WO2002082611A2 - Stromversorgung mit abschaltsicherung - Google Patents

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WO2002082611A2
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switch
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    • H02H3/02—Details
    • H02H3/05—Details with means for increasing reliability, e.g. redundancy arrangements

Definitions

  • the invention relates to a power supply, in which a supply voltage is led to at least one output via at least one series branch, the at least one branch having a cut-off fuse designed as a controlled semiconductor switch and a monitoring unit being set up to be able to change given voltages or currents via predefinable ones To deliver tolerance values to the semiconductor switch a shutdown signal.
  • the supply voltages are supplied to the individual consumers or groups of consumers according to special safety criteria.
  • information processing parts of a control system e.g. B.
  • Microprocessor modules are primarily supplied with the required energy in the event of a fault.
  • the supply voltage is 24 volt direct voltage, but other direct voltage values are also common and alternating voltages, e.g. B. 115, 230 or 24 volts in use.
  • a clocked voltage converter SPW supplies an output or supply voltage Us, for example 24 volts, to ground.
  • Such voltage converters or switching power supplies are known to a person skilled in the art in a large number of designs and do not per se form the subject of the invention.
  • an AC input voltage e.g. B. 230 volts
  • rectified and the resulting DC voltage is fed via a clocked switch to a primary winding of a transformer.
  • the voltage converter SPW works, for example, as a flyback or flux converter and is usually regulated to a constant output voltage.
  • the invention is not restricted to specific converters and that the supply voltage can also be, for example, a regulated or unregulated AC voltage.
  • the supply voltage U s is fed to a first output Ai via a conventional fuse Sil, a controlled switch SW1 and a measuring resistor RMI.
  • the output voltage UAI is at the output Ai.
  • the supply voltage U s is fed to an output A 2 and an output A 3 .
  • the fuses S; l - St3 are e.g. B. fuses and are mainly provided if this is required by the usual safety regulations, especially with regard to fire protection. However, they are irrelevant to the function of the invention.
  • a monitoring unit UWE is supplied on the one hand with the supply voltage Us, which is compared in a comparator KOM with a reference voltage URef, and on the other hand each of the voltages occurring at the measuring resistors and proportional to the output currents, for. B. Ui3, for comparison in switching amplifiers, for. B. SV 3 .
  • the circuit shown combined with a sequence control (not shown here), enables selective switching off of outputs in the event of a drop in the supply voltage, in accordance with predetermined priorities, or switching off individual branches in the event of overcurrent. It is also possible, additionally or alternatively, to monitor the output voltages UAI ... UA 3 ZU and to use them for switch-off processes.
  • the respective switching state can, for. B. are indicated by lights Ll ... L3.
  • a switching transistor of a series branch In normal operation, a switching transistor of a series branch is in an operating state in which there is only a slight voltage drop across it, ie the transistor is in saturation with a series voltage of z. B. well below one volt. Accordingly, the power loss of the transistor is not too great.
  • the cooling is also designed for such a permanent loss line. Now, if the set current limit is exceeded, the transistor begins - together with the monitoring circuit - 'to keep the output current constant, not to burden to the supply source too much and thereby provoking a crash of the whole system. The state of saturation is left and a high power loss is now implemented in the transistor, namely in the extreme case the short-circuit current times the supply voltage. Since the transistor, e.g. B.
  • the absorption of the additional power loss in the limited state is problematic.
  • the limitation state lasts for a short period of time, for example 50-100 ms, then the switch-off occurs. In this short time, the heat cannot be transferred to a heat sink at all and must therefore be absorbed by the transistor chip.
  • this object is achieved according to the invention in that at least one auxiliary semiconductor switch, likewise controlled by the monitoring unit, is connected in parallel and takes over a significant proportion of the overload current in the branch in the event of an overload.
  • the thermal “shock” is thus briefly transferred to the auxiliary transistor before it is switched off, which auxiliary transistor is available for this purpose without the aforementioned basic heating.
  • the monitoring unit is set up to keep the auxiliary semiconductor switch at least essentially switched off in normal operation, but to switch it on in the event of an overload while the main semiconductor switch is switched off at the same time.
