DE3638035A1

DE3638035A1 - Abschalteinrichtung fuer ein geregeltes stromversorgungsgeraet

Info

Publication number: DE3638035A1
Application number: DE19863638035
Authority: DE
Inventors: Helfried Dipl Ing Schurz
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1986-11-07
Filing date: 1986-11-07
Publication date: 1988-05-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abschalteinrichtung für Stromversorgungsgeräte nach dem Oberbegriff des Patentan spruches 1.

Aus der DE-AS 22 46 505 ist eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Gleichstromver brauchers aus einem Drehstromnetz bekannt. Die Versorgungs spannung wird nach Gleichrichtung zerhackt und den Eingangs wicklungen eines Übertragers zugeführt. Ein Verbraucher ist über Gleichrichter an die Ausgangswicklungen des Übertragers angeschlossen. Ein Regelkreis sorgt durch Impulsbreitenmodula tion der Zerhackersignale dafür, daß die Speisespannung einen vorgegebenen Wert einhält. Sinkt die Speisespannung unzulässig ab, wird über den Regelkreis eine Hilfsspannungsquelle akti viert, die einen zusätzlichen Hilfsstrom über den Verbraucher schickt; steigt der Verbraucherstrom unzulässig an, so wird der Verbraucher vom Regelkreis her bedämpft.

Voraussetzung für das Einhalten vorgegebener Strom- und Span nungswerte ist, daß der Regelkreis und die von ihm gesteuerten Schaltmittel ordnungsgerecht arbeiten. Da grundsätzlich Stö rungen und Defekte nicht ausgeschlossen werden können, sind Maßnahmen zum sicheren Abschalten des Verbrauchers beim Auf treten eines zu hohen Speisestromes oder einer zu hohen Speisespannung vorzusehen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung

ist es, eine Abschalteinrichtung für Stromversorgungsgeräte nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 vorzugeben, die ein sicheres Abschalten von Verbrauchern bei Über- oder Unterspan nungen gewährleistet und dabei aus Zuverlässigkeitsgründen mit einem möglichst geringen Aufwand an zusätzlichen Schaltmitteln auskommt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Abschalteinrichtung sind in den Unter ansprüchen angegeben. So beinhalten z.B. die Merkmale des Patentanspruches 2 Mittel zur Potentialtrennung zwischen der den Verbraucher beaufschlagenden Ausgangsspannung und den ein gangsseitigen Schaltmitteln zum Abschalten der Stromversor gung; diese Mittel verhindern ungewollte Fehlreaktionen durch galvanische Trennung von Ein- und Ausgang des Regelkreises. Die Ausbildung eines Sensors zum Erkennen von Überspannungen in Verbindung mit einem besonders vorteilhaften bistabilen Schal ter zum Ansteuern des für die Spannungsregelung verwendeten Impulsbreitenmodulators ist im Anspruch 3 angegeben. Anspruch 4 offenbart diejenigen Mittel, die zusätzlich erforderlich sind, um das Stromversorgungsgerät auch beim Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes sicher abschalten zu können. An spruch 5 gibt die Mittel an, über die der Sensor sowohl auf das Über- oder Unterschreiten vorgegebener Spannungsschwellwerte reagiert, zusammen mit Mitteln zur Anzeige des jeweiligen Schaltverhaltens des Sensors. Anspruch 6 beschreibt eine beson dere Schaltroutine zur Inbetriebnahme des Stromversorgungsge rätes bei Verwendung eines Sensors, der auch das Unterschreiten einer vorgegebenen Ausgangsspannung detektieren soll. Die Merk male des Anspruches 7 benennen diejenigen Mittel, die zur Steuerung des Pulsbreitenmodulators zum Ausregeln von Span nungsschwankungen erforderlich sind. Die Merkmale des Patent anspruches 8 dienen dazu, den Pulsbreitenmodulator im Sinne einer Begrenzung des Speisestromes zu beeinflussen, wenn der Speisestrom einen vorgegebenen Wert oberhalb seines Nennwertes annimmt. In besonders vorteilhafter Weise wirken diese Mittel gemäß Anspruch 9 über potentialtrennende Schaltmittel auf den Pulsbreitenmodulator ein. Nach den Merkmalen des Anspruches 10 dient dabei eine Leuchtdiode zur optischen Anzeige des Wirk samwerdens der zur Strombegrenzung eingesetzten Mittel.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt

in Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Abschalteinrichtung und

in Fig. 2 eine technisch realisierte Ausführungsschaltung eines Stromversorgungsgerätes mit den Mitteln zur Strom- und Spannungsregelung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Abschalteinrichtung.

