DE2640354C2 - Dynamische Strombegrenzungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamische Strombegrenzungsschaltung nu:h dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-16 13 445).

Es sind geregc/te Spannungsversorgungsschaltungen bekannt, bei denen ein Halbleiterelement in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen den Stromkreis öffnet und schließt, wobei das Öffnungs/Schließungsverhältnis des Schalters die pro Zeiteinheit übertragene Energiemenge festlegt Aus einer nicht stabilisierten Gleichspannungsquelle wird auf diese Weise am Ausgang der Schaltung eine geregelte Gleichspannung gewonnen. Die übliche Leistungsstufe einer stabilisierten Spannungsversorgungsschaltung benutzt üblicherweise wenigstens einen Leistungstransistor als Schalteinrichtung. Dieser Transistor, der vom npn-Typ sein mag, ist mit seinem Kollektor an die positive Klemme einer nicht regulierten Spannung und mit seinem Emitter an die Kathode einer Kommutierungsdiode angeschlossen, die auch als Freilaufdiode bezeichnet wird, während die Anode dieser Diode an die negative Klemme der ungeregelten Gleichspannung angeschlossen ist. Parallel zu der Freilaufdiode ist ein Filter angeordnet, das aus einer Spule und einem Kondensator besteht und an dessen Ausgang die mit der geregelten Spannung zu versorgende Last angeschlossen ist. Die Basis des Leistungstransistors wird von einem geeigneten Treiberschaltkreis angesteuert. In der zuvor erwähnten bekannten Schaltungsanordnung wird der Schalttransistor durch das Ausgangssignal des Treiberschaltkreises, welcher periodisch auftretende Ansteuerimpulse liefert, abwechselnd in den stromführenden und den nicht leitenden Zustand gesteuert. Hierdurch wird abwechselnd ein Strom durch die Spule des Filters geschickt. Die Freilaufdiode hat hierbei die Aufgabe, einen Strom durch die Spule während der Zeit zu erzeugen, in der der Schalttransistor ausgeschaltet ist, d. h. den Strom zwischem dem Transistor und der Freilaufdiode zu kommutieren, wobei der Wert des Stromes als mittlerer Wert zwischen dem minimalen durch die Spule entsprechend der Anstiegsflanke des Treiberimpulses fließenden Strom und dem maximalen aufgrund der Hinterflanke des Treiberimpulses durch die Spule fließenden Strom gegeben isL Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung können jedoch Stromspitzen mit großer Amplitude auftreten, wenn der Schalttransistor vom-nicht leitenden Zustand in den stromführenden Zustand umgeschaltet wird. Diese Stromspitzen werden durch die Tatsache verarsacht, daß die Freilaufdiode hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit kein ideales Element darstellt In Wirklichkeit tritt bei der Diode ein Phänomen auf, das als Minoritätsträgeraustrag bezeichnet wird und bedeutet daß nach einer Stromführung in Durchlaßrichtung die tiunmehr umgekehrt gepolte Diode für eine kurze Zeitspanne TR, die als Erholzeit bezeichnet wird, nahezu kurzgeschlossen ist Daraus folgt daß während dieser Erholzeit Stromspitzen mit hoher Amplitude in dem Schalttransistor auftreten und dem von dem Transistor gelieferten Gleichstrom überlagert werden. Diese Stromspitzen, die während der Erholzeit der Freilaufdiode auftreten, können sehr hohe Werte, beispielsweise bis zum fünffachen mittleren Strom durch den Transistor, erreichen. Es liegt auf der Hand, daß solche hohen Ströme den Schalttransistor der geregelten Spannungs-Versorgungsschaltung überlasten und diesen zerstören können.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art bei der ein Schalttransistor über eine Freilaufdiode und ein Filter eine Last mit Spannung versorgt ist aus der DE-AS 16 13 445 bekannt Dort ist einer Siebdrossel im Lastkreis eine weitere Spule als Zusatzentwicklung parallelgeschaltet. Durch Bemessung der Widerstände beider Wicklungen und Einstellung des Stromes über die Zusatzwicklung durch einen Regelwiderstand läßt sich der höchstzulässige, über die Siebdrossel fließende Laststrom vorgeben, bis zu welchem ein an die beiden Wicklungen angeschlossener Rückkopplungstransistor nicht eingeschaltet wird. Der Rückkopplungstransistor wirkt bei Oberlast auf einen Impulsformer- ein, der die Dauer der Impulse verkürzt, mit dem der Schalttransistor angesteuert wird. Nachteilig bei der bekannten Schaltungsanordnung ist es, daß die zu Beginn des Schaltimpulses auf Grund der Freiwerdezeit der Freilaufdiode fließende Stromspitze von der Induktivität nicht erfaßt wird, so daß kein vollständiger Schutz erzielt wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von der vorstehend erwähnter, bekannten Schaltungsanordnung eine dynamische Strombegrenzungsschaltung für ein geregeltes Netzgerät mit einem Schalttransistor anzugeben, bei dem der Schalttransistor in jedem Fall gegen Überlastung geschützt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dem Unteranspruch entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein dynamischer Strombegrenzungsschaltkreis vorgesehen, der einen Rückkopplungstransistor und eine Rückkopplungsspule von geeignetem Wert aufweist. Diese Komponenten sind in geeigneter Weise zwischen dem Leistungstransistor und der Freilaufdiode angeordnet. Der Rückkopplungstransistor steuert den Basisstrom des Schalttransistors in einer solchen Weise, daß jedesmal, wenn der Schalttransistor von dem »Aus«-Zustand in den »Ein«-Zustand geschaltet wird und normalerweise die hohen Stromspitzen auftreten würden, ein Teil des Basisansteuerstromes abgezweigt wird. Der Rückkopp-

