DE3923710A1 - Stromversorgungseinrichtung mit gleichspannungsueberwachungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung für mindestens zwei auf ein ge­ meinsames Bezugspotential bezogene Gleichspannungen un­ terschiedlicher Polarität mit einem Signalübertragungs­ element.

Stromversorgungseinrichtungen mit Überwachungsschaltun­ gen werden beispielsweise benötigt, um bei Störungen die angeschlossenen Verbraucher vor Überspannungen zu schützen oder bei Unterspannungen zu verhindern, daß bei­ spielsweise fehlerhafte Daten ausgegeben werden, ohne daß dies rechtzeitig erkannt wird. Daher soll die Störung ei­ ner Ausgangsgleichspannung, d.h. das Abweichen von einem vorgegebenen Sollwert, sicher angezeigt werden oder mit Hilfe eines Signalübertragungselements Sicherungsmaßnah­ men eingeleitet werden. Im Falle einer sekundärseitigen Störung werden, insbesondere bei einer getakteten Strom­ versorgungseinrichtung, mittels auf der Primärseite vor­ gesehener Stellglieder die Ausgangsgleichspannungen ent­ sprechend geregelt oder abgeschaltet. Ist eine galvani­ sche Trennung von Sekundärseite und der beispielsweise auf die Primärseite eines Transformators wirkenden Regel­ schaltung erforderlich, so wird zur Übertragung der Steu­ ersignale der Überwachungsschaltung ein Signalübertra­ gungselement mit galvanisch getrennten Ein- und Ausgän­ gen, beispielsweise ein Optokoppler, verwendet.

Aus DE-A 37 07 973 ist eine Stromversorgungseinrichtung mit Überspannungsschutzschaltung und einem Signalübertra­ gungselement bekannt. Dabei ist zwischen einem Bezugspo­ tential und einer gegenüber diesem Bezugspotential posi.­ tiven oder negativen Ausgangsgleichspannung jeweils eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einer Diode an­ geordnet, wobei zwischen den Verbindungspunkten von Ze­ nerdiode und Diode der beiden Reihenschaltungen insbeson­ dere ein als Optokoppler mit Leuchtdiode ausgebildetes Signalübertragungselement eingeschaltet ist. Wenn keine Überspannungen auftreten, werden die Zenerdioden im Sperrzustand betrieben, die Leuchtdiode emittiert nicht. Tritt bei einer Ausgangsgleichspannung eine Überspannung auf, so wird die entsprechende Zenerdiode leitend und der Strom fließt durch die Leuchtdiode des Signalübertra­ gungselements. Die Ansprechgenauigkeit des Signalübertra­ gungselements und damit der Überspannungsschutzschaltung wird dabei von den Toleranzen einer Vielzahl verschiede­ ner Bauelemente bestimmt, d.h. im einzelnen von den Tole­ ranzen der Diode, der Zenerdiode, des Signalübertragungs­ elements und eines in Reihe dazu liegenden Vorwiderstands und weist somit bei erhöhten Anforderungen eine unzurei­ chende Ansprechgenauigkeit auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromver­ sorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung der ein­ gangs genannten Art anzugeben, bei der die Überwachungs­ schaltung bei gleichzeitig geringem Bauteileaufwand eine erhöhte Ansprechgenauigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung der eingangs genannten Art da­ durch gelöst, daß parallel zur jeweiligen Gleichspannung eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einem Wi­ derstand angeordnet ist, wobei der Verbindungspunkt von Zenerdiode und Widerstand jeweils mit der Basis eines Transistors verbunden ist und eine erste Elektrode jedes Transistors an das Signalübertragungselement und eine zweite Elektrode an den positiven bzw. negativen Pol der Gleichspannung angeschlossen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteran­ sprüchen enthalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Stromversorgungseinrichtung mit Über­ spannungsüberwachungsschaltung für zwei Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität.

Fig. 2 zeigt eine Stromversorgungseinrichtung mit Über­ spannungsüberwachungsschaltung für zwei positive und zwei negative Gleichspannungen.

