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Title:
CIRCUIT DEVICE FOR SUPPLYING ENERGY TO ELECTRONIC TRIGERRING DEVICES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/043254
Kind Code:
A1
Abstract:
One problem concerning the supply of electricity to electronic triggering devices for power circuits relates to controlling series mounted switching transistors, when said transistors are controlled using a voltage derived from a monitored network. In the inventive circuit, the rectified output voltage of the current converter (SW) is guided via a diode (D2) to a charge capacitor (C2). The voltage thereof forms an input voltage pertaining to a first compensator. When the violtage of the charge capacitor (C2) is sufficient for full control of the switching transistor (V1), said voltage is released by the comprator in order to control the switching transistor (V1).

Inventors:
ROEHL WOLFGANG (DE)
REHAAG HANS (DE)
PANCKE ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/DE2000/004372
Publication Date:
June 14, 2001
Filing Date:
December 04, 2000
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
ROEHL WOLFGANG (DE)
REHAAG HANS (DE)
PANCKE ANDREAS (DE)
International Classes:
H02H1/06; H02H11/00; (IPC1-7): H02H1/06
Domestic Patent References:
WO1998013918A11998-04-02
WO1998040944A11998-09-17
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von elektroni schen Auslöseeinrichtungen von Leistungsschaltern mit einem Stromwandler (SW), dessen Ausgangsspannung gleichgerichtet und über einen Schalttransistor (V1) spannungsgeregelt einem Ausgangskondensator (Cl) zugeführt ist, der die Energie für die Auslöseeinrichtung bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Stromwandlers (SW) über eine Diode (D2) auf einen Ladekondensator (C2) ge führt ist, dessen Spannung eine Eingangsspannung eines ersten Komparators bildet, der bei einer für die volle Aussteuerung des Schalttransistors (V1) ausreichenden Spannung des Lade kondensators (C2) diese für die Ansteuerung des Schalttransi stors (V1) freigibt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsregelung des Ausgangskondensators (Cl) ein zweiter Komparator vorgesehen ist, dessen Ausgang zur An steuerung des Schalttransistors (V1) dient.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoren auf der Basis von Operationsverstärkern (OPV1, OPV2) aufgebaut sind, deren Betriebsspannung vom Lade kondensator (C2) bereitgestellt wird und daß der Ausgang des zweiten Komparators (OPV1) direkt mit dem Gate des Schalt transistors (V1) verbunden ist.
Description:
Beschreibung Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von elektronischen Auslöseeinrichtungen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Energie- versorgung von elektronischen Auslöseeinrichtungen von Lei- stungsschaltern mit einem Stromwandler.

Zweckmäßig wird die Energie für einen elektronischen Auslöser eines Leistungsschalters, mit dem ein Nieder-oder Mittel- spannungsnetz auf Kurzschluß-und Überströme überwacht wird, aus dem Netz selber bezogen. Hierzu dient ein Stromwandler dessen Ausgangsspannung gleichgerichtet und einem Kondensator zugeführt wird. Die Spannung des Kondensators stellt die Ver- sorgungsspannung für den elektronischen Auslöser dar und muß auf einen konstanten Wert geregelt werden.

Aus WO 98/13918 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die mit einem Schaltnetzteil für die Spannungsregelung arbeitet. Das Schaltnetzteil wird über eine Pulsweiten-Spannungsregelung angesteuert.

Einfacher aufgebaut und verlustärmer arbeitend sind Stromver- sorgungseinrichtungen, die mit einem Schalttransistor als Schaltspannungsregler im Strompfad zwischen Stromwandler und Ausgangskondensator arbeiten. Ein besonderes Problem dieser Stromversorgungen ist jedoch die Ansteuerung des Schalttran- sistors, da für seine niederohmige Durchsteuerung eine zu- sätzliche Spannungsquelle mit einem über der Eingangsspannung liegenden Wert zur Verfügung gestellt werden muß. Insbesonde- re die an sich vorteilhafte Verwendung von Feldefrekttransi-

storen ist problematisch, da diese eine um 5 V höhere Ansteu- erspannung gegenüber der Eingangsspannung benötigen.

