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Dokumentenidentifikation DE3340140C2 07.07.1988
Titel Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Spannung auf einen Sollwert
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Tippner, Franz, Ing.(grad.), 3300 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 07.11.1983
DE-Aktenzeichen 3340140
Offenlegungstag 23.05.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.07.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.07.1988
IPC-Hauptklasse H02H 9/04
Zusammenfassung Die Schaltunganordnung zur Begrenzung einer Spannung auf einen Sollwert soll vorzugsweise bei Eisenbahnsicherungsanlagen eingesetzt werden, bei denen die Gefahr besteht, daß bei Fahrdrahtkurzschlüssen in der Nähe von Bahnunterwerken hohe Beeinflussungsspannungen in der Stellwerksanlage auftreten. So besteht die Schaltungsanordnung aus einer Schwellwertschaltung, die aus einer oder mehreren in Reihe geschalteten Zenerdioden (ZE) in Verbindung mit einem Widerstand (RV) aufgebaut ist, wobei diese Reihenschaltung durch eine spannungsfeste Konstantstromquelle (KE) gespeist wird. Diese Schaltung liegt an der zu begrenzenden Spannung und steuert einen Gleichstrom-Leistungsverstärker mit einer vorgegebenen Anzahl von Leistungstransistoren (T2, T3 usw.) in Verbindung mit einem Arbeitswiderstand (RL).

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Spannung auf einen Sollwert mit einer aus einem Widerstand und mindestens einer Zenerdiode bestehenden Schwellwertschaltung, die einen durch die Spannung gespeisten Transistor steuert.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 22 63 541 mit dem Titel "Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung in eigensicheren Stromkreisen" bekannt. Diese bekannte Schaltung wird ausschließlich über eine Sicherung mit Energie versorgt, und der Transistor muß im Hinblick auf die zur Begrenzung anfallende Verlustleistung bemessen werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bereits bei kurzzeitigen hohen Überspannungen eine derartige strommäßige Belastung des Transistors erfolgt, daß die Sicherung durchschlägt. In dem Fall ist zwar der Transistor geschont, jedoch ist die erforderliche Spannungsversorgung bis zu einer Bedienungshandlung zum Ersetzen der Sicherung gesperrt.

Aus der CH-PS 4 52 666 ist eine Schaltung zur Begrenzung hoher Gleichspannungen bekannt, bei welcher parallel zur Last eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Zenerdioden liegt. Eine zusätzliche Schwellwertschaltung löst in Verbindung mit mindestens einem nachgeordneten Transistor einen Schaltvorgang (Kurzschluß) bezüglich einer der in Reihe geschalteten Zenerdioden auf. Nachteilig ist bei dieser bekannten Schaltung der hohe Aufwand an Schwellwertschaltungen und die Tatsache, daß mindestens kein elektrischer Überlastschutz besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der oben angegebenen Gattung aufwandsarm so weiterzubilden, daß auch bei hohen Überspannungen eine wirksame Begrenzung der Spannung auf einen vorgegebenen Sollwert gewährleistet ist, ohne daß es zu einem Abschaltvorgang kommt und ohne, daß die Schwellwertschaltung und der bzw. die Transistoren thermisch unzulässig belastet werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schwellwertschaltung über eine spannungsfeste Konstantstromquelle an die Spannung gelegt ist, daß der Transistor mit mindestens einem weiteren Transistor eine Leistungsstufe bildet, die über mindestens einen Arbeitswiderstand ebenfalls an der Spannung liegt.

Diese Schaltungsanordnung dient in Eisenbahnsicherungsanlagen in vorteilhafter Weise zum Schutz von Isolationsstrecken vor der hohen Beeinflussungsspannung bei Fahrdrahtkurzschluß zum Schutz von Bauelementen bei Spannungsspitzen auf der Versorgungsspannung.

Eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstufe aufgebaut ist aus dem als Emitterfolger geschalteten Transistor in Verbindung mit mindestens zwei weiteren parallelgeschalteten Leistungstransistoren. Aufgrund der hohen Stromverstärkung der beiden miteinander gekoppelten Transistoren nach der Schwellwertschaltung kann unter Verwendung vieler parallelgeschalteter Leistungstransistoren eine sehr leistungsfähige Spannungsbegrenzerschaltung aufgebaut werden. Eine bevorzugte andere Weiterbildung der Erfindung wird darin gesehen, daß die Leistungsstufe aufgebaut ist aus dem als Emitterfolger geschalteten Transistor, dem eine Anzahl von m = n Leistungstransistoren mit jeweils eigenen Arbeitswiderständen und sich im Wert unterscheidenden Emitterwiderständen nachgeordnet ist, wobei die Emitterelektrode des ersten nachgeschalteten Leistungstransistors einerseits unmittelbar mit der Steuerelektrode und andererseits mittelbar über einen ersten Emitterwiderstand mit dem Wert RX/m bei RX = const., m = 1; bzw. 2, 3 bis m = n - 1 für den Wert des Emitterwiderstandes des vorletzten Leistungstransistors, mit der Emitterelektrode des dem ersten Leistungstransistor nachgeschalteten zweiten Leistungstransistors usf. verbunden sind, und daß die Emitterelektrode des an letzter Stelle vorgesehenen n-ten Leistungstransistors unmittelbar an der Spannung liegt.

Diese Schaltungsvariante ist von besonderem Vorteil dahingehend, daß je nach strommäßiger Belastung ein bestimmter Anteil der Transistoren voll durchgeschaltet, ein Transistor mehr oder weniger und die anderen Transistoren nicht durchgeschaltet sind. Hierdurch entsteht an höchstens einem der Transistoren eine erhöhte thermische Belastung; überwiegend wird die Energie jedoch an den mit den Transistoren in Reihe liegenden Arbeitswiderständen aufgebraucht.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Wechselspannung mit parallelgeschalteten Leistungstransistoren und

Fig. 2 eine Schaltungsvariante, bei welcher auch die Leistungstransistoren eine Art Darlington- Schaltung bilden.

Zur Begrenzung einer an zwei Klemmen K1 und K2 anstehenden Wechselspannung U dient die Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Die Wechselspannung U wird einer Gleichrichterschaltung zugeführt, die aus den Dioden D1, D2, D3 und D4 besteht. Somit steht an den Leitungen L1 und L2 eine nicht geglättete, jedoch gleichgerichtete Spannung zur Verfügung. Diese speist eine Schwellwertschaltung, die aus einer oder mehreren in Reihe geschalteten Zenerdioden ZE in Verbindung mit einem vorgeschalteten Widerstand RV gebildet ist, über eine spannungsfeste Konstantstromquelle KE. Wenn von vorherein eine Gleichspannung auf einen vorgegebenen Sollwert begrenzt werden soll, kann diese Gleichspannung unter Verzicht auf die Dioden D1 bis D4 den Leitungen L1 und L2 unmittelbar zugeführt werden. In beiden Fällen ist sichergestellt, daß auch bei hohen Überspannungen keine unzulässige Belastung der aus den Bauelementen ZE und RV gebildeten Schwellwertschaltung eintreten kann. Ein der Schwellwertschaltung ZE/RV nachgeschalteter Transistor T1 bildet als Emitterfolger zusammen mit einem Leistungstransistor T2 eine Darlington- Schaltung mit hoher Stromverstärkung. Dem Leistungstransistor T2 sind weitere Leistungstransistoren T3, T4 und T5 parallelgeschaltet. Die Emitterelektroden aller Transistoren T1 bis T5 sind über Widerstände R1, R2, R3, R4 und R5 mit der Leitung L2 verbunden. Auf den Widerstand R1 kann ggf., bei einem Betrieb des Leistungstransistors T2 im unteren Temperaturbereich, verzichtet werden. Die Widerstände R2 bis R5 bewirken eine gleichmäßige Stromverteilung durch die zugeordneten Leistungstransistoren T2 bis T5. Die Kollektorelektroden der Leistungstransistoren T1 bis T5 sind über einen gemeinsamen Arbeitswiderstand RL mit der Leitung L1 verbunden.