Fig. 3 zeigt eine Stromversorgungseinrichtung mit Unter­ spannungsüberwachungsschaltung für zwei Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lie­ fert eine Stromversorgungseinrichtung 1 eine gegenüber einem Bezugspotential OV positive Gleichspannung U1+ und eine gegenüber diesem Bezugspotential negative Gleich­ spannung U1-. Der positive Pol der Gleichspannung U1+ ist mit dem Emitter und über einen Widerstand R1 mit der Ba­ sis eines PNP-Transistors T1 verbunden. Die Basis des Transistors T1 ist an die Kathode einer Zenerdiode Z1 an­ geschlossen, wobei deren Anode mit dem Bezugspotential OV kontaktiert ist. Eine Diode D1 ist mit ihrer Anode mit dem ezugspotential OV und mit ihrer Kathode mit dem Kol­ lektor des Transistors T1 verbunden. Der negative Pol der Gleichspannung U1- ist mit dem Emitter und über einen Wi­ derstand R2 mit der Basis eines NPN-Transistors T2 ver­ bunden. Die Basis des Transistors T2 ist an die Anode ei­ ner Zenerdiode Z2 angeschlossen, wobei deren Kathode mit dem Bezugspotential OV kontaktiert ist. Eine Diode D2 ist mit ihrer Kathode mit dem Bezugspotential OV und mit ih­ rer Anode mit dem Kollektor des Transistors T2 verbun­ den. Zwischen dem Kollektor des Transistors T1 und dem Kollektor des Transistors T2 ist über einen Vorwider­ stand R3 ein als Optokoppler 2 realisiertes Signalüber­ tragungselement eingeschaltet. Eine Leuchtdiode 21 ist so geschaltet, daß ihre Kathode mit dem Kollektor des Tran­ sistors T2 verbunden ist. Der Optokoppler 2 ist mit einer Steuereinrichtung der Stromversorgungseinrichtung 1 ver­ bunden, so daß bei emittierender Leuchtdiode 21 durch den in einer Fotodiode 22 hervorgerufenen Fotostrom die Gleichspannungen U1+, U1- der Stromversorgungseinrich­ tung 1 zurückgeregelt oder ganz abgeschaltet werden.

Arbeitet die Stromversorgungseinrichtung im Normalbe­ trieb, d.h., tritt bei der positiven Gleichspannung U1+ keine Überspannung auf, so erfolgt über den Widerstand R1 durch die in Sperrichtung vorgespannte Zenerdiode Z1 ein Stromfluß. Der der Basis-Emitter-Strecke des Transi­ stors T1 parallel geschaltete Widerstand R1 ist so dimen­ sioniert, daß im ungestörten Zustand ein Spannungsabfall hervorgerufen wird, der kleiner ist als die zum Durch­ schalten des Transistors notwendige Basis-Emitter-Span­ nung. Der Transistor T1 ist somit gesperrt. Tritt bei der positiven Gleichspannung U1+ eine Überspannung auf, so wird der Transistor T1 nach dem Überschreiten der zum Durchschalten benötigten Basis-Emitter-Spannung von ca. 0,6 Volt am Widerstand R1 leitend. Der nun fließende Kol­ lektorstrom des Transistors T1 fließt über den Vorwider­ stand R3 über die Leuchtdiode 21 des Optokopplers 2 und die Diode D2 zum Bezugspotential OV. Der Vorwiderstand R3 ist so bemessen, daß der durch die Leuchtdiode 21 fließende Strom zur Lichtemission ausreicht und der durch die Fotodiode 22 hervorgerufene Fotostrom die Gleichspan­ nung U1+ zurückregelt oder abschaltet, andererseits aber kein zu hoher Strom auftritt. Bei einer in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform ist dem Signalüber­ tragungselement 2 zur Aufnahme eines Reststroms ein Wi­ derstand und/oder ein Kondensator parallel geschaltet. Bei einer impulsbreitengesteuerten Stromversorgungsein­ richtung kann die Verminderung der Gleichspannung U1+ beispielsweise durch Verringern der Steuerimpulsbreiten bewirkt werden.