In bisherigen Stromversorgungseinrichtungen dieser Art wird die Gatespannung des Schalttransistors auf folgende Weise ge- wonnen : -Auf den Stromwandler wird eine zusätzliche Wicklung für die Spannungsversorgung des Schalttransistors aufgebracht. Die Lösung setzt einen solchen speziellen Stromwandler voraus und ist mit vorhandenen Einrichtungen nicht kompatibel.

-Das Gate des Transistors wird aus der Drain-Spannung des Schalttransistors versorgt. Dies führt jedoch bei Feldeffekt- transistoren zu Spannungsabfällen von ca. 4 V im durchge- schalteten Betrieb. Bei bipolaren Transistoren bereitet der hohe Ansteuerstrom Verluste und der Spannungsabfall läßt sich im durchgeschalteten Zustand kaum unter 1 V senken.

-Der Transistor wird in P-statt in N-Leitung ausgewählt.

P-Transistoren sind jedoch teuer und weniger leistungsfähig.

-Ein N-leitender Transistor wird in die Minusleitung ge- schaltet, was zu einem hohen Aufwand führt, da für die übri- gen Bauelemente dann das Massepotential einer Leiterplatte nicht unmittelbar genutzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltungsan- ordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die ohne erheb- lichen Aufwand die verlustarme Ansteuerung eines Schalttran- sistors zur Schaltspannungsregelung, insbesondere bei Verwer- dung eines Feldeffekttransistors, erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des An- spruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegen- stand der Unteransprüche.

Danach wird die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Strom- wandlers über eine Diode auf einen Ladekondensator geführt, dessen Spannung eine Eingangsspannung eines ersten Kompara- tors bildet, der bei einer für die volle Aussteuerung des Schalttransistors ausreichenden Spannung des Ladekondensators diese für die Ansteuerung des Schalt-transistors freigibt.

Mit der Lösung wird die Eigenschaft des Stromwandlers ausge- nutzt, daß seine Ausgangsspannung im Leerlauf sehr hohe Werte annimmt. In dem zu betrachtenden Bereich hat ein Stromwandler annähernd die Kennlinie einer Konstantleistungsquelle. Wäh- rend der Abschaltphasen des Leistungsschalttransistors wird die hohe Leerlaufspannung des Stromwandlers bzw. die hohe In- duktionsspannung im Abschaltmoment des Schalttransistors aus- genutzt, um einen Ladekondensator auf eine höhere Spannung aufzuladen, die so bemessen ist, das sie zur vollen Aussteue- rung des Schalttransistors ausreicht. Damit auch bei klein- sten Wandlerströmen, die hier besonders wichtige volle Funk- tion erfolgt, sorgt eine Vorrangschaltung dafür, daß die als Ansteuerspannung benötigte Hilfsspannung vorrangig vor der Ausgangsspannung bereitgestellt wird, indem die Möglichkeit zur Ansteuerung des Schalttransistors nur freigegeben wird, wenn die Hilfsspannung ausreichend hoch ist. Der Schalttran- sistor wird, wenn die Spannung des Ladekondensators unter ei- nen einstellbaren Pegel abgesunken ist, zwangsweise zu Unter- brechungen veranlaßt, um so im Stromwandler die gewünschte Überspannung für die Hilfsspannungserzeugung zu gewinnen. Da sich der Stromwandler im Bereich kleiner Ströme überwiegend wie eine Konstantleistungsquelle verhält, steht durch den

verminderte Spannungsabfall am Schalttransistor dann ein we- sentlich höherer Ausgangsstrom zur Verfügung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs- beispiels erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Prinzipschalt- bild einer Stromversorgung für einen elektronischen Auslöser.

