Beschreibung Schaltungsanordnung und Verfahren für eine elektronische Sicherung Elektronische Sicherungen werden bevorzugt an Eingängen von Schaltkreisen eingefügt, um diese bei Kurzschlüssen vor auf- tretenden Überströmen zu schützen. Wegen der sehr großen Ströme bei einem Kurzschluß kann sich die Spannungsversorgung für die Zeit bis zum Auslösen der Sicherung bei ebenfalls an die Spannungsversorgung angeschlossene Schaltkreise stark re- duzieren. Um einen Ausfall der Schaltkreise aufgrund der ver- minderten Spannungsversorgung zu vermeiden, wird vorzugsweise jeder Schaltkreis eingangsseitig mit einem eigenen, von der Spannungsversorgung entkoppelten Kondensator ausgestattet.

Bei einer Verringerung der Spannungsversorgung kann ein ein- gangsseitig mit einem Kondensator versehener Schaltkreis da- her noch einige Zeit fehlerfrei weiterarbeiten. Um einen feh- lerfreien Betrieb des Schaltkreises aufrecht zu erhalten, muß eine Überbrückungszeit vorgesehen werden, die größer ist, als die längstmögliche Dauer eines Spannungseinbruchs bei der Spannungsversorgung. Die Dauer des kurzschlußbedingten Span- nungseinbruchs hängt unmittelbar vom Typ der verwendeten Sicherung ab. Je länger die Auslösezeit der Sicherung beträgt oder die Überbrückungszeit bei Spannungseinbrüchen sein soll, desto größere Kondensatoren müssen verwendet werden. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß wegen der Aufladung der einzelnen am Eingang der Schaltkreise angeordneten Kon- densatoren zusätzlich zum betriebsbedingten Strombedarf der Schaltkreise ein sehr hoher Ladestrom für die Kondensatoren benötigt wird. Dieser erhöhte Strom beeinflußt während eines Kurzschlusses wiederum die Höhe des Spannungseinbruchs an der Spannungsversorgung und trägt wesentlich zur erhöhten Ver-

lustleistung innerhalb eines Stellgliedes der jeweiligen Sicherung bei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan- ordnung und ein Verfahren einer elektronischen Sicherung an- zugeben, die die oben aufgeführten Nachteile vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die Pa- tentansprüche 1 und 7 gelöst.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß trotz einer Verwendung von Kondensatoren mit einer großen Kapazität zur Uberbrückung von Spannungseinbrüchen, Kürzschlüsse sicher er- kannt werden.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß eine Abschal- tung der elektronischen Sicherung erst erfolgt, wenn die Be- lastung für das Stellglied einen vorgebbaren maximalen Wert übersteigt.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß das Laden der eingangsseitig angeordneten Kondensatoren nicht zu Fehlab- schaltungen bei der elektronischen Sicherung führt.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß die Verlust- leistung im Stellglied des Stromreglers beim Laden des Kon- densators und im Fall eines Kurzschlusses einen voreinge- stellten Wert nicht überschreitet.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Schaltungsanordnung und des dazugehörigen Verfahrens sind in den weiteren Patentan- sprüchen angegeben.

Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus der nachfol- genden näheren Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen : Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer elektronischen Sicherung, Figur 2 eine Vorsteuerkennlinie, Figur 3 ein weiteres Prinzipschaltbild einer elektronischen Sicherung, Figur 4 eine weitere Ausgestaltung des Prinzipschaltbildes, Figur 5 eine Schaltungsausgestaltung und Figur 6 Diagramme zu der in Figur 5 dargestellten Schaltungsanordnung.

Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer elektronischen Sicherung. Parallel zu den Eingängen eines Schaltkreises SK ist mindestens ein Kondensator CIN1 und eine Spannungsversor- gung SP angeordnet. Eine Auswerteeinheit SR, nachfolgend als Stromregler SR bezeichnet, ist in einem Hauptstrompfad zwi- schen der Spannungsversorgung SP und einem Anschluß des Kon- densators CIN1 eingefügt. Die Steuerung des Stromreglers SR erfolgt über eine Vorsteuereinheit VST. Als Eingangsspannung für die Vorsteuereinheit VST wird eine an einem Anschluß des Kondensators CIN1 anliegende Spannung verwendet. Mit der Vor- steuereinheit VST können die SOLL-Spannung oder die IST-Span- nung an einer beispielsweise in dem Stromregler SR angeordne- ten Regeleinheit R verändert werden. Die Regeleinheit R bil- det ein Steuersignal für ein Stellglied T, beispielsweise ein MOSFET Transistor, im Stromregler SR, so daß eine konstante Leistung im Stellglied T umgesetzt wird.