Tritt hingegen die Überspannung bei der negativen Gleich­ spannung U1- auf, so fließt der Strom vom Bezugspotential über die Diode D1, den Vorwiderstand R3, die Leuchtdio­ de 21 des Optokopplers 2 und über den leitenden Transi­ stor T2 zur Gleichspannung U1-. Bei einer praktisch aus­ geführten Überspannungsüberwachungsschaltung beträgt der Wert der GleichsPannungen U1+, U1- +/- 5 Volt. Dabei ist die Zenerspannung der Zenerdioden Z1, Z2 mit 5,1 Volt und der Widerstandswert der Widerstände R1, R2 mit 1 kOhm di­ mensioniert. Die Ansprechgenauigkeit der Überspannungs­ überwachungsschaltung wird damit allein durch die Tole­ ranzen der Zenerdioden Z1, Z2 und die Basis-Emitter- Strecken der Transistoren T1, T2 bestimmt und ist damit unabhängig vom Kollektorkreis der Transistoren T1, T2 und somit unabhängig von den Toleranzen des Vorwiderstands R3 sowie des Signalübertragungselements 2. Daher ist die Überspannungsüberwachungsschaltung, insbesondere auch bei Anforderungen an eine erhöhte Ansprechgenauigkeit, geeig­ net.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden neben den Gleichspannungen U1+, U1- des in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels noch zwei weitere Gleichspannungen U2+, U2- überwacht. Hierzu ist der posi.­ tive Pol der Gleichspannung U2+ mit dem Emitter und über einen Widerstand R11 mit der Basis eines PNP-Transi­ stors T11 verbunden. Die Basis des Transistors T11 ist an die Kathode einer Zenerdiode Z11 angeschlossen, wobei de­ ren Anode mit dem Bezugspotential OV kontaktiert ist. Entsprechend ist der negative Pol der Gleichspannung U2- mit dem Emitter und über einen Widerstand R12 mit der Ba­ sis eines NPN-Transistors T12 verbunden. Die Basis des Transistors T12 ist an die Anode einer Zenerdiode Z12 an­ geschlossen, wobei deren Kathode mit dem Bezugspoten­ tial OV kontaktiert ist. Die Zenerspannungen der Zenerdi­ oden Z11, Z12 sind entsprechend den Spannungswerten der Gleichspannungen U2+, U2- gewählt. Mit der in der Fig. 2 dargestellten Überspannungsüberwachungsschaltung können somit bei geringem Aufwand an Bauteilen jeweils zwei Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität überwacht werden.

Sollen neben den Gleichspannungen U1+, U1-, U2+, U2- wei­ tere Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität über­ wacht werden, so braucht die Schaltung der Fig. 2 ledig­ lich um eine entsprechende Anordnung eines Transistors, eines Widerstands und einer Zenerdiode ergänzt werden, wobei das Signalübertragungselement 2 für alle Gleich­ spannungen verwendet wird. Bei einer Ausgestaltungsform ist das Signalübertragungselement 2 als Optokoppler mit Thyristorausgang ausgebildet.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel lie­ fert eine Stromversorgungseinrichtung 1 die gegenüber dem Bezugspotential OV positive Gleichspannung U1+ und die gegenüber diesem Bezugspotential negative Gleichspan­ nung U1-. Der positive Pol der Gleichspannung U1+ ist mit dem Emitter und über den Widerstand R1 mit der Basis des Transistors T1 verbunden. Die Basis des Transistors T1 ist an die Kathode der Zenerdiode Z1 angeschlossen, wobei deren Anode über einen Widerstand R4 mit dem Bezugspoten­ tial OV kontaktiert ist. Der negative Pol der Gleichspan­ nung U1- ist mit dem Emitter und über den Widerstand R2 mit der Basis des Transistors T2 verbunden. Die Basis des Transistors T2 ist an die Anode der Zenerdiode Z2 ange­ schlossen, wobei deren Kathode uber einen Widerstand R5 mit dem Bezugspotential OV kontaktiert ist. Zwischen dem Kollektor des Transistors T1 und dem Kollektor des Tran­ sistors T2 ist über einen Vorwiderstand R3 das Signal­ übertragungselement 2 eingeschaltet. Eine Leuchtdiode 21 ist so geschaltet, daß ihre Kathode mit dem Kollektor des Transistors T2 verbunden ist. Der Optokoppler 2 ist mit einer Steuereinrichtung der Stromversorgungseinrichtung 1 verbunden, so daß bei nicht emittierender Leuchtdiode 21 durch den in der Fotodiode 22 nicht mehr hervorgerufenen Fotostrom die Gleichspannungen U1+, U1- der Stromversor­ gungseinrichtung 1 entsprechend geregelt oder abgeschal­ tet werden.