Die gesamte Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung besitzt im Arbeitsbereich die Kennlinie einer Zenerdiode. Bis kurz vor dem Erreichen eines überwiegend durch die Zenerdiode ZE vorgegebenen Spannungssollwertes fließt über den Arbeitswiderstand RL kein Strom. Beim Erreichen bzw. Überschreiten des Sollspannungswertes fließt durch die Begrenzerschaltung, die einen ohmschen Widerstand darstellt, ein so kräftiger Strom, daß der vorgegebene Spannungssollwert gehalten wird. Oberhalb des Arbeitsbereiches besitzt die Begrenzerschaltung die Kennlinien des Arbeitswiderstandes RL. Die Zenerdiode der Schwellwertschaltung wird durch die Konstantstromquelle KE vor Überlast geschützt.

Hierzu muß erläuternd gesagt werden, daß die beschriebene Schaltungsanordnung beispielsweise bei Eisenbahnsicherungsanlagen eingesetzt werden soll. Bei diesen Anlagen entstehen in der Nähe von Bahnunterwerken bei Fahrdrahtkurzschlüssen in einem parallelgeführten Kabel in der zugehörigen Stellwerksanlage hohe unerwünschte Beeinflussungsspannungen. Somit gehen die Beeinflussungsspannungen, welche die unerwünschte Erhöhung der Spannung über den vorgegebenen Spannungssollwert bewirken, auf eine Spannungsquelle mit Innenwiderstand zurück. Beim Einsetzen des Regelvorganges der Schaltungsanordnungen zur Begrenzung der Spannung bewirkt der Stromfluß an dem genannten Innenwiderstand einen derartigen Spannungsabfall, daß an den Leitungen L1 und L2 bzw. an den Klemmen K1 und K2 nur noch der gewünschte Spannungssollwert vorhanden ist. Bedingt durch die Reihenschaltung der Leistungstransistoren T2 bis T5 mit dem Arbeitswiderstand RL teilt sich die beim Regelvorgang auftretende Verlustleistung auf. Bei hohen Strömen sind die Leistungstransistoren T2 bis T5 voll durchgeschaltet; die Gesamtverlustleistung wird dabei vom Arbeitswiderstand RL verkraftet. Da die Widerstände R2 bis R5 gegenüber dem Arbeitswiderstand RL einen sehr niedrigen Wert haben, spielen diese Widerstände bei der Betrachtung der thermisch verkraftenden Verlustleistung keine bedeutende Rolle.

Die Schaltung kann in vorteihafter Weise auch mit SIP- MOS-Transistoren aufgebaut werden. Die Schaltung kann auch noch dahingehend abgewandelt werden, daß je nach Leistungserfordernis mehr oder weniger Leistungstransistoren parallelgeschaltet werden.

Das Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Spannung auf einen Sollwert nach Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Schaltungsvariante, bei welcher für diejenigen Schaltungsteile bzw. Bauteile, die bereits im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 beschrieben wurden und nach wie vor dieselbe Funktion haben, dieselben Bezugszeichen verwendet sind. Bei gleicher Anzahl von Leistungstransistoren T21, T31, T41 und T51 sind diese nicht wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 einfach parallelgeschaltet, sondern sie bilden eine Art Darlington-Schaltung mit einzelnen Arbeitswiderständen RL1, RL2, RL3 bzw. RL4. An den als Emitterfolger arbeitenden Transistor T1 ist kaskadenförmig eine Anzahl von n = 4 Leistungstransistoren T21 bis T51 so nachgeschaltet, daß die Emitterelektrode des ersten Leistungstransistors T21 mit der Basiselektrode des nächstfolgenden Leistungstransistors T31 und die Emitterelektrode dieses Leistungstransistors mit der Basiselektrode des nächstfolgenden Leistungstransistors T41 usf. verbunden sind. Die Emitterelektrode des Leistungstransistors T51 ist schließlich an die Leitung L2 angeschlossen. Eine Besonderheit dieser Schaltung stellen die Widerstände RE 1, RE2 und RE3 und deren Bemessung dar. Der Widerstand RE1 verbindet die Emitterelektroden der ersten beiden Leistungstransistoren T21 und T31. Entsprechendes gilt sinngemäß für den Widerstand RE2 bzw. RE3 für den zweiten und dritten Leistungstransistor T31/T41 bzw. den vierten und fünften Leistungstransistor T41/T51 der Leistungsstufe. Der im Schaltungszusammenhang an erster Stelle für die beiden ersten Leistungstransistoren T21 und T31 vorgesehene Widerstand RE1 möge einen Wert von RX Ohm haben. Dann ist für den nächstfolgenden Widerstand RE2 ein Widerstandswert vorzusehen, der sich auf den Wert RX/2 beläuft. Für den Widerstand RE3 gilt demzufolge ein Wert RX/3. Weitere nicht dargestellte Stufen der Begrenzerschaltung wären entsprechend zu schalten und deren Widerstände fortlaufend niederohmiger zu dimensionieren. Die Widerstandswerte der Arbeitswiderstände RL1 bis RL4 sind übereinstimmend gleich zu wählen.