Wird die eingangsseitig anliegende Spannung an der Vorsteuer- einheit VST durch eine hyperbolische Funktion y=K*1/VTransistor (K=const.) auf eine Ausgangsspannung der Vorsteuereinheit

VST umgesetzt, so bewegt sich die umgesetzte Leistung Pma im Stellglied T in der Gleichstrom-Safe Operating Area des Stellgliedes T. Eine thermische Überlastung des Stellgliedes T wird verhindert.

Figur 2 zeigt eine Spannungs/Stromkennlinie die eine Verknüp- fung zwischen steuernder Spannung und dem vom Stromregler SR einzustellenden Strom herstellt. Da die Realisierung einer Hyperbelfunktion mit dem dargestellten Verlauf VK als analoge Schaltung mit einem schaltungstechnischen Aufwand verbunden ist, wird hier als Alternativlösung eine Approximation der Vorsteuerkennlinie AVK gezeigt (siehe Fig. 5). Die maximale Verlustleistung Pmax im Stellglied T wird nur an den in der Figur markierten Punkten 1 und 2 erreicht. Bei einer Schal- tungsausgestaltung zur Realisierung des Kennlinienverlaufs VK erfolgt eine direkte Beeinflussung der SOLL-Spannungsvorgabe an der Regeleinheit (R) durch die Vorsteuereinheit VST (siehe Fig. 4).

In Figur 3 ist das eingangs gezeigte Prinzipschaltbild um ein Filter F, einen Timer TI, eine Begrenzereinheit MM, eine Freischalteeinheit FS und eine Mittelwertbildungseinheit MW erweitert.

Das Filter F zur Unterdrückung etwaiger von dem Schaltkreis SK hervorgerufener Störimpulse ist an dessen Eingang angeord- net. Der Stromregler SR ist in einem Hauptstrompfad zwischen einem Ausgang des Filters F und einer Anschlußklemme der Spannungsversorgung SP angeordnet. Das Filter F weist den eingangs genannten Kondensator CIN1 auf.

Der Timer TI schaltet nach Eintritt einer Begrenzung des Ein- gangsstromes nach einer einstellbaren Zeitspanne den Strom- regler SR ab. Mit der Begrenzereinheit MM wird die von der Vorsteuereinheit VST abgegebene Ausgangsspannung im Bedarfs-

fall begrenzt. Ein unterer Begrenzungswert IMIN dient dazu, einen Mindestladestrom für den am Eingang des Schaltkreises SK angeordneten Kondensator CIN1 zu garantieren.

Die Freischalteeinheit FS schaltet den Schaltkreis SK erst frei, wenn die Aufladung des eingangsseitig angeordneten Kon- densators CIN1 weitgehend abgeschlossen ist.

Die Mittelwertbildungseinheit für die an den Kondensatoren CIN1 und CIN2 anliegenden Spannungen ist zwischen dem Filter F und einem Eingang der Vorsteuereinheit VST angeordnet.

In Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltung des in Fig. 3 ge- zeigten Prinzipschaltbildes abgebildet. In diesem Ausfüh- rungsbeispiel ist ein Teil des Schaltkreises SK ein Gleich- strom-Gleichstrom-Umrichter U eingangsseitig in dem Schalt- kreis SK angeordnet. In dieser Ausgestaltung verbindet ein Stecker ST die Sicherung S mit der Spannungsversorgung SP.

Das Filter F und die die Mittelwertbildende Einheit MW sind in dieser Figur detaillierter dargestellt.

Zum Schutz der Steckerkontakte STK des Steckers ST darf mit dem Laden erst begonnen werden, wenn alle Steckerkontakte STK mit korrespondierenden Gegenstücken des Steckers ST verbunden sind, um einen Kontaktabbrand oder Verschweißen der Stecker- kontakte zu verhindern. Dies kann entweder durch einen ein- zelnen nacheilenden Steckerkontakt NK des Steckers ST, oder durch einen Stecker ST kombiniert mit einem Ziehhebelschalter ZH verhindert werden. In beiden Varianten wird entweder durch den nacheilenden Steckerkontakt NK oder durch Schließen des Ziehhebels ZH eine Hilfsspannungsquelle HV aktiviert. Die Hilfsspannungsquelle HV versorgt die einzelnen Komponenten der in der Sicherung angeordneten Einheiten mit einer Hilfs- spannung.

Vor den meisten Schaltkreisen ist, insbesondere jedoch bei Umrichtern U zur Unterdrückung von Spannungs-und Stromspit- zen, ein s-Filter, gebildet aus einem ersten und zweiten Kon- densator CIN1, CIN2 und in Längszweigen des w-Filters ange- ordneten Induktivitäten LIN1 und LIN2, vor dem Schaltkreis SK angeordnet. Von diesem -Filter wird eine Spannung am er- sten Kondensator CIN1 abgegriffen und der Mittelwertbildungs- einheit MW zugeführt. Die gemittelte Spannung ist die Ein- gangsspannung der Vorsteuereinheit VST.

