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Dokumentenidentifikation DE3419652C2 13.06.1990
Titel Schaltungsanordnung zum Schutz von transienten Netzstörungen von elektronischen Stromversorgungseinrichtungen
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Schlenk, Manfred, Dipl.-Ing., 8903 Bobingen, DE;
Chadwick, Patrick N.R., Dipl.-Phys., 8911 Petzenhausen, DE
DE-Anmeldedatum 25.05.1984
DE-Aktenzeichen 3419652
Offenlegungstag 28.11.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.06.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.06.1990
IPC-Hauptklasse H02H 9/04

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz von transienten Netzstörungen von elektronischen Stromversorgungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-PS 32 09 754).

Im Niederspannungsnetz können durch Blitzeinwirkungen oder durch Ein- und Ausschalten von Motoren oder anderen unzureichend entstörten Verbrauchern transiente Netzstörungen mit Amplituden von einigen 1000 V und Steilheiten von mehreren 100 V pro Nanosekunde auftreten. Ohne ausreichende Schutzeinrichtungen können diese Überspannungen zu Zerstörungen oder zumindest zu Beeinträchtigungen der Funktionssicherheit von Datenverarbeitungsanlagen führen.

Zur Begrenzung transienter Netzstörungen werden bei Schaltnetzteilen entsprechend dem Stand der Technik, wie er in der Zeitschrift: Nachrichtenelektronik u. Telemetik 37 (1983), H. 4, S. 164 u. 165, beschrieben ist, als Überspannungsschutzelemente Varistoren verwendet. Die noch verbleibende Überspannung wird von den dem Netzgleichrichter nachgeschalteten Speicherkondensator abgebaut. Da diese Kondensatoren zum Zweck langer Speicherzeit eine große Kapazität besitzen müssen, ergeben sich die bekannten Nachteile wie sehr großer Nachladestrom, die eine Verklirrung des Netzes und einen schlechten cos φ verursachen.

Aus der DE-PS 32 09 754 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die die bekannten Nachteile, wie großer Nachladestrom, Netzverklirrung und niedriger cos φ vermeidet.

Sie besteht aus einer dem Ladekondensator einer Stromversorgungsanlage vorgeschalteten Parallelschaltung aus Ohmschen Widerstand und Diode.

Da jedoch der Kondensator über den Widerstand an der gleichgerichteten Spannung liegt, können transiente Netzstörungen trotz einer Varistorschutzeinrichtung nach dem bekannten Stand der Technik zu einer Beeinträchtigung der Funktionssicherheit der nachfolgenden Stromversorgung führen.

Der Grund hierfür liegt zum einen in den großen Toleranzen der Ansprechspannung des Variators - der Spannungsanstieg im varistorgeschützten Stromkreis hängt von dem über den Varistor fließenden Strom ab - und zum anderen darin, daß die Steilheit der transienten Netzstörung durch das zwecks Funkentstörung der Stromversorgung notwendige Netzeingangsfilter auf einige Volt pro Mikrosekunde begrenzt wird, wodurch sich der Nichtlinearitätskoeffizient des Varistors negativ auf die dynamische Verzögerung der Schutzeinrichtung bemerkbar macht.

Im übrigen ist es aus DE-OS 17 63 263 bekannt, Überspannungen durch ein Überwachungsorgan festzustellen und dann die Überspannung durch eine Speicherkapazität zu begrenzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die bei Stromversorgungsanlagen mit einer Anordnung zur Unterdrückung von Einschaltstromspitzen nach DE-PS 32 09 754 einen sicheren Schutz vor transienten Netzstörungen gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Durch diese Maßnahmen wird eine Schaltungsanordnung geschaffen, bei der die durch Einsatz von Anordnungen zur Unterdrückung von Einschaltstromspitzen nach DE-PS 32 09 754 bei Stromversorgungen auftretende Gefahr der Beeinträchtigung der Funktionssicherheit beseitigt wird.

In Weiterbildung der Erfindung kann dem Ladekondensator eine Unterspannungserkennungsschaltung nachgeschaltet sein, die ein Einschalten der Stromversorgung solange verhindert, bis die Spannung am Ladekondensator einen Minimalwert unterschreitet und bei der eine Verriegelungsschaltung die Meßschaltung erst freigibt, wenn die Stromversorgung eingeschaltet ist.

