DE3121754C1 - Leistungsschalter mit einem Feldeffekttransistor - Google Patents

Description

• Fig. 1 zeigt die Verwirklichung der Erfindung bei einem potentialfrei ansteuerbaren Feldeffekttransistor 1. Dieser liegt in Reihe mit einem sehr niederohmigen Meßwiderstand Ri zwischen den Ausgangsklemmen 2 und 3, an welchen einerseits eine positive Gleichspannung UB, andererseits ein Lastwiderstand RL angeschlossen ist. Nach Betätigung eines Tasters 4 wird mittels eines Übertragers 5 und eines an seiner Sekundärwicklung angeschlossenen -Gleichrichters 6 aus einer an den Klemmen 7 und 8 angeschlossenen Wechselspannung UN eine Gleichspannung gebildet, welche, geglättet von einem Kondensator 9 und stabilisiert mittels einer Zenerdiode 10, die zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors 1 verwendete Hilfsspannung Uh bildet. An diese konstante Hilfsspannung ist ein aus den Widerständen 11, 12 und 13 bestehender Spannungsteiler angeschlossen, an dem konstante Eingangsspannungen ub und i* für die nicht invertierenden, mit » + « bezeichneten Eingänge zweier Operationsverstärker 14 und 15, welche eine sehr große Leerlaufverstärkung aufweisen, abgegriffen werden. An einem weiteren von der Hilfsspannung Uh gespeisten, mit den Widerständen 16 und 17 gebildeten Spannungsteiler wird die Ansteuerspannung für den Feldeffekttransistor 1 abgegriffen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist über einen Widerstand 18 gegengekoppelt, so daß er einen definierten Verstärkungsfaktor erhält. Der Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist direkt und der Ausgang des Operationsverstärkers 14 über einen von einem Verzögerungsglied 19 betätigbaren Schalter 20 mit dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors 1 verbunden. Der mit »-« bezeichnete Eingang des Operationsverstärkers 15 ist mit dem Sourceanschluß des Feldeffekttransistors verbunden, während der ebenso bezeichnete Eingang des Operationsverstärkers 14 mit dem Drainanschluß des Feldeffekttransistors 1 verbunden ist. Versorgungsspannung für die Operationsverstärker 14 und 15 ist die Hilfsspannung Uh. Die Ausgänge der Operationsverstärker 14 und 15 führen ein hohes Potential, wenn jeweils die an ihren mit »-« bezeichneten Eingängen anliegenden Spannungen kleiner sind als die an ihren mit »+« bezeichneten anliegenden Spannungen, während sie im anderen Fall das Potential P0 der Ausgangsklemme 3 aufweisen.
• Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung hat folgende Wirkungsweise: Vor dem Betätigen des Schalters 4 ist die Hilfspannung Uh gleich Null, die Versorgungsspannung für die Operationsverstärker 14 und 15 fehlt und der Feldeffekttransistor 1 wird nicht angesteuert. Er ist damit in seinem geöffneten, d.h.
• hochohmigen Zustand und es fließt demzufolge kein Laststrom iL durch den Widerstand RL und den Widerstand Ri. Nach dem Schließen des Schalters 4 erscheint die Hilfsspannung Uh und am Verbindungspunkt der Spannungsteilerwiderstände 16 und 17 erscheint ein derartiges Potential, welches den Feldeffekttransistor 1 in seinen durchgesteuerten, d. h.
• niederohmigen Zustand bringt. Das Verzögerungsglied 19 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers 14 nach einer gewissen Zeit nach dem Auftreten der Hilfsspannung U, d. h. nach Schließen des Schalters 4 mit dem Verbindungspunkt der Spannungsteilerwiderstände 16 und 17. Diese Verzögerungszeit wird so bemessen, daß in dieser Zeit der Feldeffekttransistor 1 sicher eingeschaltet ist und an der Klemme 2 und damit an dem mit »-« bezeichneten Eingang des Operationsverstärkers 14 ein Potential ansteht, welches dem geringen Restspannungsabfall des Feldeffekttransistors 1 in seinem eingeschalteten Zustand entspricht und damit mit Sicherheit niedriger liegt als das konstante Potential Ub. Auf diese Weise wird ein ungewolltes Ausschalten des Feldeffekttransistors 1 verhindert.