Fig. 1 zeigt im oberen Teil in schematischer Darstellung das Stromversorgungsgerät und im unteren Teil die Mittel zum Regeln des Stromversorgungsgerätes und zum sicheren Abschalten des Stromversorgungsgerätes im Störungsfall. Eingangsseitig liegt das Stromversorgungsgerät an einer Eingangsgleichspannung U _E, die über einen Glättungskondensator der Primärwicklung eines Eingangsübertragers 2 zugeführt ist. Die Eingangsgleichspan nung kann z.B. über einen nicht dargestellten Gleichrichter aus einem Wechselspannungs- oder Drehstromnetz abgeleitet sein. Über einen Schalter 1 wird die Eingangsgleichspannung mit konstanter Schaltfrequenz im Bereich einiger kHz zerhackt. Die an der Ausgangswicklung des Übertragers 2 abgreifbaren Spannungsimpulse werden über Gleichrichter- und Freilaufdioden 3, eine Drossel 4 und einen Glättungskondensator 5 dem Ausgang des Stromversorgungsgerätes zugeführt. Am Ausgang des Stromver sorgungsgerätes ist die Ausgangsgleichspannung U _A abgreifbar. Zur Spannungsregelung ist ein Regelverstärker 6 vorgesehen, dem einerseits die Ausgangsspannung U _A oder eine davon abgeleitete Spannung als Ist-Wert und eine Referenzspannung als Soll-Wert zugeführt sind. Über eine potentialtrennende Übertragungsein richtung 7 steuert der Regelverstärker 6 einen Pulsbreitenmodu lator 8, dessen Ausgangssignale den Schalter 1 steuern. Sinkt die Ausgangsspannung U _A ab, so verändert der Impulsbreitenmo dulator die Schaltzeiten des Schalters 1 in Richtung auf eine zeitliche Verlängerung der Einschaltdauer des Schalters bei gleichzeitiger Verkürzung der Ausschaltdauer; entsprechend än dert der Pulsbreitenmodulator beim Ansteigen der Ausgangsspan nung die Schaltdauer des Schalters l in Richtung auf eine Ver kürzung der Einschaltdauer bei gleichzeitiger Verlängerung der Öffnungsdauer des Schalters. Der durch den Regelverstärker und den Pulsbreitenmodulator gegebene Regelkreis ist nur zum be grenzten Ausregeln von Spannungsschwankungen geeignet. Steigt die Ausgangsspannung U _A über einen gegebenen zulässigen Schwellwert an, bei dem z.B. für die an das Stromversorgungs gerät angeschlossenen Verbraucher, z.B. einen Rechner, die Möglichkeit von Fehlreaktionen oder dauerhaften Schäden gegeben ist, so ist das Stromversorgungsgerät sicher abzuschalten. Zum Detektieren derartig unzulässiger Ausgangsspannungen ist ein Sensor 10 vorgesehen. Dieser Sensor wirkt über potentialtren nende Übertragungseinrichtungen 11 auf einen bistabilen Schal ter 12 ein. Dieser Schalter 12 dient nach der Lehre der Erfin dung dazu, eine Hilfsspannungsversorgung 9 zur Versorgung des Pulsbreitenmodulators 8 kurzzuschließen. Die Hilfsspannungsver sorgung 9 ist aus der Eingangsspannung U _E abgeleitet und bildet eine kurzschlußfeste Konstantspannungsquelle. Durch das Kurz schließen dieser Konstantspannungsquelle wird der Pulsbreiten modulator 8 sicher abgeschaltet, d.h. der von diesem gesteuerte Schalter 1 ist dann entweder geöffnet oder geschlossen, so daß über den Übertrager 2 keine weitere Energie übertragen werden kann. Damit tritt am Ausgang des Stromversorgungsgerätes auch keine Ausgangsspannung mehr auf, die an den nachgeordneten Verbrauchern irgendwelche Störungen verursachen könnte.