lungstransistor wird hierbei durch die über der Rückkopplungsspule abfallende Spannung gesteuert, wobei diese Spannung außer durch die Induktivität der Spule durch den zeitlichen Stromanstieg festgelegt ist

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungsreglers,

F i g. 2 ein Diagramm von an verschiedenen Punkten der Schaltung gemessenen Strömen und

F i g. 3 das Kennlinienbild eines Leistungstransistors.

Gemäß Fig. 1 dient ein Leistungs-Schalttransistor 1 der Spannungsregelung. Dieser Transistor, beispielsweise vom npn-Typ ist mit seinem Kollektor an die positive Klemme der nicht geregelten Spannungsquelle -I- Vs und mit seinem Emitter mit der Basis eines Rückkopplungsstransistors 2, der ebenfalls vom npn-Typ sein mag, verbunden. Der Rückkopplungstransistor 2 ist ferner mit seinem Kollektor an die Basis des Schalttransistors 1 angeschlossen und ist somit parallel _zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors 1 geschaltet Weiterhin ist zwischen der Basis und dem Emitter des Rückkopplungstransistors 2 eine Spule 3 angeordnet, die einen geeigneten Wert aufweist und zusammen mit dem Transistor 2 die dynamische Strombegrenzungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung bildet Der Emitter des Rückkopplungstransistors 2 ist mit der Kathode einer Freilaufdiode ^ verbunden, während die Anode dieser Diode 4 mit der negativen Klemme der Spannungsversorgung Vj verbunden ist Der Schaltkreis wird durch ein Filter 5 vervollständigt, das aus einer Spule und einem Kondensator besteht und das parallel zur Freilaufdiode 4 angeordnet ist. An den Ausgang des Filters 5 ist eine Last 6 angeschlossen. Der Leistungsschalttransistor 1 wird von geeigneten Stromimpulsen angesteuert, die über die Klemme / an die Basis des Schalttransistors 1 angelegt werden.

Gemäß P i g. 2 ist in dem Diagramm (a) der Treiberstrom Ip dargestellt der von einem nicht dargestellten Impulsgenerator an die Eingangsklemme / abgegeben wird. Mit »Ein« und »Aus« wird der Auftritt und das NichtVorhandensein dieser Impulse bezeichnet, wobei diesen Zuständen die stromführende und die nicht leitende Periode des Schalttransistors 1 zugeordnet ist

In dem Diagramm (b) gemäß F i g. 2 ist das Verhalten des durch die Freilaufdiode 4 fließenden Stromes Id dargestellt Der Wert dieses Siromes variieri zwischen einem Maximalwert !pin und einem Minimalwert lom-Der Maximalwert /dm tritt jeweils in den Zeitpunkten ίο auf, die am Ende der Stromführungsperiode des Schalttransistors 1 liegen. Der Minimalwert fom tritt jeweils zu den Zeitpunkten U auf, die dem Ende der Stromführung der Freilaufdiodf 4 und dem Beginn der Stromführung des Transistors 1 zugeordnet sind.

