DE2936675A1

DE2936675A1 - Notstrombatterie-ueberwachungsschaltung

Info

Publication number: DE2936675A1
Application number: DE19792936675
Authority: DE
Inventors: Karl 8062 Wagenried Becker; Kurt 8131 Unterbrunn Hoffmann
Original assignee: WOERL ALARM AUGUST WOERL
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1979-09-11
Filing date: 1979-09-11
Publication date: 1981-03-19
Also published as: DE2936675C2

Description

Notstrombatterie-Überwachungsschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Notstrombatterien, die parallel zu einem Verbraucher an einen Netzteil angeschlossen sind und den Verbraucher bei Netzausfall oder Ausschaltung speisen, ist gemäß den VDE-Vorschriften 0800, Klasse C, und 0833 eine ständiqe Uberwachung der Batterie ohne Betriebsunterbrechung erforderlich, wenn der Verbraucher ein Gerät ist, dessen Ausfall Schäden oder Gefahren herbeiführen würde. Solche wichtigen Geräte sind beispielsweise Alarm- und Meldeanlagen, Narkose-Diagnostikgeräte, Herz-Lungenmaschinen od. dgl.
Zur Notstrombatterie-Uberwachung wurde beispielsweise in der DE-OS 26 17 424 vorgeschlagen, die Ausgangsspannung eines Netzteils periodisch abzusenken und während dieses Absenkens die dann als Stromversorgungsquelle dienende Batterie auf ihre Spannung oder Stromabgabe hin zu überprüfen. Diese Art der Uberwachung hat neben dem zwangsläufig komplizierten Schaltungsaufbau den Nachteil, daß sich die Betriebszustände am Verbraucher ständig ändern. Eine derartige Änderung ist zwar im Falle eines Netzausfalls tragbar, führt jedoch im Normalbetrieb zu unerwünschten Störungen bzw. zu einem erhöhten Aufwand zur Unterdrückung derartiger Störungen.
Ein weiteres Verfahren zur Batterieüberwachung besteht darin, die Batterie periodisch vom Verbraucher weg auf einen Lastwiderstand zu schalten und an diesem die Spannung bzw. den Strom aus der Batterie zu überprüfen. Bei diesem Verfahren treten gleichfalls Änderungen des Betriebszustands am Verbraucher auf, und zwar durch den Nachladestrom beim Zurückschalten der Batterie sowie durch den Ausfall der zumeist erwünschten Pufferwirkung der Batterie während der Prüfung derselben. Ferner ist während der Prüfperiode die Notstromversorgung auch dann unterbrochen, wenn die Batterie völlig in Ordnung ist.
Ein sehr einfaches Uberwachungsverfahren besteht darin, den Ladestrom bzw. Ladeerhaltungsstrom mittels eines Meßgebers zu erfassen, der bei Fehlen des Stroms ein Alarmsignal abgibt. Diese Überwachungsart hat jedoch den Nachteil, daß eine Falschmeldung hervorgerufen wird, wenn aufgrund von Belastungsstößen durch Schaltvorgänge am Verbraucher zusätzlich zu dem Strom aus dem Netzteil ein Entladestrom aus der Batterie als Pufferstrom entnommen wird, so daß der Ladestrom entfällt. Ferner wird die Batterie nur auf eine Unterbrechung hin überwacht, während ein genau so schädlicher teilweiser Kurzschluß der Batterie bzw. der Zellen derselben zu keinem Alarmsignal führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie-Uberwachungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die unter relativ geringem Schaltungsaufwand eine ständige zuverlässige Überwachung des Batterie-Bereitschaftszustands ohne Anderung der Betriebsbedingungen an dem Verbraucher bei ordnungsgemäßer Batterie erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Mitteln gelöst.
Bei der derart aufgebauten Uberwachungsschaltung erfolgt eine zuverlässige Alarmabgabe dann, wenn die Batterie ganz oder teilweise so kurzgeschlossen ist, daß ihre Spannung nicht mehr für eine zuverlässige Notstromversorgung ausreicht, oder dann, wenn eine Unterbrechung an der Batterie aufgetreten ist, so daß sie weder einen Ladestrom bzw. Ladeerhaltungsstrom aufnimmt noch einen Entladestrom als Pufferstrom abgeben kann. Dabei erfolgt weder an der Batterie noch an dem Netzteil eine zur Prüfung notwendige Veränderung, so daß daher die Betriebsbedingungen an dem Verbraucher ständig gleich bleiben und die Möglichkeit der Notstromversorgung immer aufrechterhalten ist.
Die Erfassung des Ladestroms bzw. Entladestroms erfolgt vorteilhaft mittels eines Meßgebers in Form eines Differenzverstärkers, zwischen dessen Eingangsanschlüsse ein vom zu erfassenden Strom durchflossener Meßwiderstand geschaltet ist. Dies ergibt einen einfachen und zuverlässigen Schaltungsaufbau. Der Meßwiderstand erhält dabei vorteilhaft eine in Durchlaßrichtung für den zu ermittelnden Strom geschaltete Diode. Dadurch wird der durch den Strom an dem Meßwiderstand hervorgerufene Spannungsabfall klein gehalten, was die Grenzwert-Dimensionierung des Differenzverstärkers erleichtert und zusätzlich auch zu gleichmäßigeren Betriebsbedingungen am Verbraucher bei dem Pufferbetrieb führt. Wenn dieser Diode ein Widerstand parallel geschaltet wird, ergibt diese Parallelschaltung auf einfachste Weise eine starke Kompression des großen Änderungsbereichs des zu erfassenden Stroms auf einen sehr kleinen Änderungsbereich bei der Spannung am Eingang des Differenzverstärkers.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Überwachungsschaltung besteht darin, daß in den Ladestromkreis der Batterie ein elektronischer Schalter eingesetzt wird, mit dem der Ladestrom dann gesperrt wird, wenn die Überwachungsschaltung ein Alarmsignal erzeugt. Damit wird gewährleistet, daß im Falle eines Kurzschlusses an der Batterie keine Überlastung des Netzteils und damit keine unzulässig starke Absenkung der Spannung am Verbraucher auftritt.