Die Meßschaltung kann dabei aus einer Reihenschaltung von mindestens einer Zenerdiode oder einer Avalanchediode und eines Ohmschen Spannungsteilers bestehen, wobei als Schalter ein Thyristor verwendet ist, der über einen Metalloxydfeldeffekttransistor, dessen Torelektrode am Abgriff des Spannungsteilers liegt, gesteuert ist.

Dadurch wird der Überspannungsschutz erst wirksam, wenn die Stromversorgung arbeitet.

Zwischen Steuerelektrode und Anode des Thyristors kann außerdem eine Parallelschaltung aus Ohmschen Widerstand und Kondensator angeordnet sein.

Damit wird ein ungewolltes Einschalten des Thyristors infolge induktiver und kapazitiver Einstreuungen verhindert.

Die Unterspannungseinrichtung läßt sich dabei ebenfalls aus einer Reihenschaltung von mindestens einer Zener- oder einer Avalanchediode und einem Ohmschen Spannungsteiler ausbilden, an dessen Abgriff die Torschaltung eines weiteren Metalloxydfeldeffekttransistors liegt, dessen Quellenelektrode mit einem die Stromversorgung betätigenden Optokoppler verbunden ist.

Die Verriegelungsschaltung besteht aus einem Spitzenwertgleichrichter, der mit der Torschaltung eines dritten Metalloxydfeldeffekttransistors verbunden ist. Der Eingang der Verriegelungsschaltung ist mit der RCD- Schutzbeschaltung eines Schalttransistors der Stromversorgung und der Ausgang mit der Torelektrode des ersten Metalloxydfeldeffekttransistors verbunden.

Anhand der Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 bis 3 und 5 bis 6 sowie des Diagramms nach Fig. 4 wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die aus der deutschen Patentschrift 32 09 754 bekannte Anordnung zum Unterdrücken von Einschaltstromspitzen in einem Versorgungsnetz, bei der zusätzlich ein Varistor eingeschaltet ist,

Fig. 2 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine konkrete Ausführung des Meß- und Schaltteils,

Fig. 4 ein Stromspannungsdiagramm,

Fig. 5 ein detailliertes Schaltbild der Verriegelungsschaltung,

Fig. 6 ein detailliertes Schaltbild der Unterspannungserkennungseinrichtung.

Eine Anordnung, wie sie in der deutschen Patentschrift 32 09 754 beschrieben ist, zeigt Fig. 1. Der Eingang der Gleichrichteranordnung 1 ist mit einem Versorgungsnetz verbunden, welches beispielsweise mit einer Eingangswechselspannung UΔ beaufschlagt ist. Der Ausgang der Gleichrichteranordnung 1 ist über den Gleichspannungsleiter 7 und dem Bezugspotentialleiter 8 mit einem nicht dargestellten Verbraucher, beispielsweise einem für Stromversorgungszwecke geeigneten Schaltnetzteil verbunden. Die Gleichspannung der Gleichrichteranordnung ist mit UG bezeichnet. Die Eingangswechselspannung kann beispielsweise einem Drehstromnetz ohne Mittelpunkt entnommen werden. Der Gleichspannungsleiter 7 ist über einen Ladezweig, in welchem ein Ohmscher Widerstand 3 liegt und einem Entladezweig, in welchem eine Diode 4 liegt, mit einem als Kondensator 2 ausgebildeten Energiespeicher verbunden. Dieser ist mit dem Bezugspotentialleiter 8 verbunden. Die Durchlaßrichtung der Diode 4 verläuft vom Energiespeicher 2 zum Gleichspannungsleiter 7.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung besteht darin, daß bei Überstrom am Widerstand 3 eine Spannung abfällt, die sonst die im Durchlaßbereich gesteuerte Diode 4 sperrt. Dadurch dient der Widerstand 3 als Begrenzungswiderstand für im Netz auftretende Stromspitzen.

Das Schaltprinzip nach der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Die durch das nicht dargestellte Netzeingangsfilter in ihrer Steilheit begrenzte Überspannung wird von der Meßeinrichtung M erfaßt. Der Schalter S liegt parallel zum Widerstand R und der Diode D, die zur Unterdrückung von Einschaltstromspitzen dienen. Beim Auftreten transienter Netzstörungen wird der Schalter S geschlossen, der Kondensator C an die Gleichspannung U6 gelegt und die Überspannung abgebaut. Nach Abklingen der transienten Netzstörung wird der Schalter S wieder geöffnet, und die Vorteile der aus der deutschen Patentschrift 32 09 754 bekannten Schaltung sind wieder voll gewährleistet.

In einigen Anwendungsfällen kann es sinnvoll sein, daß der Überspannungsschutz erst dann wirksam wird, wenn die Stromversorgung arbeitet, da Resonanzen im Netzeingangsfilter bei Anlegen der Netzspannung ein Überschwingen der Gleichspannung bewirken können. Durch dieses Überschwingen arbeitet in diesem Fall der Thyristor S auf eine nur gering aufgeladene Kondensatorbatterie C. Aufgrund des großen Ladestroms können die Überstromsicherungselemente der Datenverarbeitungsanlage ansprechen. Mit dem Zusatzschaltkreis V wird dies verhindert. Der Schaltkreis U (Unterspannungserkennung) verhindert, daß die Stromversorgung eingeschaltet werden kann, bevor die Spannung am Kondensator C einen bestimmten minimalen Wert erreicht hat.

Fig. 3 zeigt eine detaillierte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 2. Die Meßeinrichtung M besteht aus den Avalanche-Dioden V1, V2 und den Widerständen R1, R2. Da diese Dioden einen größeren Nichtlinearitätskoeffizienten als Varistoren besitzen, baut sich über den Widerstand R2 bei Erreichen der Durchbruchsspannung der Dioden V1 und V2 nahezu verzögerungsfrei eine Spannung in der Höhe der Schwellenspannung des Feldeffekttransistors V4 auf. Dieser wird leitend und der als Thyristor ausgebildete Schalter S gezündet. Im Kondensator C wird die Überspannung als zusätzliche Energie gespeichert und so der weitere Anstieg der Überspannung verhindert. Ist die Überspannung abgeklungen, sperrt der Feldeffekttransistor V4 und der Kondensator C arbeitet wieder als Energiespeicher für den Fall einer Netzunterbrechung.

Da die Erfassung der Überspannung durch die Verwendung von Zener- oder Avalanche-Dioden und eines Feldeffekttransistors nahezu verzögerungsfrei erfolgt, hängt die dynamische Verzögerung nur von der Zündverzugszeit des verwendeten Thyristors ab. Bei Verwendung eines geeigneten Thyristors beträgt diese einige Mikrosekunden.

Da die Steilheit der Überspannung im Eingangsfilter auf einige Volt pro Mikrosekunde begrenzt wird, läßt sich durch die Schaltungsanordnung ein Überspannungsschutz mit nahezu idealer Kennlinie erreichen.

Wird der Arbeitspunkt der Avalanche-Dioden V1 und V2 derart gewählt, daß nur eine geringe Eigenerwärmung der Dioden stattfindet, so läßt sich ohne aufwendige Maßnahmen eine gute Temperaturstabilität der Schaltungsanordnung erreichen.

Das RC-Glied R4, C1 verhindert ein ungewolltes Einschalten des Thyristors S infolge induktiver und kapazitiver Einstreuung auf die Steuerleitung. Die Dioden V3 und V5 schützen entsprechend dem Stand der Technik den Feldeffekttransistor V4.

Fig. 4 zeigt die typischen Kennlinien herkömmlicher Überspannungsschutzelemente im Vergleich zur Schaltung nach der Erfindung. Dabei ist die Durchbruchsspannung über dem Strom dargestellt. D zeigt die Kennlinie der üblichen Überspannungsableiter, C die der Varistoren, A die der idealen Kennlinie und B stellt die Kennlinie der Schaltung nach der Erfindung dar. Man erkennt, daß die Stromspannungskennlinie sich fast der Idealform angenähert hat.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Verriegelungsschaltung V. Die Stromversorgng SV ist nur insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Funktionsweise notwendig ist. Es wird dabei von einem Schaltnetzteil ausgegangen mit dem Schalttransistor T sowie der RCD-Schutzbeschaltung mit dem Ohmschen Widerstand R10 der Diode V12 und dem Kondensator C3, die, wie allgemein bekannt, Ein- und Ausgangselektroden des Transistors überbrücken. Kern der Verriegelungsschaltung ist ein Spitzenwertgleichrichter, bestehend aus der Gleichrichterdiode V6, dem Ausgangskondensator C2, dem ein Ohmscher Widerstand R5 in Reihe geschaltet ist sowie dem Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R6 und R7. Am Abgriff des Spannungsteilers liegt die Torelektrode eines weiteren Metalloxydfeldeffekttransistors V7, dessen Senkenelektrode mit der Torelektrode des Metalloxydfeldeffekttransistors V4 der Schaltung nach Fig. 3 verbunden ist. Die Verbindungspunkte sind dabei mit A gekennzeichnet. Sie besteht wiederum aus einer Meßeinrichtung M1, die ähnlich wie die Meßeinrichtung M der Schaltung für den Überspannungsschutz entspricht. Sie besteht aus zwei in Reihe geschalteten Zener- oder Avalanchedioden V8, V9 sowie einem Spannungsteiler, bestehend aus den Ohmschen Widerständen R8 und R9. Am Abgriff des Spannungsteilers liegt wiederum die Torelektrode eines Metalloxydfeldeffekttransistors V11. Die Torelektrode ist außerdem über die Diode V10 vor Überspannung geschützt. Die Senkenelektrode ist mit dem Optokoppler H und einem in Reihe zu ihm geschalteten Ohmschen Widerstand 10 verbunden, so daß die Freigabe der nachgeschalteten Stromversorgung SV, in der sich wieder das Schaltnetzteil mit den unterschiedlichen Gleichstromausgängen befindet, potentialfrei freigegeben wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zum Schutz von transienten Netzstörungen von elektronischen Stromversorgungen, mit einer Gleichrichteranordnung, die eine Gleichspannung an die Stromversorgung liefert, und mit einem Varistor und einer Schaltung zum Unterdrücken von Einschaltstromspitzen zwischen den Gleichspannungsanschlüssen, wobei die Schaltung zur Unterdrückung der Einschaltstromspitzen aus einer in Reihe zu einem Ladekondensator liegenden Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer Diode besteht, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Parallelschaltung (R, D) ein Schalter (S) liegt, der abhängig von einem in einer Meßschaltung (M) festgestellten Überspannungswert zwischen den Gleichspannungsanschlüssen schließbar und nach Abklingen der Überspannung wieder öffenbar ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ladekondensator (C) eine Unterspannungserkennungsschaltung (U) nachgeschaltet ist, die ein Einschalten der Stromversorgung (SV) verhindert, solange die Spannung am Ladekondensator (C) einen Minimalwert unterschreitet, und daß eine Verriegelungsschaltung (V) die Meßschaltung (M) erst freigibt, wenn die Stromversorgung (SV) eingeschaltet ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung aus einer Reihenschaltung von mindestens einer Zener- oder Avalanchediode (V1, V2) une einem Ohmschen Spannungsteiler (R1, R2) besteht,

    daß als Schalter (S) ein Thyristor verwendet ist, der über einen Metalloxydfeldeffekttransistor (V4), dessen Torelektrode am Abgriff des Spannungsteilers (R1, R2) liegt, gesteuert ist.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steuerelektrode und Anode des Thyristors eine Parallelschaltung aus Ohmschem Widerstand (R4) und Kondensator (C1) angeordnet ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterspannungserkennungseinrichtung (U) ebenfalls aus einer Reihenschaltung von mindestens einer Zener- oder Avalanchediode (V8, V9) und einem Ohmschen Spannungsteiler (R8, R9) besteht, an dessen Abgriff die Torschaltung eines weiteren Metalloxydfeldeffekttransistors (V11) liegt und dessen Quellenelektrode mit einem die Stromversorgung (SV) betätigenden Optokoppler (H) verbunden ist.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsschaltung (V) aus einem Spitzenwertgleichrichter (V6, R5, C2, R6, R7), der mit der Torschaltung eines dritten Metalloxydfeldeffekttransistors (V7) verbunden ist, besteht und daß der Einang der Verriegelungsschaltung (V) mit der RCD-Schutzbeschaltung eines Schalttransistors der Stromversorgung und der Ausgang mit der Torelektrode des ersten Metalloxydfeldeffekttransistors (V4) verbunden ist.






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