• Solange der den Lastwiderstand Rt durchfließende Laststrom kleiner ist als ein bestimmter mit Rücksicht auf die Wärmebelastung des Feldeffekttransistors 1 festlegbarer Grenzwert, überwiegt, bezogen auf das Potential P0 der Klemme 3 das Potential an dem mit » + « bezeichneten Eingang des als Strombegrenzugsreglers wirkenden Operationsverstärkers 15 die an seinem anderen Eingang anliegende Spannung, welche dem Spannungsabfall am Meßwiderstand R1 entspricht und der Ausgang des Strombegrenzungsreglers 15 führt ein hohes Potential und ändert somit nichts an dem durchgesteuerten Zustand des Feldeffekttransistors 1.
• Überschreitet dagegen der Laststrom den zuvor erwähnten Grenzwert, dann ist der Spannungsabfall am Meßwiderstand Ru größer als das Potential j*, welches praktisch den Sollwert des als Strombegrenzungsregler arbeitenden Operationsverstärkers 15 darstellt und eine nun einsetzende Strombegrenzungsregelung versucht unter Erniedrigung des Ansteuerpotentials am Gateanschluß des FET 1 und damit verbundener Widerstandserhöhung zwischen Drain- und Sourceanschluß den Laststrom auf den Wert des Sollwertes itzurückzuführen. Infolge dieser Widerstandserhöhung steigt aber das Potential am Drainanschluß rasch an und sobald dieses das mit dem Spannungsteiler 11 bis 13 festgelegte konstante Potential ub übersteigt, spricht der als Komparator arbeitende Operationsverstärker 14 an und bringt über den nunmehr geschlossenen Schalter 20 den Gateanschluß auf das Potential P0, wodurch der Feldeffekttransistor in seinen hochohmigen Zustand gerät und damit den Laststrom unterbricht. Es tritt nunmehr ein Selbsthaltungseffekt ein, denn im hochohmigen, d. h. geöffneten Zustand des Leistungsschalters 1 ist das Potential am Drainanschluß - bezogen auf das Potential PO - immer höher als der mit dem Spannungsteiler 11 bis 13 festgelegte Spannungsgrenz- wert Ub, so daß der Leistungsschalter 1 in seinem ausgeschalteten Zustand verharrt Diese Selbsthaltung kann durch Öffnen des Schalters 4 wieder aufgelöst werden. Tritt beim darauffolgenden Wiedereinschalten des Schalters 4 wiederum ein unzulässig hoher Laststrom it auf, so wird der zuvor beschriebene Vorgang wiederholt.
• In manchen Anwendungsfällen soll nicht nur ein sicheres Abschalten bei unzulässig hohem Verbraucherstrom erfolgen, sondern auch eine darauffolgende, selbsttätige Wiedereinschaltung des Verbraucherstroms nach einer bestimmten Zeit. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob ein gefährlicher Überlastungszustand noch andauert. Mit der in F i g. 2 dargestellten Variante des erfindungsgemäßen Leistungsschalters kann diese Forderung erfüllt werden. Bei der Darstellung gemäß F i g. 2 sind für gleichwirkende Bauelemente dieselben Bezugszeichen beibehalten worden. Die Hilfsspannung Uh wird von einem an sich bekannten und deshalb in seinem Aufbau nicht weiter dargestellten Oszillator 21 abgeleitet, welcher von einer an den Klemmen 7 und 8 wirkenden Wechselspannung versorgt wird und nach Anlegen eines Betätigungssignals E eine Wechselspannung abgibt Zur Festlegung der Spannungs- und Stromgrenzwerte ub bzw. i* wird jeweils ein besonderer Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 22 und 23 bzw. 24 und 25 verwendet.