Im Diagramm (c) gemäß Fig.2 ist der Verlauf des Stromes h durch den Leistungstransistor 1 dargestellt. Der Wert dieses Stromes variiert zwischen einem Minimalwert hm zum Zeitpunkt U und einem Maximalwert Itm zum Zeitpunkt fo.

Das Diagramm (d) gemäß F i g. 2 zeigt den Verlauf des Stromes Il durch die Spule des Filters. Der Wert dieses Strorⁿes variiert zwischen einem Minimalwert ILm im Zeitpunkt t\ und einem Maximalwert Ilm zum Zeitpunkt to- Weiterhin stellt /< > den Wert des Ausgangs· stromes dan <:ler sich als Mittelwert zwischen den Strömen Ilm und ¹Lm ergibt.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 ergibt sich folgende Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung: An die Basis des Leistungs-Schalttnaisistors 1 werden die Stromimpulse I_p angelegt, die in Form von Rechteckimpulsen einer Quelle entnommen werden. Das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit dieser Stromimpulse an der Basis des Transistors 1 bestimmt den stromführenden bzw. nicht leitenden Zustand dieses Transistors. Es sei angenommen, daß zum Zeitpunkt to der Stromimpuls an der Basis des Transistors 1 gerade verschwindet Der Transistor 1 ist somit

. gesperrt und es fließt kein Strom /rdurch diesen Transistor und dementsprechend auch kein Strom aus diesem Teil des Schaltkreises über das Filter 5 und die Last 6. Die Freilaufdiode 4 ist jedoch stromführend und gestattet der Spule des Riters 5, ihre gespeicherte Energie abzugeben, so daß ein Strom Id durch das Filter 5 jeweils während der Zeit fließt, in der der Transistor 1 ausgeschaltet ist Wenn in einem unmittelbar auf den Zeitpunkt to folgenden Zeitpunkt i] ein Stromimpuls an die Basis des Transistors 1 angelet wird, so gelangt dieser Transistor in den Sättigungszust tnd, in welchem er Strom zieht. Die Anstiegsflanke dieses durch den Transistor 1 fließenden Stromes /rwird durch den Rückkopplungschaltkreis, bestehend aus dem Nebenschalttransistor 2 und der Hilfsspule 3 dynamisch gesteuert Diese Steuerung wirkt in der Weise, daß die während der Erholzeit 77? der Freilaufdiode auftretende Stromspitze begrenzt wird. Es wird verhindert daß die Entfernung der Minoritätsträger abrupt stattfindet, indem, bezogen auf die Zeit dieses Phänomen in gradueller Weise gesteuert wird. Tatsächlich arbeitet der Transistor 2 als Steuerelement für den impulsförmigen, an die Basis des Transistors 1 gelegten Strom, indem er diesen Strom auf einen Wert begrenzt der von dem Wert der über der Spule 3 abfallenden Spannung abhängt, was im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 3 näher erläutert werden soll.

In F i g. 3 sind die Kennlinien eines Transistor? dargestellt, d. h. eine Beziehung zwischen dem Kollektorstrom, der Kollektor-Emitter-Spannung und dem Basisstrom. Die tatsächlichen Betriebsverhältnisse werden in bekannter Weise bei einem vorgegebenen Basisstrom durch den Schnittpunkt der Widerstandskennlinie mit dem dem entsprechenden Basisstrom zugeordneten Kurvenzug festgelegt Im Falle eines ohm'schen Widerstandes als Last ist die Lastkennlinie beispielsweise durch die geneigte Linie 7 gegeben. Die Neigung dieser Linie ist umso größer je kleiner der Lastwiderstand ist Weist der Lastwiderstand den Wert 0 auf, so geht die Kennlinie in die aufrecht gezeichnete Linie 8 über.