  • the characteristics of the transition from the main switch to the auxiliary switch can be influenced by suitable design of the monitoring unit. It is particularly advantageous if a ballast resistor is connected in series with the auxiliary semiconductor switch. As a result, most of the heat is converted in the ballast resistor and the auxiliary semiconductor switch can be dimensioned for a lower power loss and therefore be cheaper. It is recommended that the predeterminable short-circuit current of the branch is essentially determined by the ballast resistance and the supply voltage, so that RIA «U s / I ⁇ .
  • the semiconductor switches are of the FET type. In this way, the control by the monitoring unit can be simplified. In terms of circuit technology, this results in a particularly simple solution if the semiconductor switches are of the normally-off FET type, the gate of the main semiconductor switch being connected to the source and of an output of the monitoring unit via a zener diode and the gate of the auxiliary semiconductor switch having the same output is directly controlled.
  • a ballast resistor which is designed as a mass resistor, is particularly suitable for receiving the power pulses occurring in the event of a shutdown.
  • FIG. 3 shows a circuit of a second embodiment of the invention.
  • the load LAS is connected to the supply voltage U s via a semiconductor switch SW1, here a self-blocking n-channel IGFET.
  • a monitoring unit UWE provides a corresponding signal to the gate of the switch SW1 to open it, if, for. B. the current measured using the resistor RMI exceeds a predeterminable maximum value.
  • Variants of the shutdown conditions are possible, e.g. B. a shutdown depending on the output voltage or the input voltage and combinations of such shutdown conditions.
  • the basic function of such an electronic fuse is to prevent an arbitrarily large current from flowing through a branch of the circuit. In fact, this is the usual function of a circuit breaker with the additional property that an operating state of the current limitation is assumed before the power supply is completely interrupted.
  • a system with several load branches, which are supplied via such an electronic fuse, is protected against a breakdown of the entire supply voltage in this way.
  • auxiliary semiconductor switch H1A is connected in parallel with the semiconductor switch SW1, in the present case of FIG. 2 likewise a normally-off n-channel field effect transistor.
  • ballast resistor RA1 In series with the auxiliary switch H1A there is also a ballast resistor RA1, which, as will be explained later, can also be omitted.
  • the switch SWl In normal operation, the switch SWl is conductive and the entire current flows essentially via the switch SWl and via the measuring resistor RM I into the load LAS '. In the event of a short circuit, a condition similar to a short circuit, or in general if the predeterminable maximum current is exceeded, the device would be switched off up to B. a time period of 50-100 ms can be provided, the correspondingly high current flow. In order to avoid destroying the switch SWl, which is already heated during normal operation, the transistor SWl is blocked in the event of an overload and the current now flows via the auxiliary switch H1A and the ballast resistor RA1 until the auxiliary switch H1A also generates a shutdown (blocking) signal on the part of the monitoring unit UWE receives.
  • a shutdown blocking
  • the ballast resistor RA1 has a comparatively higher resistance value than the forward resistance of the switches H1A and SW1
  • the essential energy is destroyed in the ballast resistor RA1 until it is switched off.
  • This not only protects the main switch SW1 from thermal destruction - it has already been switched off - but also the auxiliary switch H1A.
  • the resistor RA1 also makes it possible, provided that the dimensions are suitable, that the auxiliary switch HIA can also remain switched on in normal operation. In any case, this is the case if the series connection ballast resistor RA1 - auxiliary switch HIA (switched on) has a resistance value that is high against the forward resistance of the main switch SW1. In practice, e.g. B. destroyed in the current limiting case about 80% of the power loss in the ballast resistor RAl.
  • the supply voltage is 24 V
  • the maximum short-circuit current is 13 A.
  • the total resistance of the auxiliary branch then results as
  • the resistance of the auxiliary switch R on is z. B. 0.1 ohms, so that the ballast resistance RAl results in 1.74 ohms.
  • the main switch SWl which must carry the continuous current, for example, a more expensive transistor with a value R on of z. B. 5 mOhm selected.
  • a further FET switch is indicated by dashed lines in FIG. 2, which is parallel to the main switch SW1. This is intended to express two things:
  • auxiliary switch H1B can be provided in addition to the main switch SW1 and the auxiliary switch HIA, optionally with a series ballast resistor (not shown), in order to collectively with the auxiliary switch HIA or in parallel with it the current surge including Joule heat.