Die Widerstände R1, R2, R4, R5 und die Zenerdioden Z1, Z2 sind so dimensioniert, daß im Normalbetrieb, d.h. wenn keine Unterspannung auftritt, die Transistoren T1, T2 leitend sind. Dazu muß der Spannungsabfall an den Wider­ ständen R1, R2 größer sein, als die zum Durchschalten der Transistoren T1, T2 benötigte Basis-Emitter-Spannung von ca. 0,6 Volt. Der dann fließende Kollektorstrom des Tran­ sistors T1 fließt über den Vorwiderstand R3 über die Leuchtdiode 21 des Optokopplers 2 und die ebenfalls lei­ tende Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T2 zum negativen Pol der Gleichspannung U1-. Der vorwider­ stand R3 ist so bemessen, daß der durch die Leuchtdio­ de 21 fließende Strom zur Lichtemission ausreicht, ande­ rerseits aber kein zu hoher Strom auftritt. Tritt bei der positiven Gleichspannung U1+ eine Unterspannung auf, so wird der Transistor T1 nach dem Unterschreiten der zum Durchschalten benötigten Basis-Emitter-Spannung am Wider­ stand R1 gesperrt, der gesamte Strom fließt dann über den Widerstand R1 durch die in Sperrichtung vorgespannte Ze­ nerdiode Z1 sowie den Widerstand R4 zum Bezugspoten­ tial OV. Nach dem Sperren des Transistors T1 fließt kein Strom mehr durch die Leuchtdiode 21, damit fließt auch kein Fotostrom mehr durch die Fotodiode 22 und die Gleichspannung U1+ kann beispielsweise hochgeregelt oder abgeschaltet werden. Bei einer impulsbreitengesteuerten Stromversorgungseinrichtung kann die Erhöhung der Gleich­ spannung U1+ beispielsweise durch Erhöhen der Steuerim­ pulsbreiten bewirkt werden. Tritt hingegen die Unterspan­ nung am Ausgang mit der negativen Gleichspannung U1- auf, so wird der Transistor T2 gesperrt, d.h. es fließt auch in diesem Fall kein Strom mehr durch die Leuchtdiode 21. Der gesamte Strom fließt dann vom Bezugspotential OV über den Widerstand R5 durch die in Sperrichtung vorgespannte Zenerdiode Z2 und den Widerstand R2 zum negativen Pol der Gleichspannung U1-.

Die Ansprechgenauigkeit der Unterspannungsüberwachungs­ schaltung wird bei dem in der Fig. 3 gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel lediglich durch Toleranzen der Zenerdio­ den Z1, Z2, der Widerstände R4, R5 und der Basis-Emit­ ter-Strecken der Transistoren T1, T2 bestimmt und ist da­ mit unabhängig vom Kollektorkreis der Transistoren T1, T2 und somit unabhängig von den Toleranzen des vorwider­ stands R3 sowie des Signalübertragungselements 2. Daher ist auch die in der Fig. 3 gezeigte Unterspannungsüberwa­ chungsschaltung, insbesondere bei Anforderungen an eine erhöhte Ansprechgenauigkeit, geeignet.

Claims (9)

1. Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung für mindestens zwei auf ein gemeinsames Bezugspotential bezogene Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität mit einem Signalübertragungselement, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur jeweiligen Gleichspannung (U1+, U1-) ei­ ne Reihenschaltung aus einer Zenerdiode (Z1, Z2) und ei­ nem Widerstand (R1, R2) angeordnet ist, wobei der Verbin­ dungspunkt von Zenerdiode (Z1, Z2) und Widerstand (R1, R2) jeweils mit der Basis eines Transistors (T1, T2) ver­ bunden und eine erste Elektrode jedes Transistors (T1, T2) an das Signalübertragungselement (2) und eine zweite Elektrode an den positiven bzw. negativen Pol der Gleich­ spannung (U1+, U1-) angeschlossen ist.

2. Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anschlußklemmen des Signalübertragungsele­ ments (2) jeweils über eine Diode (D1, D2) mit dem Be­ zugspotential (OV) verbunden sind.

3. Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Zenerdiode (Z1, Z2) und dem Bezugspo­ tential (OV) ein Widerstand (R4, R5) angeordnet ist.

4. Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode des Transistors (T1, T2) als Kol­ lektor und die zweite Elektrode als Emitter ausgebildet ist.

5. Stromversorgungseinrichtung mit Uberwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerdioden (Z1, Z2) in Sperrichtung vorgespannt sind.

6. Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum Signalübertragungselement (2) ein Vorwi­ derstand (R3) geschaltet ist.

7. Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß das Signalübertragungselement (2) ein Optokoppler ist.

8. Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Signalübertragungselement (2) ein Widerstand und/oder ein Kondensator parallelgeschaltet ist.

9. Stromversorgungseinrichtung mit Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalübertragungselement (2) mit einer Steuer­ einrichtung der Stromversorgungseinrichtung (1) verbunden ist.