Der Schalter wird vorteilhaft auch dann zum Sperren des Ladestroms geschaltet, wenn die Spannung des Netzteils unter einen vorbestimmten Wert abgesunken ist Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispils unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der Überwachungsschaltung.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Überwachungsschaltung.
Gemäß Fig. 1 ist eine Notstrom-Batterie 1 über eine Überwachungsschaltung 2 zu einem Verbraucher 3 wie beispielsweise einer Alarmanlage oder einer anderen ständig in Betrieb zu haltenden Anlage parallel geschaltet.
Der Verbraucher 3 wird normalerweise aus einem Netzteil 4 über eine Gegenstrom-Sperrdiode 5 gespeist, wobei aus dem Netzteil 4 auch die Batterie 1 mit einem Ladestrom IL geladen wird. Falls das Netzteil 4 wegen Netzausfalls oder aus irgendeinem anderen Grund keine ausreichende Spannung mehr abgeben kann, erfolgt die Speisung des Verbrauchers 3 aus der Batterie 1 mit einem Entladestrom IE derselben. Da ein derartiger Notfall nur verhältnismäßig selten auftritt, ist es notwendig, ständig zu überprüfen, ob die Notstrom-Batterie 1 im Bereitschaftszustand für einen solchen Notfall ist.
Die Bereitschaftsüberprüfung erfolgt mittels der insgesamt mit 2 bezeichneten Überwachungsschaltung in zweierlei Weise, nämlich durch Erfassen einer Unterbrechung an der Batterie oder eines Kurzschlusses bzw.
unzulässig hohen Spannungs-Rückgangs an der Batterie.
Der Ladestrom IL wird mittels eines Meßgebers aus einem Widerstand 6 und einem Differenzverstärker 7 erfaßt, welcher den durch den Ladestrom verursachten Spannungsabfall an dem Widerstand 6 als Eingangssignal erhält und ein Signal "1" abgibt, wenn kein Ladestrom fließt, d. h. sein Eingangssignal Null oder in der dargestellten Polung positiv ist. Zur Erfassung des Entladestroms dient ein zweiter Differenzverstärker 8, der gemäß dem schematischen Schaltbild gleichfalls den Spannungsabfall an dem Widerstand 6 als Eingangssignal, jedoch in umgekehrter Polung erhält, so daß er bei fehlendem Strom oder fließendem Ladestrom IL ein Ausgangssignal "1" abgibt, während er bei Strom in Gegenrichtung zum Ladestrom, nämlich dem Entladestrom ein Signal "O" abgibt. Zur Überwachung der Batterie auf Kurzschluß dient ein dritter Differenzverstärker 9, der die Batteriespannung UB mit einer Vergleichsspannung Uv vergleicht und ein Signal "1" abgibt, wenn die Batteriespannung gleich der Vergleichsspannung oder kleiner ist.
Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 7 bis 9 liegen an einer logischen Schaltung 10 an, die in der Fig. 1 schematisch mit einem UND-Glied 11 und einem ODER-Glied 12 dargestellt ist. Das UND-Glied 11 erfaßt die Ausgangssignale der Differenzverstärker 7 und 8 zusammen und gibt folglich ein Ausgangssignal "1" ab, wenn kein Strom über den Widerstand 6 fließt und somit die Differenzverstärker beide ein Signal 1 erzeugen. Das Ausgangssignal des UND-Glieds 11 wird mit dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 9 in dem ODER-Glied 12 zusammengefaßt, so daß dieses ein Ausgangssignal an einem Batteriealarmausgang 13 abgibt, wenn entweder kein Strom über den Widerstand 6 fließt oder aber die Batteriespannung unter die Vergleichsspannung abgesunken ist.
Nach diesem vereinfacht dargestellten Grundprinzip ist es mit der Überwachungsschaltung 2 möglich, die Batterie ständig ohne Beeinflussung der Normaleinspeisung vom Netzteil 4 zum Verbraucher 3 zu überwachen. Dabei ist auch sichergestellt, daß ein Entladestrom IE der Batterie, der beispielsweise bei einer Schaltstoßbelastung im Ver- braucher 3 zusätzlich zu dem normalen Strom aus dem Netzteil 4 auftreten kann und eine Unterbrechung der Ladung bzw. des Ladeerhaltungsstroms zur Batterie 1 herbeiführt, nicht aufgrund des dadurch ausfallenden Ladestroms IL zu einer Alarmmeldung führt. Dies hat den Vorteil, daß das Netzteil 4 für eine geringere Stromabgabe dimensioniert werden kann, da auftretende Spitzenströme von der Batterie 1 geliefert werden. Für die Batterie 1 ist eine derartige eventuelle Entlade-Belastung zumeist vorteilhaft, da gewöhnlich die Lebensdauer einer Batterie durch gelegentliche Umformierung beim Entladen verlängert wird.