  • auxiliary switch H1B without ballast resistor could be used instead of the series circuit RIA-HIA so that the auxiliary switch H1B can absorb the current / heat surge when the main switch SW1 is switched off.
  • the main switch SW1 and the auxiliary switch H1B are controlled by the monitoring circuit UWE in such a way that the auxiliary switch H1B is immediately switched on and the main switch SWl is switched off in the event of an overload.
  • the variant according to FIG. 3 represents a particularly simple possibility for automatic control of two parallel switches, namely the main switch SW1 and the auxiliary switch HIA using a zener diode, the circuit otherwise completely corresponding to that according to FIG. 2.
  • the monitoring unit UWE has, for example, an operational amplifier circuit with a PI controller behavior, so that it acts like the control of an electronic current source. As long as the limit current has not yet been reached, the monitoring unit or its operational amplifier tries to increase the limit current even further by further increasing the gate voltage of the switches or transistors SW1, HIA.
  • the output of the operational amplifier mentioned will remain in positive saturation in normal operation, e.g. B. at 15 volts. If the set limit current is exceeded, this can e.g. B. 130% of the nominal current set with a potentiometer on a scale, the operational amplifier becomes active and the monitoring unit UWE now lowers its output signal, namely the gate voltage of the MOSFET transistors SW1, HIA, in order not to let the output current rise further.
  • the output of the monitoring circuit UWE is connected directly to the gate of the auxiliary switch HIA and to the gate of the main switch SW1 via a Zener diode ZD1.
  • the gate voltage of the main switch now reaches the threshold voltage earlier, because of the zener diode. i. the voltage above which an FET with a only slightly decreasing gate voltage already becomes significantly higher-impedance, d. H. the beginning of the linear mode of operation in which the transistor acts like a variable resistor. In this way it is ensured that the auxiliary transistor HIA always takes as much current from the main switch SW1 as is permitted by its own internal resistance and the ballast resistor RAl connected in series.
  • the control voltage generated by the monitoring unit UWE ie the voltage supplied to the gates of the switches, must be dimensioned such that the main switch SW1 can be switched through completely, but the auxiliary switch HIA is not destroyed.
  • dimensioning is favorable if the Zener voltage of the diode ZD1 corresponds approximately to the threshold voltage of the transistors used, here the MOSFET transistors, ie is approximately 3 volts.
  • the integral component of the control characteristic of the monitoring unit UWE is also expedient in order to compensate for the point of discontinuity when the Zener diode threshold is overcome without excessive deviations in the output voltage UAI.

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Abstract

Stromversorgung, bei welcher eine Speisespannung (Us) über zumindest einen Längszweig zu zumindest einem Ausgang geführt ist, wobei der zumindest eine Zweig eine als gesteuerten Halbleiterschalter (SW1) ausgebildete Abschaltsicherung aufweist und eine Überwachungseinheit (UWE) dazu eingerichtet ist, bei Änderungen von Spannungen oder Strömen über vorgebbare Toleranzwerte an den Halbleiterschalter ein Abschaltesignal (s1) zu liefern, bei welcher dem Halbleiterschalter (SW1) zumindest ein, gleichfalls von der Überwachungseinheit (UWE) angesteuerter Hilfs-Halbleiterschalter (H1A) parallel geschaltet ist, welcher im Überlastfall einen wesentlichen Anteil des Überlaststromes in dem Zweig übernimmt.

Description

STROMVERSORGUNG MIT ABSCHALTSICHERUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung, bei welcher eine Speisespannung über zumindest einen Längszweig zu zumindest einem Ausgang geführt ist, wobei der zumindest eine Zweig eine als gesteuerten Halbleiterschalter ausgebildete Abschaltsicherung aufweist und eine Überwachungseinheit dazu eingerichtet ist, bei Änderungen von Spannungen oder Strömen über vorgebbare Toleranzwerte an den Halbleiterschalter ein Abschaltesignal zu liefern.