Fig. 2 zeigt die technische Verwirklichung des in Fig. 1 angegebenen Blockschaltbildes. Im oberen Teil ist wieder das eigentliche Stromversorgungsgerät dargestellt, darunter die Regeleinrichtung für das Stromversorgungsgerät zusammen mit der erfindungsgemäßen Abschalteinrichtung. In Fig. 2 sind nur die jenigen Schaltmittel mit Bezugszeichen versehen worden, die für die Erläuterung der Erfindung benötigt werden; dabei sind die bereits anhand der Fig. 1 eingeführten Bezugszeichen beibe halten worden. Die in der Zeichnung nach Fig. 2 nicht be zeichneten Schaltmittel sind für die Erläuterung der Erfindung ohne Bedeutung und nur zur Vervollständigung des Schaltungs aufbaus des Stromversorgungsgerätes angegeben.

Das in Fig. 2 dargestellte Stromversorgungsgerät liegt an einer Eingangsgleichspannung U _E von 60 Volt. Diese Eingangs gleichspannung gelangt auf die Primärwicklung des Übertra gers 2; dabei verringert die zusätzliche LC-Kombination den auf die Eingangsspannungsquelle U _E rückwirkenden Anteil der im Stromversorgungsgerät entstehenden unerwünschten hochfrequenten Störspannung. Mit der Primärwicklung des Übertragers in Reihe liegt ein als FET-Transistor ausgebildeter Schalter 1, der von einem als Pulsbreitenmodulator verwendeten integrierten Schaltkreis 8 gesteuert wird. Derartige Schaltkreise sind z.B. unter der Bezeichnung TDA 4700, SG1526 im Handel erhältlich. Der Impulsbreitenmodulator steuert den Schalter 1 mit konstan ter Folgefrequenz aber unterschiedlichem Pulspausenverhältnis an und zerhackt damit den über die Eingangswicklung des Übertra gers 2 fließenden Eingangsspeisestrom. Der Eingangsspeisestrom induziert in der Sekundärwicklung des Übertragers 2 eine Aus gangsspannung, die am Ausgang des Stromversorgungsgerätes zum Abgriff einer Ausgangsspannung U _A von 12 Volt führt.

Gesteuert wird der Pulsbreitenmodulator 8 über einen Regelver stärker 6, dessen Eingängen einerseits über eine Zenerdiode 13 eine vorgegebene Sollspannung und andererseits über einen Span nungsteiler 14, 15 eine von der Ausgangsspannung U _A abgeleitete Ist-Spannung zugeführt wird. Der Regelverstärker 6 wirkt über einen als potentialtrennende Übertragungseinrichtung ausgebil deteten Optokoppler 7 auf den Steuereingang des Pulsbreitenmo dulators 8 ein und veranlaßt diesen in Abhängigkeit von der je weils abgreifbaren Ausgangsspannung zum Einstellen des Impuls breitenverhältnisses des Schalters 1.

Zum Feststellen einer unzulässig hohen Ausgangsspannung U _A ist ein Sensor 10 vorgesehen. Dieser Sensor ist bei dem Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 2 als Optokoppler 11 ausgebildet, dessen Leuchtdiode 17 über eine Zenerdiode 16 an einer von der Ausgangsgleichspannung U _A abgeleiteten Spannung liegt. Die Leuchtdiode 17 des Optokopplers 11 beginnt bei einer über der Zenerspannung der Zenerdiode 16 liegenden Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes zu leuchten und steuert damit den im linken unteren Teil der Zeichnung dargestellten Fototransistor 18 des Optokoplers 11 durch.

Die Schaltstrecke dieses Fototransistors ist über eine Reihen schaltung bestehend aus der Widerstands-Kondensor-Kombination 20 und Widerstand R 22 mit demjenigen Eingang des Impulsbreiten modulators 8 verbunden, dem die Hilfsspannung der kurzschluß festen Spannungsversorgung 9 als Versorgungsspannung zugeführt wird; die Hilfsspannung ist an einer Zenerdiode 27 abgreifbar.

Der Fototransistor 18 des Optokopplers 10 schaltet beim Anspre chen des Sensors 17 einen Schalttransistor 19 durch, dessen Schaltstrecke über die Widerstands-Kondensator-Kombination 21 mit dem einen und über Widerstand 22 mit dem anderen Pol der Hilfsspannungsversorgung 9 verbunden ist.