Die Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer tatsächlich aufgebauten Überwachungsschaltung, wobei die den in Fig. 1 gezeigten Bauelementen entsprechenden Bauelemente die gleichen Bezugszeichen tragen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der in Fig. 1 gezeigte Widerstand 6 unter Aufteilung in einen Ladestromzweig und einen Entladestromzweig durch eine Meßdiode 14 mit einem parallel geschalteten Widerstand 15 für die Ladestrommessung mittels des Differenzverstärkers 7 bzw. durch eine Meßdiode 16 zur Entladestrommessung mittels des Differenzverstärkers 8 ersetzt. Die Verwendung der Dioden als Meßwiderstände für die Erzeugung eines stromabhängigen Spannungsabfalls ergibt den großen Vorteil, daß auf einfache Weise ein sehr großer Strom-Änderungsbereich zu einem kleinen Spannungsabfall-Änderungsbereich komprimiert wird, so daß innerhalb des Dynamikbereichs des jeweils nachgeschalteten Differenzverstärkers sowohl sehr kleine als auch sehr große Ströme erfaßt werden können. Bei einem tatsächlich aufgebauten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise der Ladestrom oberhalb der Ansprechschwelle eines als Differenzverstärker 7 verwendeten Rechenverstärkers ohne Übersteuerung desselben ein Strombereich von 0,3 mA bis 1,5 A erfaßt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Grundschaltung nach Fig. 1 um eine Schutzschalteinrichtung im Ladestromkreis der Batterie erweitert. Diese Schutzschalteinrichtung ist aus einem als mechanischen Schalter dargestellten elektronischen Schalter 18 gebildet, der von einem Differenzverstärker 19 geschaltet wird. Wenn an der Batterie ein Kurzschluß auftritt, wird über den Differenzverstärker 19 der Schalter 18 geöffnet und damit der Ladestromkreis unterbrochen, so daß durch den Kurzschluß die Speisung des Verbrauchers 3 nicht beeinträchtigt wird. Dieser Sperrzustand würde jedoch bei der Behebung des Batterie-Kurzschlusses oder bei Austausch der Batterie weiter bestehen, da der Ladestrom gesperrt wäre. Aus diesem Grund ist dem Schalter 18 ein Widerstand 17 parallel geschaltet, über den bei der Wiederherstellung des normalen Batteriezustands ein geringer Ladestrom bzw. Ladungserhaltestrom fließt, der dafür ausreicht, den Alarmzustand der Überwachungsschaltung aufzuheben und dadurch über den Differenzverstärker 19 den Schalter 18 wieder zu schließen. Der Schalter 18 wird über den Differenzverstärker 19 ferner auch dann ausgeschaltet, wenn die Versorgungsspannung aus dem Netzteil 4 unter einen brauchbaren Wert abfällt. In diesem Fall wird dann der Verbraucher 3 aus der Batterie gespeist. Beim Wiederansteigen der Netzteil-Spannung erfolgt eine Lastübernahme von der Batterie 1 auf den Netzteil 4.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind als Differenzverstärker 7, 8, 9 und 19 Rechenverstärker verwendet, bei welchen ein intern nicht weiter angeschlossener Kollektor eines Ausgangstransistors den Ausgangsanschluß bildet. Die Rechenverstärker werden über Dioden 20 entweder aus dem Netzteil oder aus der Batterie mit Spannung versorgt. Die Rechenverstärker sind jeweils so beschaffen, daß die Kollektor-Emitter-Strecke des Ausgangs transistors durchgeschaltet ist, wenn der Eingangspegel am Eingang "+" niedriger als am Eingang "-" ist. Dies entspricht dem Signal "O" des jeweiligen Differenzverstärkers.
Die logische Schaltung 10 ist hierbei dementsprechend aus Dioden 21 und Widerständen 22 aufgebaut. Die logische Schaltung 10 gibt am Batteriealarmausgang 13 ein Signal ab, wenn die Differenzverstärker 7 und 8 beide das Signal "1" zur Meldung des Zustands "Strom = Null" abgeben oder wenn der Differenzverstärker 9 das Signal "1" abgibt, das ein Absinken der Batterie UB auf oder unter die Vergleichsspannung Uv meldet. Ferner ist die logische Schaltung 10 so geschaltet, daß an dem Eingang "+" des Differenzverstärkers 19 eine Pegelsteigerung erfolgt, wenn die beiden Differenzverstärker 7 und 8 ein Ausgangssignal "1" abgeben oder wenn der Differenzverstärker 9 ein Ausgangssignal "1" erzeugt. Der Differenzverstärker 19 wird ferner an seinem Eingang "-" über einen Spannungsteiler aus Widerständen 23 aus dem Netzteil 4 so angesteuert, daß bei Absinken der Netzteil-Spannung der elektronische Schalter 18 geöffnet wird und damit der Kurzschluß des Widerstands 17 aufgehoben wird. Der Differenzverstärker 19 arbeitet folglich so, daß durch ein Signal "O" der elektronische Schalter 18 durchgeschaltet wird, wenn die Spannung am Eingang "-" größer als die Spannung an dem Eingang "+" ist. Ein Netzausfall wird an dem Netzteil 4 durch Abgabe eines Signals an einem Netzausfall-Alarm-Ausgang 24 gemeldet.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Überwachungsschaltung erfolgt eine weitgehend gleichmäßige Speisung des Verbrauchers 3, wobei die Notstrom-Batterie 1 durch entsprechende Dimensionierung der Schaltelemente bzw. Spannungswerte usw. auch zur Abgabe von Spitzenströmen bei Stoßbelastungen durch den Verbraucher 3 dient. Durch die zusätzlich vorgesehene Schutzschaltung wird ferner bei Batteriekurzschluß eine Beeinträchtigung der Verbraucher-Versorgung verhindert und zugleich das Netzteil gegen plötzliche Uberbelastungen geschützt.