In Industrieanlagen und in automatisierten Anlagen, ist es von besonderer Bedeutung, dass die Speisespannungen den einzelnen Verbrauchern oder Verbrauchergruppen nach besonderen Sicherheitskriterien zugeführt werden. Insbesondere müssen informationsverarbeitende Teile eines Steuerungssystems, z. B. Mikroprozessorbaugruppen im Fehlerfall vorrangig mit der benötigten Energie versorgt werden. Bei vielen Industrieanwendungen beträgt die Speisespannung 24- Volt-Gleichspannung, doch sind auch andere Gleichspannungswerte üblich und auch Wechselspannungen, z. B. 115, 230 oder 24 Volt, in Verwendung.
Bei Kurzschlüssen oder Überlasten in Teilbereichen eines Steuerungssystems, z. B. in der Ausgabeperipherie, kann es leicht zu einem, meist zwar nur kurzen Gesamtausfall der Speisespannung des Steuerungssystems kommen, was oft zu einem Datenverlust in den von der Speisespannung versorgten zentralen Steuerungseinheiten führt.
Der zunehmende Einsatz von Schaltnetzteilen, d. h. getakteter Stromversorgungen, aktualisiert dieses Problem, da wegen der empfindlichen Elektronik die internen Regelkreise den Ausgangsstrom auf Werte begrenzen, welche nur geringfügig über dem Nennstrom liegen. Insbesondere besteht das Problem, dass übliche Sicherungen für die einzelnen Ausgänge nicht in ausreichend kurzer Zeit abschalten können. Zum raschen Abschalten benötigen Sicherungen oder Leistungsschutzschalter oft ein Vielfaches ihres Nennstromes. Diesen können die Schaltnetzteile jedoch nicht zusätzlich zu der übrigen Last liefern, sodass die gesamte Speisespannung einbricht - noch bevor eine Sicherung auslöst und der fehlerhafte Ausgang bzw. Zweig weggeschaltet wird.
Gemäß der älteren Anmeldung PCT/AT 00/00318 der Anmelderin wird daher die eingangs erwähnte Verwendung von gesteuerten Halbleiterschaltern vorgesehen. Eine derartige Schaltung ist nachstehend anhand der Fig. 1 erläutert. Gemäß Fig. 1 liefert ein getakteter Spannungswandler SPW eine Ausgangs- oder Speisespannung Us, beispielsweise 24 Volt, gegen Masse. Solche Spannungswandler oder Schaltnetzteile sind dem Fachmann in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt und bilden an sich nicht den Gegenstand der Erfindung. Meist wird eine Eingangswechselspannung, z. B. 230 Volt, gleichgerichtet und die entstehende Gleichspannung wird über einen getakteten Schalter einer Primärwicklung eines Transformators zugeführt. Sekundärseitig erfolgt wieder eine Gleichrichtung auf die Speisespannung. Der Spannungswandler SPW arbeitet beispielsweise als Sperr- oder Flusswandler und ist meist auf konstante Ausgangsspannung geregelt. Es soll aber betont werden, dass die Erfindung nicht auf bestimmte Wandler eingeschränkt ist und dass die Speisespannung beispielsweise auch eine geregelte oder ungeregelte Wechselspannung sein kann.
Die Speisespannung Us ist einem ersten Ausgang Ai über eine herkömmliche Sicherung Sil, einen gesteuerten Schalter SWl und über einen Messwiderstand RMI zugeführt. An dem Ausgang Ai liege die Ausgangsspannung UAI. In gleicher Weise ist die Speisespannung Us einem Ausgang A2 sowie einem Ausgang A3 zugeführt. Die Sicherungen S;l - St3 sind z. B. Schmelzsicherungen und sind vor allem dann vorgesehen, wenn dies übliche Sicherheitsbestimmungen, vor allem hinsichtlich des Brandschutzes, verlangen. Für die Funktion der Erfindung sind sie jedoch ohne Belang.
Einer Überwachungseinheit UWE ist einerseits die Speisespannung Us zugeführt, die in einem Komparator KOM mit einer Referenzspannung URef verglichen wird, andererseits jede der an den Messwiderständen auftretenden, den Ausgangsströmen proportionalen Spannungen, z. B. Ui3, zum Vergleich in Schaltverstärkern, z. B. SV3. Die gezeigte Schaltung ermöglicht, verbunden mit einer hier nicht gezeigten Folgesteuerung, ein selektives Abschalten von Ausgängen bei Einbrüchen der Speisespannung, entsprechend vorgegebenen Prioritäten, bzw. ein Abschalten einzelner Zweige bei Überstrom. Es ist auch möglich, zusätzlich oder alternativ die Ausgangsspannungen UAI ... UA3 ZU überwachen und für Abschaltvorgänge heranzuziehen. Der jeweilige Schaltzustand kann z. B. durch Lämpchen Ll ... L3 angezeigt werden.
