschaltet,
• 3. 7.3 die Steueranschlüsse der beiden Leistungstransistoren (T1, T2) sind über zwei gegeneinander gepolte spannungs­ begrenzende Bauelemente (ZD1, ZD2), über denen eine kon­ stante Spannung abfällt, insbesondere Zenerdioden oder Supressordioden hoher Leistung, miteinander verbunden,
• 4. 7.4 zwischen dem Steueranschluß und dem eingangsseitigen An­ schluß der Sperrstrecke eines Leistungstransistors (T1, T2) ist jeweils ein Widerstand (R1, R2) geschaltet.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekenn­ zeichnet durch folgendes Merkmal:

• 1. 8.1 durch die Dimensionierung eines Kühlkörpers wird die Schaltungsanordnung an die Energie und die Häufigkeit der Überspannung angepaßt.