Bei seinem Durchsteuern schaltet dieser Schalttransistor 19 Steuerpotential zum Durchschalten des Fototransistors 18 auf dessen Basis. Damit ist dessen Schaltzustand unabhängig von der Beleuchtung durch die zugehörige Leuchtdiode 17 des Sen sors 10. Die beiden Transistoren 18 und 19 bilden zusammen mit den Netzwerken 20 und 21 eine bistabile Schaltung zur irrever siblen Abschaltung der Eingangsspannung des Impulsbreitenmodu lators 8. Die Wiederinbetriebnahme des Stromversorgungsgerätes ist nur nach vorübergehendem Abschalten der Eingangsgleichspan nung U _E möglich.

Zur Kennzeichnung des Betriebszustandes des Stromversorgungs gerätes ist dem Sensor 10 über ein spannungsabhängiges Schalt mittel 22 eine Leuchtdiode 23 parallelgeschaltet. Die Schalt schwelle des spannungsabhängigen Schaltmittels 22 liegt unter halb der Schaltschwelle des spannungsabhängigen Schaltmittels 16 im Stromkreis des Sensors 17. Die Leuchtdiode 23 dient damit zur Kennzeichnung des Vorhandenseins einer Ausgangsgleichspan nung U _A in der Größenordnung der Sollausgangsgleichspannung.

Neben dem zum Steuern des Impulsbreitenmodulators 8 vorgesehe nen Operationsverstärker 6 ist ein weiterer Operationsverstär ker 24 vorgesehen, der ausgangsseitig dem Operationsverstärker 6 über eine Entkopplungsdiode 25 parallelgeschaltet ist. Ein gangsseitig liegt dieser Operationsverstärker an einer Meß spannung, die an einem im Ausgangskreis des Stromversorgungs gerätes liegenden Meßwiderstand 26 abgreifbar ist. Beim Über steigen eines gegebenen Schwellwertes dieser Meßspannung wirkt dieser weitere Operationsverstärker 24 auf den Steuereingang des Pulsbreitenmodulators 8 im Sinne einer Verkürzung der Im pulsdauer ein. Die Schaltschwelle dieses weiteren Operations verstärkers ist so gewählt, daß er beim Ansteigen des über den Meßwiderstand 26 fließenden Speisestromes über einen gegebenen Nennwert wirksam wird und mit seinem Ausgangssignal die Aus gangssignale des Operationsverstärkers 6 übersteuert. Eine in den Ausgangskreis des weiteren Operationsverstärkers 24 geschaltete Leuchtdiode 26 macht für den Beobachter das Fließen eines oberhalb des Nennstromes liegenden Speisestromes erkenn bar. Der Beobachter weiß dann, daß der Impulsbreitenmodulator nicht mehr vom Operationsverstärker 6, sondern wegen des unzu lässigen Anstiegs des Speisestromes von dem weiteren Operati onsverstärker 24 gesteuert wird.

Neben dem Sensor 10 zum Feststellen einer unzulässig hohen Ausgangsspannung U _A kann ein Sensor vorgesehen sein, der auf das Unterschreiten vorgegebener Ausgangsspannungswerte an spricht und dann seinerseits über einen zugehörigen Optokoppler auf den Steuereingang des Impulsbreitenmodulators einwirkt. Ein Unterschreiten einer vorgegebenen Ausgangsspannung kann eben falls zu einem vollkommen unbestimmten Arbeiten nachgeschalte ter Verbraucher führen und hat deshalb ggf. auch zum Abschalten dieser Verbraucher durch Abschalten der Stromversorgung zu führen. Anstelle gesonderter Sensoren für das Feststellen des Über- oder Unterschreitens vorgegebener Schwellwerte kann auch ein Fensterdiskriminator vorgesehen sein, dessen Schaltzustand innerhalb eines zulässigen Spannungsbereiches verschieden ist von dem außerhalb dieses Spannungsbereiches. Bei Verwendung von Sensoren zum Detektieren einer unzulässig niedrigen Ausgangs spannung ist es erforderlich, die zugehörigen Sensormeldungen solange unwirksam zu machen, bis das Stromversorgungsgerät in Betrieb genommen ist und an seinem Ausgang eine Ausgangsgleich spannung oberhalb des zu detektierenden unteren Schwellwertes liefert.