• Der mit » + « bezeichnete Eingang des Komparators 14 ist über einen Widerstand 27 mit seinem Ausgang verbunden, der mit »-« bezeichnete Eingang des Komparators 14 ist über einen Widerstand R 2 und eine Diode 28 mit seinem Ausgang verbunden. Aufgrund der durch den Widerstand 27 bewirkten Mitkopplung erhält der Komparator 14 ein Hystereseverhalten, wie es in Fig. 3 dargestellt ist: Überschreitet die an seinem mit »-« bezeichneten Eingang anliegende Eingangsspannung e eine obere, dem Grenzwert ub entsprechende Schwelle ei, so nimmt sein Ausgangssignal schlagartig den Wert Null an und behält diesen solange bei, bis bei Verminderung seines Eingangssignals e auf eine untere Schwelle e1 ein Wiedereinschalten des Koparators 14 erfolgt, d. h. sein Ausgangspotential a wieder einen hohen Wert annimmt. Die Differenz zwischen ei und ei, d. h. die Breite der in Fig. 3 dargestellten Hysterese ist von der Größe des Mitkoppelwiderstandes 27 abhängig.
• Der mit -»-« bezeichnete Eingang des Hysteresekomparators 14 ist an einen Kondensator Cangeschlossen, der über einen Widerstand R 1 von der konstanten Hilfsspannung Uh aufgeladen werden kann. Diese Aufladung erfolgt jeweils bis auf das Potential des Drainanschlusses D, jedoch ausschließlich über den Widerstand R 1 von der Hilfsspannungsquelle Uh. Man erkennt, daß das aus dem Widerstand R1 und den Kondensator C bestehende Zeitkonstantenglied die Aufgabe des in Fig 1 mit 19 bezeichneten Verzögerungsgliedes übernimmt, indem es verhindert, daß der Komparator 14 unmittelbar nach dem Anlegen der Betätigungsspannung E im Sinne eines Öffnens des Leistungsschalters 1 wirksam werden kann. Neben der Verzögerung des Ausgangssignals des Komparators 14 übernimmt der Kondensator auch noch die Funktion des periodischen Wiederzuschaltens des Leistungstransistors 1 nach einer infolge Überlast erfolgten Abschaltung. Da nach jedem erfolgten Ansprechen des Überlastungsschutzes das Ausgangssignal des Komparators 14, wie zuvor beschrieben, den Wert des Potentials PO annimmt, kann sich der Kondensator in diesem durch Selbsthaltung aufrechterhaltenen Zustand über den Widerstand R 2 und die Diode 28 entladen, wodurch sich das Eingangspotential e des Komparators 14 erniedrigt, bis es die untere Einschaltschwelle rl (vergL Fig. 3) erreicht und damit der mit »+ « bezeichnete Eingang des Komparators 14 überwiegt und das Ausgangssignal a wieder auf ein hohes Potential bringt, so daß der Leistungstransistor 1 wieder geschlossen, dk in seinen niederohmigen Zustand gebracht wir<L Dauert der Uberlastzustand weiterhin an, so wird wieder der Strombegrenzungsregler 15 in Aktion treten und eine Erhöhung des auf das Bezugspotential Po bezogenen Drainpotentials bewir- ken, so daß wiederum eine mit der durch den Widerstand R l bestimmten Zeitkonstanten bestimmte Ausladung des Kondensators Cbis zur Abschaltung des Leistungstransistors 1 einsetzen wird. Sodann wiederholt sich das zuvor beschriebene Spiel. Mit R 1 wird die Aufladezeitkonstante und mit R2 die Entladezeit des Kondensators bestimmt Auf diese Weise kann das Tastverhältnis der in F i g. 2 dargestellten Anordnung, d.h. das Verhältnis zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand des Leistungsschalters 1 im Falle des Fortbestehens des Üherlastungszustandes festgelegt werden.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Leistungsschalter mit einem Feldeffekttransistor (FET), der mittels einer Hilfsspannung betätigbar und in Abhängigkeit von der Restspannung zwischen Drainanschluß und Sourceanschluß des FETabschaltbarist, dadurch gekennzeichn e t, daß ein Strombegrenzungsregler (15) vorgesehen ist, dem als Istwert eine dem den FET durchfließenden Stroms proportionale Größe zugeführt ist und dessen Ausgangssignale die Steuerspannung des FET jeweils dann reduziert, wenn der den FET durchfließende Strom einen vorgebbaren Sollwert (ii)überscbreitet.