Im normalen Betrieb befindet sich ein Schalttransistor eines Längszweiges in einem Betriebszustand, in dem ein nur geringer Spannungsabfall an ihm auftritt, d. h. der Transistor befindet sich in der Sättigung mit einer Längsspannung von z. B. deutlich unter einem Volt. Entsprechend ist die Verlustleistung des Transistors nicht allzu groß. Auf eine solche Dauerverlustleitung ist auch die Kühlung ausgelegt. Falls nun der eingestellte Grenzstrom überschritten wird, beginnt der Transistor - zusammen mit der Überwachungsschaltung -' den Ausgangsstrom konstant zu halten, um die Speisequelle nicht zu sehr zu belasten und damit einen Absturz des Gesamtsystems zu provozieren. Der Sättigungszustand wird verlassen und dadurch wird nun eine hohe Verlustleistung in dem Transistor umgesetzt, nämlich im Extremfall der Kurzschlussstrom mal Speisespannung. Da der Transistor, z. B. vom MOSFET-Typ, bereits im Normalbetrieb erwärmt wurde, ist die Aufnahme der zusätzlichen Verlustleistung im Begrenzungszustand problematisch. Dazu kommt, dass der Begrenzungszustand eine kurze Zeitspanne, beispielsweise 50 - 100 ms, andauert, dann tritt das Abschalten ein. In dieser kurzen Zeit kann die Wärme gar nicht an einen Kühlkörper weitergeleitet werden und muss daher von dem Transistor-Chip aufgenommen werden.
Um eine Zerstörung des Schalttransistors vor dem Abschalten zu vermeiden, müssen daher Transistoren mit sehr großen Chipflächen eingesetzt werden, was zu hohen Kosten führt.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt somit in der Schaffung einer Stromversorgung, bei welcher die Problematik einer teuren Überdimensionierung des Halbleiterschalters nicht mehr gegeben ist.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Stromversorgung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Halbleiterschalter zumindest ein, gleichfalls von der Überwachungseinheit angesteuerter Hilfs-Halbleiterschalter parallel geschaltet ist, welcher im Überlastfall einen wesentlichen Anteil des Überlaststromes in dem Zweig übernimmt.
Dank der Erfindung wird somit der thermische „Stoss" vor dem Abschalten kurzfristig auf den Hilfstransistor übergeleitet, der zu diesem Zweck ohne die erwähnte Grunderwärmung zur Verfügung steht.
Bei einer zweckmäßigen Variante ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit dazu eingerichtet ist, den Hilfs-Halbleiterschalter im Normalbetrieb zumindest im wesentlichen ausgeschaltet zu halten, im Überlastfall, bei gleichzeitigem Abschalten des Haupt-Halbleiterschalters, jedoch einzuschalten. Auf diese Weise kann durch geeignete Auslegung der Überwachungseinheit die Charakteristik des Überganges von dem Hauptschalter auf den Hilfsschalter beeinflusst werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in Serie mit dem Hilfs-Halbleiterschalter ein Ballastwiderstand geschaltet ist. Dadurch wird der größte Teil der Wärme in dem Ballastwiderstand umgesetzt und der Hilfs-Halbleiterschalter kann auf eine geringere Verlustleistung dimensioniert werden und daher billiger sein. Dabei ist es empfehlenswert, wenn der vorgebbare Kurzschlussstrom des Zweiges im wesentlichen durch den Ballastwiderstand und die Speisespannung bestimmt ist, sodass RIA « Us/Iκι.