Bei einer Gleichheit der Induktivitäten LIN1 und LIN2 im z- Filter kann die Mittelwertbildungseinheit MW entfallen, da die Spannung am Schaltungseingang der Vorsteuereinheit VST gegenüber dem am Ausgang der Spannungsversorgung SP abgreif- baren Bezugspotential LGND eine vernachlässigbare Oszillati- onsamplitude aufweist.

Die Freischalteeinheit FS hat die Aufgabe, das Starten des Schaltkreises SK während einer Ladephase der Kondensatoren CIN1, CIN2 am Eingang des Schaltkreises SK, z. B. beim Stecken der Baugruppe, zu unterbinden, da dies zu einer Verringerung des Ladestromes für Kondensatoren CIN1 und CIN2 führt, wo- durch sich die Ladezeit entsprechend verlängern würde. Als Einschaltkriterium kann z. B. die Spannung am Eingang der Vor- steuereinheit VST verwendet werden. Ist diese kleiner als ein vorbestimmbarer Schwellwert, so ist der Ladevorgang der Kon- densatoren CIN1, CIN2 nahezu abgeschlossen und der Umrichter U kann freigeschaltet werden.

Damit während des Betriebes des Schaltkreises SK hervorgeru- fene Spannungsspitzen keine Abschaltung des Umrichters U be- wirken, ist ein diese Spannungsspitzen unterdrückendes Filter TP in Form eines Tiefpasses am Eingang der Freischalteeinheit FS angeordnet.

An die Vorsteuereinheit VST wird an einen Eingang die Span- nung am Fußpunkt von CIN1 und am anderen Eingang das Bezugs- potential LGND angelegt.

In Figur 5 ist eine Schaltungsausgestaltung der Prinzip- schaltbilder gezeigt. Eine an dem Ausgang der Spannungsver- sorgung SP angeordnete Hilfsspannungsquelle HV besteht aus einer Zenerdiode Zl und einem Vorwiderstand RV. Die von der Hilfsspannungsquelle HV erzeugte Hilfsspannung VHILF dient als Referenzspannungsquelle und zur Spannungsversorgung der ange- schlossenen Einheiten TI, SR, VST in der elektronischen Sicherung S.

An der Hilfsspannung VHILF, die an der Kathode der Zenerdiode ZI abgreifbar ist, ist ein eine SOLL-Spannung erzeugender Spannungsteiler, gebildet aus zwei Widerständen RS1, RS2 an- geschlossen. Dieser Spannungsteiler ist parallel zur Zenerdi- ode Z1 der Hilfsspannungsquelle HV angeschlossen.

In dem Stromregler SR ist in dieser Ausführungsform eine Re- geleinheit R mit einem PI-Regler angeordnet. Aus der Diffe- renz zwischen der am ersten Eingang anliegenden SOLL-Spannung und einer an einem zweiten Eingang eines Operationsverstär- kers OP1 des PI-Reglers anliegenden, an einem Meßwiderstand Shunt abgreifbaren IST-Spannung, wird eine Steuergröße von dem Operationsverstärker OP1 generiert, die über eine Entkop- peldiode D1 am Steuereingang G des Stellgliedes T anliegt.

Eine Schaltungsvariante der Vorsteuereinheit VST ist derart ausgebildet, daß ein Anschluß des ersten Kondensators CIN1 des Filters F über eine Serienschaltung, gebildet aus einer ersten Zenerdiode Z3 und einen mit an die Anode der ersten Zenerdiode Z3 verbundenen ersten Widerstand RV2, mit dem Be- zugspotential LGND der Spannungsversorgung SP verbunden ist.

Zwischen der Anode der ersten Zenerdiode Z3 und dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers OP1 des Stromreglers SR ist

ein Spannungsteiler, gebildet aus einem zweiten und dritten Widerstand RV1 und RIST2 angeordnet. Eine zweite Zenerdiode Z2 ist mit ihrer Kathode zwischen dem zweiten und dritten Wi- derstand angeschlossen sowie mit ihrer Anode mit dem Bezugs- potential LGND verbunden.

Damit für die Vorsteuerfunktion kein aktives Element verwen- det werden braucht, wird in dieser Variante der Sollspan- nungseingriff leicht abgeändert. Der Stromregler SR bekommt über die Widerstände RS1, RS2 des Spannungsteilers eine feste SOLL-Spannung vorgegeben. Eine Änderung der SOLL-Spannung wird bei dieser Schaltungsvariante indirekt durch eine Erhö- hung der IST-Spannung erreicht. Diese IST-Spannung kann durch eine Spannungserhöhung am zweiten Eingang des Operations- vertärkers OP1 erreicht werden. Mit dieser Schaltungsvariante wird das Spannungs-/Stromverhalten nach der in Fig. 2 unter- brochen gezeichneten Kennlinie AVK erreicht.