2. 2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (14) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal die Steuerspannung des FET schlagartig auf Null reduziert, wenn die Spannung zwischen Drainanschluß (D) und Sourceanschluß (S) des FET einen vorgebbaren Grenzwert (ub) überschreitet.
3. 3. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Verzögerungsgliedes (19) ein Reduziersignal des Komparators (14) beim Einschalten der Hilfsspannung verhindert. wird.
4. 4. Leistungsschalter nach Anspruch 3 oder einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung (Uh) an der Sekundärwicklung eines Übertragers (5) abgenommen ist.
5. 5. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Der Komparator (14) ist mit einer oberen, dem Grenzwert (Ub) entsprechenden Ausschaltschwelle (e2) und einer unteren Einschaltschwelle (ei) versehen (Hysterese); b) der von der Spannung zwischen Drainanschluß und Sourceanschluß des FET beeinflußte Eingang des Komparators (14) ist mit einem Kondensator (C)verbunden; c) das Ausgangssignal des Komparators (14) reduziert in dessen ausgeschalteten Zustand die Steuerspannung des FET auf Null und schließt für einen Kondensator (C) einen Entladestrompfad; d) nach Unterschreitung der unteren Einschaltschwelle durch die Kondensatorspannung sperrt das Ausgangssignal des Komparators den Entladestrompfad.

   Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter mit einem Feldeffekttransistor (FET), der mittels einer Hilfsspannung betätigbar und in Abhängigkeit von der Restspannung zwischen Drainanschluß und Sourceanschluß des FET abschaltbar ist. Ein derartiger Transistorschalter soll gegen Überlastung geschützt werden und ist bekannt. Dabei wird der zur Auslösung der Abschaltung führende Grenzwert der Restspannung zwischen Drainanschluß und Sourceanschluß des FET mittels der Basis-Emitter-Schwelle eines Hilfstransistors erfaßt. Exemplarstreuungen und Temperatureinflüsse führen dazu, daß die Spannungsschwellen an den PN-Übergängen von Hilfstransistor und Feldeffekttransistor relativ erhebliche Veränderungen unterworfen sind, was in ihrer kombinierten Wirkung zu solch großen Schwankungsbreiten der Abschaltschwelle führt, daß ein zuverlässiger Überlastungsschutz, d. h. das Ab-schalten des Leistungstransistors bei einer bestimmten Stromstärke bzw. einer bestimmten Verlustleistung nicht gesichert ist.

   Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diesen Nachteil bei einem Leistungsschalter der eingangs genannten Art zu beheben. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß ein stetig die Steuerspannung des FET reduzierender Strombegrenzungsregler jeweils dann zum Eingriff gebracht ist, wenn der den FET durchfließende Strom einen vorgebbaren Sollwert überschreitet Grundgedanke der Erfindung ist es also, durch zusätzliche Erhöhung des zwischen Drainanschluß und Sourceanschluß wirksamen Widerstandes beim Überschreiten eines genau definierten Laststromgrenzwertes den Restspannungsabfall des FET entsprechend zu erhöhen und die Überlastsicherung damit beschleunigt zum Ansprechen zu treiben. Auf diese Weise kann ein durch Uberstrom bedingtes Abschalten des Leistungsschalters innerhalb sehr enger Stromtoleranzen erreicht werden.

   Die Erfindung samt ihren weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll im folgenden anhand der Figuren näher erläutert werden.