Betrachtet man nunmehr den Schaltkreis gemäß F i g. 1, so ist festzustellen.-daß sich ein niedriger Lastwider*ta>)d ergibt, wenn der an die Basis des Transistors 1 gelegte Stromimpuls diesen in den stromführenden Zustand steuert unä die Freilaufdiode 4 weiterhin leitend ist. Die Lastkennlinie entspricht in diesem Fall im wesentlichen der Linie 8 gemäß Fig.3. Der angelegte Steuerstromimpuls I_p kann daher zu einem sehr hohen Kollektorstrom und dementsprechend auch zu einem sehr hohen Emitterstrom I_T führen. Jede Veränderung des Stromes h führt jedoch zu einem induktivst) Spannungsabfall an der Spule 3, der durch die Beziehung

V= L -^j- gegeben ist, wobei L die Induktivität der Spule

3 und -^- die Änderung des Stromes mit der Zeit darstellt. Diese Spannung V wird zwischen Basis und Emitter des Transistors 2 erzeugt. Wenn diese Spannung die

erforderliche Steuerspannung für den Transistor 2 erreicht (bei Siliziumtransistoren beträgt dieser Wert ungefähr 0,7 bis 0.8 V), so gelangt der Transistor 2 in den stromführenden Zustand und der Ansteuerstrom l_p wird über den Transistor 2 und die Freilaufdiode 4 in einer solchen Weise abgeleitet, daß der Basisstrom des Transistors 1 wesentlich reduziert wird und dementsprechend der Kollektorstrom auf einem begrenzten Wert gehalten wird. Läßt man den vernachlässigbaren Basisstrom außer acht, so entspricht der Kollektorstrom im wesentlichen dem Strom, der durch die Spule 3 fließt.

Aus diesem Grund kann zum Zeitpunkt t, der Strom /r mit einer Anstiegsflanke ansteigen, die den Wert

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nicht übersteigen kann, wobei V_Bes die Durchbruch-

SpannUng ucr uäSfS-iirriiiicr-SircCkc därsiciii, die cfioi-

derlich ist, um den Transistor 2 in den leitenden Zustand zu bringen. Der Maximalwert des Stromes I_T ist daher durch das Produkt der Sperrzeit der Diode 4 und der Gesamtheit der Anstiegsflanke vorgegeben.

Durch geeignete Bemessung der Spule 3 ist es daher möglich, die zu Beginn auftretende Stromspitze so zu steuern, daß sie die normalen Betriebswerte des Transistors 1 nicht übersteigt.

Als Beispiel, das keine Einschränkung darstellen soll, sei angenommen, daß die Leistungsstufe der Stromversorgungseinheit 5 A liefern soll und daß die Anstiegs- flanke beim Einschalten des Transistors 500 ns betragen soll. Bekannte Spannungsversorgungsschaltungen. die einen Strom von 5 A liefern sollen, weisen bei einer Anstiegsflanke von ungefähr 100 ns einen Spitzenstrom von ungefähr 20 A auf.

Es liegt auf der Hand, daß verschiedene Änderungen hinsichtlich der Schaltung vorgenommen werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise können die Transistoren ebensogut als pnp-Transistoren ausgeführt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Dynamische Strombegrenzungsschaltung für ein geregeltes Netzgerät mit einem Leistungs-Schalttransistor, einer Freilaufdiode und einem aus Kondensator und Spule bestehenden, die geregelte Gleichspannung an eine Last abgebenden Riter sowie mit einem vom Ausgangsstrom beeinflußten Rückkopplungstransistor zur Einwirkung auf den Leistungs-Schalttransistor, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere den Stromanstieg des Leistungs-Schalttransistors (1) erfassende Spule (3) zwischen dem Ausgang des Leistungs-Schalttransisfors (1) und der Kathode der Freilaufdiode (4) und in Reihe zu der Filterspule angeordnet ist und der Rückkopplungstransistor (2) mit seinem Kollektor εη die Basis des Leistungs-Schalttransistors (l),-mit seinem Emitter an die Kathode der Freilaufdiode (4) und mit seine* Basis an den Ausgang des Leistungs-Schaittransistors (I) angeschlossen ist.

2. Dynamische Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs-Schalttransistor (1) und der Rückkopplungstransistor (2) vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind.