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Stromversorgungsanlage mit einem Gleichstromerzeuger und einer Reservebatterie Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanlage mit einem Gleichstromerzeuger und einer Reservebatterie.
Es ist bekannt, zur Speisung von Gleichstromverbrauchern Stromversorgungsanlagen mit einem Gleichstromerzeuger, z. B. einem netzgespeisten Gleichrichter, und einer Reservebatterie zu verwenden, welche bei Ausfall des Gleichstromerzeugers, also z. B. bei Netzunterbruch oder bei einer Störung im Gleichstromerzeuger, die Speisung des Verbrauchers übernimmt. Aus naheliegenden Gründen ist es erwünscht und in vielen Fällen auch wichtig, dass die Umschaltung vom Netzbetrieb auf den Batteriebetrieb und umgekehrt möglichst ohne Unterbruch erfolgt.
Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Schaltungen in Vorschlag gebracht worden, die technisch einwandfrei arbeiten, aber vom wirtschaftlichen Standpunkt aus nicht voll befriedigen, weil sie entweder zu aufwendig und daher zu kostspielig sind oder eine Verschlechterung des Wirkungsgrades mit sich bringen. Die Ursache für diese Tatsache liegt bekanntlich darin, dass die Batteriespannung aus Gründen der Ladeerhaltung höher sein muss als die Verbraucherspannung, d. h. die Batterienennspan- nung.
Der Zweck der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu vermeiden.
Die erfindungsgemässe Stromversorgungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromerzeuger über mindestens einen Hochleistungstransi- stor mit der Batterie verbunden ist, und zwar derart, dass beim Vorhandensein der Nennspannung am Verbraucher der Transistor gesperrt ist, und dass bei einer Abnahme der Verbraucherspannung unterhalb einem Grenzwert der Transistor leitend wird und die Batterie parallel zum Gleichstromerzeuger und Verbraucher schaltet. Nachstehend werden ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und eine Variante dieses Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in welcher: die Fig. 1 ein Schema des genannten Ausführungsbeispiels und die Fig. 2 ein Schema der Variante zeigt.
In beiden Figuren sind gleiche Teile soweit möglich mit den gleichen Überweisungszeichen bezeichnet. In der Anlage nach Fig. 1 ist ein Verbraucher 1 dargestellt, der von einem Gleichstromerzeuger 2 gespeist wird. Dieser ist im vorliegenden Fall ein Gleichrichter, der aus einem dreiphasigen Wechselstromnetz gespeist wird, wie dies in der Fig. 1 schematisch zum Ausdruck gebracht wird. Um die nachfolgende Beschreibung einfacher zu gestalten, sei angenommen, dass die durch den Gleichrichter 2 am Verbraucher 1 erzeugte Spannung 49 Volt betrage, wie dies z. B. für gewisse Anlagen der Fernmeldetechnik der Fall ist. Die positive Klemme des Gleichrichters und des Verbrauchers befindet sich im gezeigten Beispiel auf dem Potential 0, d. h. sie ist geerdet.
Die Anlage weist weiter eine Reservebatterie 3 auf, deren positive Klemme ebenfalls geerdet ist. Da die Batterie im Leerlauf eine gegenüber der Verbraucherspannung erhöhte Spannung aufweisen muss, um dauernd betriebsbereit zu sein, ist ein Zusatzgleichrichter 4 vorgesehen, mittels dessen in Serieschaltung mit dem Gleichrichter 2 die Batterie z. B. auf eine Spannung von 56 Volt aufgeladen wird. Parallel zum Gleichrichter 4 liegt ein Glättungs- kondensator 5 zur Glättung der an den Verbraucher gelangenden Gleichspannung.
Zwischen die negative Klemme des Gleichrichters 2 und die negative Klemme der Batterie ist die Emit- ter-Kollektor-Strecke eines Hochleistungstransistors 6 geschaltet, und zwar ist der Kollektor des Transi-
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stors mit der Batterie und der Emitter über die Wicklung 7 eines Batterieschützes 8 mit dem Gleichrichter 2 verbunden. Das Schütz 8 schliesst im geschlossenen Zustand den Transistor 6 kurz. Die Basis des Transistors 6 ist mit einem Punkt 9 verbunden, dessen Potential auf einen festen Wert, im vorliegenden Fall z. B. -18 Volt, stabilisiert ist, welcher Wert positiver als das Potential der negativen Gleichrichterklemme ist.
Die Stabilisierung des Potentials am Punkt 9 erfolgt mit Hilfe eines über der Batterie 3 liegenden Spannungsteilers, bestehend aus dem Widerstand 10 und dem Transistor 11, und eines Stabilisators 12. an dessen Eingang die zu stabilisierende Spannung liegt, und dessen Ausgangssignal das Basispotential des Transistors 11 steuert.
Die Arbeitsweise der vorstehend in ihrem Aufbau beschriebenen Schaltung ist die folgende: Im Normalfall erfolgt die Speisung des Verbrauchers 1 aus dem Gleichrichter 2, welch letzterer zusammen mit dem Gleichrichter 4 die Batterie puffert. Mit Rücksicht auf die gewählten Potentialverhältnisse, d. h. -4.9 Volt an der negativen Klemme des Gleichrichters 2 und -48 Volt an der Basis des Transistors 6, ist der Transistor 6 gesperrt.
Sinkt nun das Potential der negativen Gleichrichterklemme aus irgendeinem Grunde, z. B. wegen Ausfall des Netzes, Schwankungen der Netzspannung oder wegen einsetzender Strombegrenzung des Gleichrichters infolge Überlastung, auf einen bezüglich des Basispotentials des Transistors 6 positiven Wert, so wird der Transistor 6 entsperrt, so dass Strom von der Batterie 3 in den Verbraucher 1 fliesst. Bleibt dieser Strom, z. B. infolge kleiner überlastung des Gleichrichters 2 klein, so fliesst aus der Batterie über den Transistor 6 lediglich der vom Verbraucher 1 benötigte Zusatzstrom.
Ist hingegen die überlastung gross oder ist das Wechselstromnetz ausgefallen und damit der Gleichrichter 2 stillgelegt, so wird der Strom durch den Transistor 6 so gross, dass das Batterieschütz 8 betätigt wird und den Transistor 6 kurzschliesst, so dass eine Dauerüberlastung des Transistors 6 verhindert wird.
Ist der Netzausfall behoben oder die Überlastung in Fortfall gekommen, so steigt die Verbraucherspannung wieder an, bis sie das Basispotential des Transistors 6 übersteigt, wodurch der Transistor wieder gesperrt wird und der Verbraucher wieder aus dem Gleichrichter 2 allein gespeist wird.
Selbstverständlich können je nach der Grösse des normalen Belastungsstromes anstelle des Transistors 6 mehrere Hochleistungstransistoren in Parallelschaltung treten.
Im vorstehenden wurde dargelegt, dass der Transistor 6 gegen eine Dauerüberlastung durch die Betätigung des Batterieschützes 8 geschützt ist. Es ist jedoch denkbar, dass der Transistor 6 in gewissen Fällen, wie z. B. bei einem Kurzschluss im Verbraucher 1, kurzzeitig stark überlastet werden kann, bis das Batterieschütz betätigt wird. Eine Schaltung zur Verhinderung derartiger 1Jberlastungen, die unter Umständen zu einer Zerstörung des Transistors führen könnten, ist in der Fig. 2 gezeigt. In dieser sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Überweisungszeichen bezeichnet. Der rechts der gestrichelten Linie liegende Schaltungsteil, der aus den Elementen 10, 11, 13, 14, 15, 16 und 17 besteht, dient der Stabilisierung des Potentials am Punkt 9.
Dabei bilden die Zenerdiode 13, die Transistoren 14, 15 und die Widerstände 16, 17 den in der Fig. 1 gezeigten Stabilisator 12. Der in der Fig. 1 aus dem Widerstand 10 und dem Transistor 11 bestehende Spannungs- teiler ist in der Fig. 2 noch durch eine Zenerdiode 13 ergänzt, die bekanntlich in weiten Grenzen einen von dem sie durchfliessenden Strom unabhängigen Spannungsabfall erzeugt, so dass am Emitter des Transistors 11 ein praktisch konstantes Potential herrscht.
Durch den Spannungsabfall am regelbaren Widerstand 17 wird das Basispotential des Transistors 11 und damit der Emitter-Kollektor-Widerstand dieses Transistors bestimmt, durch welchen wiederum das Potential am Kollektor bestimmt wird, welches über die beiden als Stromzwischenverstärker wirkenden Transistoren 14 und 15 das Potential am Punkt 9 bestimmt.
Die links der gestrichelten Linie der Fig. 2 liegenden Schaltungsteile dienen der Strombegrenzung für den Fall, wo die Gefahr einer kurzzeitigen starken Überlastung des Transistors 6 auftreten könnte, bevor das Batterieschütz 8 betätigt wird. Dieser der Strombegrenzung dienende Schaltungsteil steuert in der nachstehend beschriebenen Weise das Basispotential des Transistors 6, derart, dass in diesem eine Strombegrenzung eintritt. In der positiven Verbindungsleitung zwischen der Batterie 3 und dem Gleichrichter 2 liegt ein regelbarer Widerstand 18, durch welchen der Einsatz der Strombegrenzung eingestellt werden kann. Der Widerstand 18 liegt parallel zur Emitter- Basis-Strecke eines Transistors 19, der in Reihe mit einem Widerstand 20 zwischen die Klemmen der Batterie 3 geschaltet ist.
Der Kollektor des Transistors 19 ist mit der Basis eines Transistors 21 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 22 mit der negativen Batterieklemme und dessen Emitter über eine Zenerdiode 23 mit der positiven Batterieklemme verbunden ist. Der Emitter des Transistors 21 ist ausserdem über einen Widerstand 24 mit der negativen Batterieklemme verbunden, um durch die Zener- diode 23 einen bestimmten Minimalstrom fliessen zu lassen, damit der Spannungsabfall an der Zener- diode konstant bleibt.
Der Kollektor des Transistors 21 ist mit der Basis eines weiteren Transistors 25 verbunden, dessen Kollektor mit dem Verbindungspunkt 10' des Widerstandes 10 und des Kollektors des Transistors 11 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 25 ist über den Widerstand 26 mit der negativen Batterieklemme und über die Zenerdiode 27 mit der positiven Batterieklemme verbunden, wobei der Widerstand 26 dem gleichen Zweck dient wie der Widerstand 24.
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Die Arbeitsweise der eben im Aufbau beschriebenen Strombegrenzungsschaltung ist die folgende. Man erkennt zunächst, dass die Emitterpotentiale der Transistoren 19, 21 und 25 unabhängig von der Batteriespannung feste Werte aufweisen.
Solange die Strombegrenzungsschaltung nicht arbeitet, ist der Transistor 21 entsperrt, da dessen Basispotential negativer ist als sein Emitterpotential. Bei entsperrtem Transistor 21 ist dessen Kollektorpotential positiver als das Emitterpotential des Transistors 25, so dass letzterer gesperrt ist und daher keinen Einfluss auf das Potential an der Verbindungsstelle 10' zwischen dem Widerstand 10 und dem Transistor 11 hat. Dem Kollektor des Transistors 25 wird in diesem Betriebszustand das Potential der Verbindungsstelle 10' aufgedrückt. Was den Transistor 19 betrifft, so ist sein Kollektorstrom eine Funktion des vom Batteriestrom im Widerstand 18 erzeugten Spannungsabfalls.
Der Widerstand 18 ist nun so eingestellt, dass im Falle, wo der von der Batterie 3 abgegebene Strom den für den Transistor 6 zulässigen Spitzenstrom übersteigt, das Kollektorpotential des Transistors 19 unter das Emitterpotential des Transistors 21 fällt, so dass dieser gesperrt wird. Die Verhältnisse sind so gewählt, dass durch die Sperrung des Transistors 21 der Transistor 25 entsperrt wird. Durch die Entsperrung des Transistors 25 wird der Spannungsabfall am Widerstand 10 erhöht und dadurch das Potential am Punkt 10' positiver, und zwar steigt es im Grenzfall annähernd auf den Wert des Emitterpotentials des Transistors 25.
Das veränderte Potential am Punkt 10' wird über die Transistoren 14 und 15 dem Punkt 9 aufgedrückt (abgesehen vom geringfügigen Spannungsabfall in den Emitter-Basis-Strecken dieser Transistoren).
Wenn also z. B. infolge eines Kurzschlusses im Verbraucher oder einer starken Abnahme des Ver- braucher-Widerstandes (z. B. infolge eines Teilkurzschlusses) dessen Stromaufnahme rasch ansteigt und gleichzeitig das Potential am Punkt 9 gegen Null verschoben wird, so wird auch das Potential des Emitters des Transistors 6 zwangläufig dieser Verschiebung folgen, so dass die Spannung am Verbraucher auf denjenigen Teilwert der Nennspannung sinkt, wo der Verbrauchernennstrom fliesst, und zwar unabhängig vom veränderten Verbraucherwiderstand.
Die Ansprechzeit der Strombegrenzung ist dabei so kurz, dass eine Beschädigung des Transistors 6 durch Überstrom während der Schaltzeit des Schützes 8 verhindert wird.
Es ist noch zu erwähnen, dass von sämtlichen Transistoren der gezeigten Schaltungen nur der Transistor 6 ein Hochleistungstransistor ist. Man erkennt, dass in der vorstehend beschriebenen Anlage die Batterie unabhängig von der im Normalbetrieb am Verbraucher vorhandenen Nennspannung geladen oder gepuffert werden kann, was bei den heute üblichen Anlagen mit Batterieanzapfung und Ventilen zur Vernichtung der Differenzspannung zwischen der Gleichrichterspannung und der Verbraucherspannung nicht der Fall ist. Die Einschaltung der Batterie zur teilweisen oder ganzen Übernahme 'der Verbraucherleistung erfolgt ohne jeden Unterbruch.