In der Praxis ist es zweckmäßig und kostengünstig, falls die Halbleiterschalter vom FET-Typ sind. Auf diese Weise kann die Ansteuerung durch die Überwachungseinheit vereinfacht werden. Dabei ergibt sich schaltungstechnisch eine besonders einfache Lösung, wenn die Halbleiterschalter vom selbstsperrenden FET-Typ sind, wobei das Gate des Haupt- Halbleiterschalters mit der Source verbunden und von einem Ausgang der Überwachungseinheit über eine Zenerdiode und das Gate des Hilfs-Halbleiterschalters von dem selben Ausgang direkt angesteuert ist. Zur Aufnahme der im Abschaltfall auftretenden Leistungsimpulse eignet sich besonders ein Ballastwiderstand, der als Massewiderstand ausgebildet ist.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
■ Fig. 1 eine weiter oben bereits beschriebene Schaltung einer Spannungsversorgung gemäß der älteren Anmeldung PCT/AT 00/00318,
■ Fig. 2 eine Schaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
■ Fig. 3 eine Schaltung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 2, welche lediglich einen Zweig einer Schaltung nach Fig. 1 betrifft, liegt die Last LAS über einen Halbleiterschalter SWl, hier ein selbstsperrender n-Kanal-IGFET, an der Speisespannung Us. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, sorgt eine Überwachungseinheit UWE durch ein entsprechendes Signal an das Gate des Schalters SWl für dessen Öffnen, falls z. B. der mit Hilfe des Widerstandes RMI gemessene Strom einen vorgebbaren Maximalwert überschreitet. Varianten der Abschaltbedingungen sind möglich, z. B. ein Abschalten in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung oder der Eingangsspannung sowie Kombinationen solcher Abschaltbedingungen. Die Grundfunktion einer solchen elektronischen Sicherung ist es zu verhindern, dass durch einen Zweig der Schaltung ein beliebig großer Strom fließen kann. De facto ist dies die übliche Funktion eines Leitungsschutzschalters mit der zusätzlichen Eigenschaft, dass vor dem vollständigen Unterbrechen der Stromzufuhr noch ein Betriebszustand der Strombegrenzung eingenommen wird.
Eine Anlage mit mehreren Lastzweigen, die über eine derartige elektronische Sicherung versorgt werden, ist vor einem Einbrechen der gesamten Versorgungsspannung auf diese Weise gesichert.
Wie erwähnt, kann beispielsweise als Reaktion auf ein Sinken der Speisespannung Us, z. B. 24 V ein Abschalten der einzelnen Zweige nach einer vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
Zusätzlich kann man auch vorsehen, dass bei Unterschreiten eines bestimmten Wertes der Speisespannung, z. B. 22 V, jener Ausgang oder jene Ausgänge abgeschaltet werden, die zu diesem Zeitpunkt des Unterschreitens mehr als 100 % des eingestellten Sollstroms führen.
Die Erfindung sieht nun vor, dass dem Halbleiterschalter SWl ein Hilfs-Halbleiterschalter H1A parallel geschaltet st, im vorliegenden Fall der Fig. 2 gleichfalls ein selbstsperrender n- Kanal Feldeffekttransistor. Hier liegt in Serie mit dem Hilfsschalter H1A noch ein Ballastwiderstand RA1, der jedoch, wie noch zu erläutern ist, auch entfallen kann.
Im Normalbetrieb ist der Schalter SWl leitend und der gesamte Strom fließt im wesentlichen über den Schalter SWl und über den Messwiderstand RMI in die Last LAS'. Im Falle eines Kurzschlusses, kurzschlussähnlichen Zustandes oder ganz allgemein bei Überschreiten des vorgebbaren Maximalstroms würde bis zu dem Abschalten, wofür z. B. eine Zeitdauer von 50 - 100 ms vorgesehen sein kann, der entsprechend hohe Strom fließen. Um ein Zerstören des im Normalbetrieb bereits erwärmten Schalters SWl zu vermeiden, wird bei Überlast der Transistor SWl gesperrt und der Strom fließt nun über den Hilfsschalter H1A und den Ballastwiderstand RA1, bis auch der Hilfsschalter H1A ein Abschalt(Sperr-) signal seitens der Überwachungseinheit UWE erhält.