Claims

Patentansprüche 1. Uberwachungsschaltung zur Uberwachung einer mit einem Verbraucher parallel an einen Netzteil angeschlossenen Notstrom-Batterie, mit einem Ladestrom-Meßgeber, der bei Fehlen eines Batterie-Ladestroms ein Signal abgibt, gekennzeichnet durch einen Batterie-Entladestrom-Meßgeber (8), der bei Fehlen eines Entladestroms (IE) aus der Batterie (1) zu dem Verbraucher (3) ein zweites Signal abgibt, einen Batteriespannungs-Meßgeber (9), der bei Absinken der Batteriespannung (UB) unter eine vorbestimmte Vergleichsspannung (Uv) ein drittes Signal abgibt, und eine logische Schaltung (10), die beim Vorliegen des ersten Signals aus dem Ladestrom-Meßgeber (7) und des zweiten Signals oder beim Vorliegen des dritten Signals ein Alarmsignal abgibt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Strom-Meßgeber durch Differenzverstärker (7, 8) gebildet sind, zwischen deren Eingangsanschlüssen ein vom betreffenden Strom durchflossener Meßwiderstand (6; 14, 15, 16) geschaltet ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand eine in Durchlaßrichtung für den betreffenden Strom gepolte Diode (14, 16) aufweist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand aus der Diode (14) und einem zu dieser parallel geschalteten Widerstand (15) gebildet ist.
5. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Ladestromkreis der Batterie (1) liegende Schalteinrichtung (17 bis 19) zum Sperren des Ladestroms (IL) im Ansprechen auf das Alarmsignal aus der logischen Schaltung (10).
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung (17 bis 19) vom Netzteil (4) her so angesteuert ist, daß sie den Ladestrom (IL) sperrt, wenn die Netzteil-Spannung unter einen vorbestimmten Wert abfällt.