Claims

1. Abschalteinrichtung für Stromversorgungsgeräte mit einem Wechselrichter zum Zerhacken einer Eingangsgleichspannung und zur Impulsbreitenmodulation der Einganssignale sowie mit einem Übertrager zur Ausgabe einer Ausgangsspannung und mit einem Regelkreis, der über von der Ausgangsspannung oder vom Aus gangsstrom abgeleitete Sensorsignale zur Ausregelung von Span nungs- oder Stromschwankungen auf die Mittel zur Impulsbreiten modulation einwirkt, dadurch gekennzeich net, daß mindestens ein auf das Über- und/oder Unter schreiten vorgegebener Werte der Ausgangsspannung (U _A) und/oder des Ausgangsstromes ansprechender Sensor (10) zum Einstellen mindestens eines bistabilen Schalters (12) vorgesehen ist, und daß der bistabile Schalter im eingestellten Zustand die Versor gungsspannung mindestens der Mittel zur Impulsbreitenmodulation (8) kurzschließt.

2. Abschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) über poten tialtrennende Mittel (11) auf den bistabilen Schalter (18, 19, 20, 21) einwirkt.

3. Abschalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) als mit einer Zenerdiode (16) eingangsseitig in Reihe liegende Leucht diode (17) eines Optokopplers (11) ausgebildet ist, dessen Fototransistor (18) beim Ansprechen der Leuchtdiode (17) einen Schaltentransistor (19) durchsteuert, dessen Basis über einander parallelgeschaltete Widerstände und Kondensatoren (20 bzw. 21) sowohl mit dem einen als auch mit dem anderen Pol einer als Konstantspannungsquelle ausgebildeten Versorgungs quelle (9) für den Impulsbreitenmodulator (8) verbunden ist, und daß der Schalttransistor (19) bei seinem Durchsteuern Steuerpotential zum Durchschalten des Fototransistors (18) auf dessen Basis schaltet.

4. Abschalteinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu einem das Überschreiten eines oberen Schwellwertes der zu detektierenden Ausgangsspannung ansprechenden Sensor (10) ein auf das Unter schreiten eines vorgegebenen unteren Schwellwertes ansprechen der Sensor vorgesehen ist.

5. Abschalteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einen oberen und auf den unteren Schwellwert der zu detektierenden Ausgangs spannung ansprechender Fensterdiskriminator vorgesehen ist.

6. Abschalteinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Wirksamschalten des Sensors für den unteren zu detektierenden Schwellwert erst nach der Inbetriebnahme des Stromversorgungsgerätes vorgesehen sind.

7. Abschalteinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor (10) über ein spannungsabhängiges Schaltmittel (22) eine Leuchtdiode (23) parallelgeschaltet ist, wobei die Schalt schwelle des spannungsabhängigen Schaltmittels (22) unterhalb der Schaltschwelle des Sensor (10) liegt.

8. Abschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis durch einen mit seinem Ausgang auf den Steuereingang des Impulsbreitenmodu lators (8) geführten Operationsverstärker (6) dargestellt ist, an dessen einem Eingang eine von der Ausgangsspannung (U _A) ab geleitete Spannung und an dessen anderem Eingang eine stabile Vergleichsspannung anliegt.

9. Abschalteinrichtung nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Operations verstärker (24) vorgesehen ist, der ausgangsseitig dem Opera tionsverstärker (6) des Regelkreises über eine Entkopplungs diode (25) parallelgeschaltet ist und der eingangsseitig eine an einem im Ausgangskreis liegenden Meßwiderstand (26) ab greifbare, vom Speisestrom abhängige Meßspannung detektiert, um beim Überschreiten eines gegebenen Schwellwertes dieser Meß spannung auf den Steuereingang des Impulsbreitenmodulators (8) im Sinne einer Verkürzung der Impulsdauer einzuwirken.

10. Abschalteinrichtung nach Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Operationsverstärker (6, 24) über einen Optokoppler (7) auf den Steuereingang des Impulsbreitenmodulators (8) ein wirken.

11. Abschalteinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsdiode (25) mit einer Leuchtdiode (26) in Reihe geschaltet ist.