Davon ausgehend, dass der Ballastwiderstand RA1 einen vergleichsweise höheren Widerstandswert aufweist, als der Durchlasswiderstand der Schalter H1A und SWl, wird die wesentliche Energie bis zum Abschalten in dem Ballastwiderstand RA1 vernichtet. Dadurch ist nicht nur der Hauptschalter SWl vor thermischer Zerstörung gesichert - es wurde bereits abgeschaltet -, sondern auch der Hilfsschalter H1A. Der Widerstand RAl ermöglicht es auch, eine geeignete Dimensionierung vorausgesetzt, dass auch der Hilfsschalter HIA im Normalbetrieb ständig eingeschaltet bleiben kann. Dieser Fall liegt jedenfalls dann vor, wenn die Serienschaltung Ballastwiderstand RAl - Hilfsschalter HIA (eingeschaltet) einen Widerstandswert aufweist, der groß ist gegen den Durchlasswiderstand des Hauptschalters SWl. In der Praxis wurden z. B. im Strombegrenzungsfall ca. 80 % der anfallenden Verlustleistung in dem Ballastwiderstand RAl vernichtet.
Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Speisespannung 24 V, der maximale Kurzschlussstrom 13 A. Der Gesamtwiderstand des Hilfszweiges ergibt sich dann als
24
Der Widerstand des Hilfsschalters Ron betrage z. B. 0,1 Ohm, so dass sich der Ballastwiderstand RAl zu 1,74 Ohm ergibt. Für den Hauptschalter SWl, welcher den Dauerstrom führen muss, wird beispielsweise ein teurerer Transistor mit einem Wert Ron von z. B. 5 mOhm gewählt. Besonders zweckmäßig ist ein Massewiderstand, z. B. ein Kohlemassewiderstand, da ein solcher, bezogen auf die Impulsleistung, wesentlich leistungsfähiger ist, als ein Schicht- oder Drahtwiderstand.
In Fig. 2 ist strichliert ein weiterer FET-Schalter angedeutet, welcher parallel zu dem Hauptschalter SWl liegt. Damit soll zweierlei zum Ausdruck gebracht werden:
Erstens können ein solcher Hilfsschalter H1B zusätzlich zu dem Hauptschalter SWl und dem Hilfsschalter HIA vorgesehen sein, gegebenenfalls mit einem nicht gezeigten Serien- Ballastwiderstand, um sequentiell mit dem Hilfsschalter HIA oder parallel mit diesem den Stromstoss samt Joul' scher Wärme aufzufangen.
Zweitens könnte ein solcher Hilfsschalter H1B ohne Ballastwiderstand an Stelle der Serienschaltung RIA - HIA eingesetzt werden, damit der Hilfsschalter H1B bei Abschalten des Hauptschalters SWl den Strom/Wärmestoß aufnehmen kann. Zu diesem Zweck sind der Hauptschalter SWl und der Hilfsschalter H1B durch die Überwachungsschaltung UWE so anzusteuern, dass im Überlastfall sofort der Hilfsschalter H1B eingeschaltet und der Hauptschalter SWl ausgeschaltet werden.
Die Variante gemäß Fig. 3 stellt eine besonders einfache Möglichkeit für eine automatische Ansteuerung von zwei parallelen Schaltern, nämlich dem Hauptschalter SWl und dem Hilfsschalter HIA unter Verwendung einer Zenerdiode dar, wobei die Schaltung im übrigen vollständig jener nach Fig. 2 entspricht. Eine solche Schaltung ist besonders dann angezeigt, wenn der Hilfeschalter einen wesentlich höheren Innenwiderstand besitzt, als der Hauptschalter, z. B. Ron = 5 mOhm für den Hauptschalter und Ron = 100 mOhm für den Hilfsschalter.
Die Überwachungseinheit UWE weist beispielsweise eine Operationsverstärkerschaltung mit einem PI-Reglerverhalten auf, sodass sie wie die Ansteuerung einer elektronischen Stromquelle wirkt. Solange der Begrenzungsstrom noch nicht erreicht ist, versucht die Überwachungseinheit bzw. deren Operationsverstärker, den Begrenzungsstrom noch weiter zu erhöhen, in dem die Gatespannung der Schalter bzw. Transistoren SWl, HIA weiter erhöht wird.