Der Timer TI ist im Wesentlichen aus einem Rampengenerator RG und einer ein Abschaltesignal abgebenden Abschalteeinheit AB gebildet. Sobald der Stromregler SR aktiv ist, liegt an einem Eingang des Rampengenerators RG eine Spannung an, die bei ausreichender Höhe an einem Spannungsteiler, gebildet aus den Widerständen Rakl und Rak2, einen Transistor Q1 durchsteuert.

Aufgrund des vernachlässigbaren Spannungsabfalles an der Col- lector-Emitter-Strecke des Transistors Q1 liegt in diesem Fall am Widerstand Rcurrent die gleiche Spannung an wie an einem Widerstand RS4, der mit einem Eingang des Operations- verstärkes OP3 des Rampengenerators RG verbunden ist. Ein gleichbleibender Spannungsabfall am Widerstand Rcurrent, der am Kollektor des Transistors Q1 angeordnet ist, hat zur Folge, daß ein konstanter Strom in den Kondensator CTimer des Rampengenerators RG hineinfließt. Der konstante Strom bewirkt einen linearen Anstieg des Signals"Timerrampe" (siehe Figur 6, Signalverlauf E).

Übersteigt die Spannung am Kondensator CTimer einen vorgege- benen Abschaltewert, so liegt am Ausgang des Operationsver- stärkers OP2 der Abschalteeinheit AB des Timers TI ein einer LOW-Spannung entsprechender Spannungswert an. Dieser Span- nungswert wird über eine weitere Entkoppeldiode D2 im Strom- regler SR an den Steuereingang G des Stellgliedes T angelegt und das Stellglied T dauerhaft gesperrt. Mit den Widerständen RS3, RS4 eines Spannungsteilers am ersten Eingang des Opera- tionsverstärkers OP3 des Rampengenerators RG und dem Wider- stand Rcurrent kann die Rampensteilheit und damit auch die Abschaltezeit TAB des Timers TI eingestellt werden. Ein Widerstand RE, der parallel zum Kondensator CTimer angeordnet ist, sorgt für eine langsame Entladung des Kondensators CTi- mer, wenn kein Strombegrenzungsbetrieb vorliegt.

Die Abschaltezeit TAB des Timers TI ist so gewählt, daß ein worst case Ladevorgang, der durch einen maximalen Wert der Versorgungsspannung SP sowie durch größt mögliche Kapazitäten der Kondensatoren CIN1, CIN2 verursacht werden kann, nicht zur Abschaltung des Stellgliedes T führt. Als eine Abschalte- zeit TAB des Timers TI kann folgende Gleichung angegeben wer- den : z. B. TAB ! 1.2 * Tlade, max. Bei einem Kurzschluß wird diese Zeit überschritten.

In Figur 6 sind Signalverläufe A bis G abgebildet.

In den Signalverläufen A-C sind Strom und Spannungsverläufe innerhalb der Sicherung S wiedergegeben, wie sie beim Laden der Kondensatoren CIN1 und CIN2 auftreten.

In den Signalverläufen D-G sind Strom-und Spannungsver- läufe nach einem Kurzschluß zum Zeitpunkt T : 200 ms bis zum Abschalten der Sicherung S gezeigt. Der Kurzschluß tritt par- allel zum zweiten Kondensator CIN2 auf (siehe Fig. 5).

Im Signalverlauf A ist ein Eingangsstrom der elektronischen Sicherung S dargestellt.

Im Signalverlauf B sind die Spannung am Stellglied T sowie die Spannung an den Kondensatoren CIN1 und CIN2 gezeigt.

Im Signalverlauf C ist die im Stellglied T entstehende Ver- lustleistung während des Aufladevorgangs der am Eingang des Schaltkreises SK angeordneten Kondensatoren CIN1, CIN2 ge- zeigt.

Im Signalverlauf D ist gezeigt, daß der Eingangsstrom I zum Zeitpunkt des Kurzschlusses sprunghaft ansteigt.

Im Signalverlauf E ist gezeigt wie der Timer TI aktiviert und nach Erreichen einer vorgebbaren Zeitspanne den Schaltkreis SK abschaltet. Sobald die Rampenspannung den fest eingestell- ten Abschaltewert erreicht, sperrt das Stellglied T. Die Spannung am Ausgang des Rampengenerators RG bleibt selbsthal- tend auf einem hohen Spannungswert.

Im Signalverlauf F ist die Spannung am Kondensator CIN1 wie- dergegeben.

Im Signalverlauf G ist die im Stellglied T entstehende Ver- lustleistung während einer aktiven Strombegrenzungsregelung wiedergegeben.