Die Ausgangsspannung eines Stromwandlers SW wird in einem Gleichrichter GR gleichgerichtet und über einen Schalttransi- stor V1 auf einen Ausgangskondensator Cl der Schaltung ge- führt, von der aus eine elektronische Auslöseeinrichtung ei- nes Leistungsschalters versorgt wird.

Der Schalttransistor V1 arbeitet als Schaltspannungsregler und wird in bekannter Weise über einen Komparator angesteu- ert, der durch einen Operationsverstärker OPV1 realisiert wird.

Das Problem ist, für die Ansteuerung des Schalttransistors V1 eine genügend hohe Spannung aus dem System selbst bereitzu- stellen. Das geschieht dadurch, daß die Ausgangsspannung des Stromwandlers SW vor dem Schalttransistor V1 über eine Diode D2 und einen Ladewiderstand R2 an einen Ladekondensator C2 geführt ist. Die Kondensatorspannung bildet den Eingang eines weiteren Komparators, realisiert durch einen zweiten Operati- onsverstärker OPV2. Die Betriebsspannungen der Operationsver- stärker OPV1 und OPV2 werden ebenfalls vom Ladekondensator C2 abgeleitet.

Der Ladekondensator C2 wird zunächst durch die Leerlaufspan- nung des Stromwandlers SW aufgeladen. Bei einer Spannung des Ladekondensators C2, die eine volle Aussteuerung des Schalt- transistors V1 erlaubt, erreicht der Operationsverstärker

OPV2 seinen Schaltwert. Sein Ausgang schaltet auf High- Potential und gibt damit die Ansteuerung des Schalttransi- stors V1, die vorher bei Low-Ausgang des Operationsverstär- kers OPV2 auf Grund der Verbindung zum Gate des Schalttransi- stors V1 und zum Ausgang des Operationsverstärkers OPV1 über eine Diode D1 gesperrt war, frei. Der Schalttransistor V1 wird darauf vom Operationsverstärker OPV1 aufgesteuert, des- sen Ausgang über einen Widerstand R mit dem Gate des Schalt- transistors V1 verbunden ist, und kann den Ausgangskondensa- tor Cl laden, bis die gewünschte Versorgungsspannung für die Auslöseschaltung erreicht ist. Überschreitet die Spannung des Ausgangskondensators Cl einen bestimmten, durch die Referenz- spannung am Operationsverstärker OPV1 einstellbaren Wert, so schaltet der Operationsverstärker OPV1 zurück und sperrt so- mit den Schalttransistor V1. Durch die Induktionsspannung beim Unterbrechen des Wandlerstroms und den nachfolgenden Leerlaufbetrieb des Stromwandlers SW bis zum nächsten Ein- schalten des Schalttransistors V1 wird der Ladekondensator C2 nachgeladen.

Unterschreitet auch die Spannung am Ladekondensator C2 einen bestimmten, durch die Referenzspannung am Operations- verstärker OPV2 einstellbaren Wert, so tritt der Operations- verstärker OPV2 wieder in Form einer Vorrangsschaltung in Ak- tion, in dem er zurückschaltet und damit den Schalttransistor V1, unabhängig von der Spannung am Ausgangskondensator C1, sperrt. Der Stromwandler SW gerät darauf in den Leerlaufbe- trieb, bei dem seine Ausgangsspannung wieder einen hohen Wert erreicht und für die Aufladung des Ladekondensators C2 auf den benötigten Spannungswert zur Verfügung steht. Bei kleinen Strömen sorgt die Vorrangschaltung für die Hilfs- spannung somit dafür, daß stets eine volle Durchsteuerung des Schalttransistors V1 möglich ist.

Bezugszeichenliste SW Stromwandlers SW GR Gleichrichter GR V1 Schalttransistor TR C1 Ausgangskondensator C1 C2 Ladekondensator C2 OPV1 Operationsverstärker OPV1 OPV2 Operationsverstärker D1 Diode D2 Diode R1 Widerstand R2 Ladewiderstand