Da der Ausgangsstrom der Spannungsversorgung durch die angeschlossene Last LAS bestimmt wird, wird der Ausgang des erwähnten Operationsverstärkers im normalen Betrieb in der positiven Sättigung verharren, z. B. bei 15 Volt. Bei Überschreiten des eingestellten Begrenzungsstroms, dies können z. B. 130 % des mit einem Potentiometer auf einer Skala eingestellten Nennstroms sein, wird der Operationsverstärker aktiv und die Überwachungseinheit UWE senkt nun ihr Ausgangssignal, nämlich die Gatespannung der MOSFET- Transistoren SWl, HIA ab, um den Ausgangsstrom nicht weiter steigen zu lassen.
Wie ersichtlich, ist der Ausgang der Überwachungsschaltung UWE mit dem Gate des Hilfsschalters HIA direkt und mit dem Gate des Hauptschalters SWl über eine Zenerdiode ZD1 verbunden. Die Gatespannung des Hauptschalters erreicht nun wegen der Zenerdiode die Schwellspannung früher, d. i. jene Spannung, ab welcher ein FET mit nur geringfügig sinkender Gatespannung bereits signifikant hochohmiger wird, d. h. der Beginn des linearen Betriebsfalls, in welchem der Transistor wie ein veränderbarer Widerstand wirkt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Hilfstransistor HIA im Begrenzungsfall immer so viel Strom von dem Hauptschalter SWl übernimmt, wie sie eigener Innenwiderstand und der in Serie geschaltete Ballastwiderstand RAl erlauben.
Im normalen Dauerbetrieb ist die von der Überwachungseinheit UWE erzeugte Steuerspannung, d. h. die den Gates der Schalter zugeführte Spannung, so zu dimensionieren, dass der Hauptschalter SWl voll durchgeschaltet werden kann, der Hilfsschalter HIA aber nicht zerstört wird. In der Praxis erhält man eine günstige Dimensionierung, wenn die Zener- spannung der Diode ZD1 etwa der Schwellspannung der verwendeten Transistoren, hier der MOSFET-Transistoren, entspricht, d. h. ca. 3 Volt beträgt. Der Integralanteil der Regelcharakteristik der Überwachungseinheit UWE ist auch zweckmäßig, um den Unstetigkeitspunkt beim Überwinden der Zenerdiodenschwelle ohne zu große Abweichungen der Ausgangsspannung UAI zu kompensieren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Stromversorgung, bei welcher eine Speisespannung (Us) über zumindest einen Längszweig zu zumindest einem Ausgang geführt ist, wobei der zumindest eine Zweig eine als gesteuerten Halbleiterschalter (SWl) ausgebildete Abschaltsicherung aufweist und eine Überwachungseinheit (UWE) dazu eingerichtet ist, bei Änderungen von Spannungen oder Strömen über vorgebbare Toleranzwerte an den Halbleiterschalter ein Abschaltesignal (sl) zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass dem Halbleiterschalter (SWl) zumindest ein, gleichfalls von der Überwachungseinheit (UWE) angesteuerter Hilfs-Halbleiterschalter (HIA) parallel geschaltet ist, welcher im Überlastfall einen wesentlichen Anteil des Überlaststromes in dm Zweig übernimmt.
2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (UWE) dazu eingerichtet ist, den Hilfs-Halbleiterschalter (HIA) im Normalbetrieb zumindest im wesentlichen ausgeschaltet zu halten, im Überlastfall, bei gleichzeitigem Abschalten des Haupt-Halbleiterschalters (SWl), jedoch einzuschalten.
3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie mit dem Hilfs-Halbleiterschalter (HIA) ein Ballastwiderstand (RIA) geschaltet ist.
4. Stromversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Kurzschlussstrom (Iκι) des Zweiges im wesentlichen durch den Ballastwiderstand (RIA) und die Speisespannung (Us) bestimmt ist, sodass RIA « Us/Iκι.
5. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (SWl, HIA) vom FET-Typ sind.
6. Stromversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (SWl, HIA) vom selbstsperrenden FET-Typ sind, wobei das Gate des Haupt-Halbleiterschalters (SWl) mit der Source verbunden und von einem Ausgang der Überwachungseinheit (UWE) über eine Zenerdiode (ZD1) und das Gate des Hilfs-Halbleiter- schalters (HIA) von dem selben Ausgang direkt angesteuert ist.
7. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballastwiderstand (RIA) als Massewiderstand ausgebildet ist.
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