Das Besondere dieser Schaltung liegt darin, daß in Abhängigkeit von der Strombelastung, beispielsweise bei einem mittleren Wert, der Leistungstransistor T21 voll durchgeschaltet ist, während die Leistungstransistoren T41 und T51 noch abgeschaltet sind. Dabei möge der Leistungstransistor T31 beispielsweise teilweise durchgeschaltet sein. Bezogen auf die von der Schaltung zu verkraftende Verlustleistung ergibt sich dabei folgendes, daß der Leistungstransistor T21 wenig belastet, dagegen sein zugehöriger Arbeitswiderstand RL1 thermisch stark belastet, die Bauelemente T31 und RL2 etwa zu gleichen Teilen und die Bauelemente T41, T51, RL3 und RL4 thermisch nicht belastet sind. Es ist zu erkennen, daß bei der Begrenzerschaltung nach Fig. 2 mit zunehmenden Strom immer mehr der Leistungstransistoren T21 bis T51 durchgeschaltet sind, die Verlustleistung somit überwiegend von den Arbeitswiderständen RL1 bis RL4 verkraftet werden muß, wodurch ein beispielsweise allen Leistungstransistoren T21 bis T51 zugeordneter Kühlkörper (nicht dargestellt) wesentlich kleiner bemessen werden kann als bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Da die Arbeitswiderstände RL1 bis RL4 im Hinblick auf die abzuführende Verlustwärme leicht ausreichend bemessen werden können und deren Anordnung im Bereich eines Kühlmediums auch keine Schwierigkeiten bereiten dürfte, bietet die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 erhebliche Vorteile.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Spannung auf einen Sollwert mit einer aus einem Widerstand und mindestens einer Zenerdiode bestehenden Schwellwertschaltung, die einen durch die Spannung gespeisten Transistor steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (RV, ZE) über eine spannungsfeste Konstantstromquelle (KE) an die Spannung gelegt ist, daß der Transistor (T1) mit mindestens einem weiteren Transistor (T2, Fig. 1; T21, Fig. 2) eine Leistungsstufe bildet, die über mindestens einen Arbeitswiderstand (RL) ebenfalls an der Spannung liegt.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstufe aufgebaut ist aus dem als Emitterfolger geschalteten Transistor (T1) in Verbindung mit mindestens zwei weiteren parallelgeschalteten Leistungstransistoren (T2, T3 in Fig. 1).
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstufe aufgebaut ist aus dem als Emitterfolger geschalteten Transistor (T1), dem eine Anzahl von m = n Leistungstransistoren (T21, T31, T41, T51) mit jeweils eigenen Arbeitswiderständen (RL1, RL2, RL3, RL4) und sich im Wert unterscheidenden Emitterwiderständen (RE1, RE2, RE3) nachgeordnet ist, wobei die Emitterelektrode des ersten (m = 1) nachgeschalteten Leistungstransistors (T21) einerseits unmittelbar mit der Steuerelektrode und andererseits mittelbar über einen ersten Emitterwiderstand (RE1) mit dem Wert RX/m bei RX = const., m = 1; bzw. 2, 3 bis m = n - 1 für den Wert des Emitterwiderstandes (RE3) des vorletzten Leistungstransistors (T41), mit der Emitterelektrode aus dem ersten (m = 1) Leistungstransistor (T21) nachgeschalteten zweiten (m = 2) Leistungstransistors usf. (m = 2 bzw. 3 bis m =n - 1 bzw. m = n) verbunden sind, und daß die Emitterelektrode des an letzter Stelle vorgesehenen n-ten Leistungstransistors (T51) unmittelbar an der Spannung liegt.






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