DE4435005A1

DE4435005A1 - Schaltung zur Stromversorgung

Info

Publication number: DE4435005A1
Application number: DE19944435005
Authority: DE
Inventors: Heinrich Walterfang; Hans-Juergen Boeke; Joachim Monnartz
Original assignee: Boeke & Walterfang GmbH
Current assignee: Boeke & Walterfang GmbH
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1996-04-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Stromversorgung eines mit Gleichspannung betriebenen Verbrauchers aus einem Wechsel stromnetz, dessen Wechselstromphasen mittels Gleichrichtern als Gleichstrom zum Verbraucher geführt werden, wobei parallel zu den Eingangsklemmen des Verbrauchers eine Pufferbatterie liegt.

Derartige elektrische Schaltungen sind bekannt.

Sie dienen beispielsweise bei Personal-Computern zur Stromver sorgung bei Netzausfall, um beispielsweise ein interne Uhr weiterlaufen zu lassen.

Derartige Schaltungen können aufgrund der geringen Verbraucher ströme sehr einfach aufgebaut werden.

Dabei wird davon ausgegangen, daß die Verbraucherströme im wesentlichen in der Größenordnung der Ladeströme liegen.

Schwieriger hingegen gestaltet sich eine derartige Schaltung, wenn die Ladeströme und die Verbraucherströme stark voneinander differieren.

Insbesondere kann hierbei die Forderung auftreten, die Puffer batterie durch jahrelangen Ladebetrieb zu beanspruchen, während sie auch dann noch mit sehr hohem Entladestrom arbeiten muß.

Diese ansich widersprüchlichen Forderungen sollen durch die Erfindung realisierbar sein.

Es ist demnach Aufgabe dieser Erfindung, die Schaltung zur Stromversorgung so weiterzubilden, daß bei geringster Belastung, geringster Alterung und geringstem Verschleiß der Pufferbatterie deren langjährige Funktion sichergestellt und trotzdem und im wesentlichen unabhängig vom Alter der Pufferbatterie ein hoher Verbraucherbedarf befriedigt werden kann.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei der eingangs genannten Schaltung dadurch, daß im Parallelkreis der Pufferbatterie eine Steuerschaltung sitzt, die einen Ladestrombegrenzer aufweist, und daß parallel zu dem Ladestrombegrenzer ein Entladestromkreis liegt.

Aus der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß der Batterielade strom im wesentlichen auf die üblichen ca. 10% der Nennkapazi tät begrenzt werden kann, während der Entladestrom hiervon unbeeinflußt bleibt.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Entladestromkreis parallel zu dem Ladestrombegrenzer liegt.

Bevorzugt ist dabei der Widerstand des Entladestromkreises so gering, daß der Entladestrom im wesentlichen unbegrenzt bleibt.

In diesem Fall weist der Entladestrom einen sehr geringen Wider stand auf, der z. B. weniger als 10 Ohm beträgt, so daß der vom Verbraucher aus der Pufferbatterie entnommene Strom nur noch vom Verbraucher bestimmt wird.

Dabei wird eine dynamische Anpassung des Ladestroms an den jeweiligen Batterieladezustand bevorzugt. Hierzu empfiehlt es sich, ein elektrisch angesteuertes Poti vorzusehen, dessen Potentiometerstellung in Abhängigkeit von dem Ladezustand von der Pufferbatterie verstellbar ist.

Es soll also bei abnehmendem Ladestrom das Potentiometer öffnen und umgekehrt.

Um nach Möglichkeit mechanischen Verschleiß auszuschalten, wird weiterhin vorgeschlagen, als Ladestrombegrenzer einen Halblei ter-Leistungsschalter einzusetzen. In diesem Fall soll die Temperatur des Halbleiter-Leistungsschalters überwacht werden durch einen separaten Kühlventilator-Steuerkreis, der von einem Temperaturfühler gesteuert wird.

Zusätzlich kann aus Sicherheitsgründen im Parallelkreis der Steuerschaltung ein temperaturabhängig geschalteter Öffner sitzen, der allerdings dem temperaturabhängig geschalteten Steuerkreis des Kühlventilators nachgeordnet ist.

Damit schaltet der Öffner im Parallelkreis erst oberhalb einer Temperatur, die von dem vorgesehenen Kühlventilator nicht mehr gekühlt werden kann.

Für den Entladestromkreis kann vorzugsweise eine in Laderichtung sperrende Diode vorgesehen sein. Alternativ hierzu läßt sich von der Pufferbatterie zum Verbraucher eine Kurzschlußdiode legen, die allerdings in Verbindung mit einer Schutzdiode für den Ladestrombegrenzer zu kombinieren wäre.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, den maximalen Ladestrom über eine Brückenschaltung in vorbestimmten Schritten einstellbar zu machen. Dies findet insbesondere Anwendung bei einem Wechsel stromnetz, wo wahlweise nur eine oder zwei oder drei der Wech selstromphasen abgegriffen werden können. Sofern also der Lei stungsbedarf des Verbrauchers nur mit drei Wechselstromphasen erfüllt werden kann, muß auch der Ladestrom für die Pufferbatte rie entsprechend angehoben werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen prinzipiellen Schaltplan zur Stromversorgung eines mit Gleichspannung betriebenen Verbrauchers;

Fig. 2 einen prinzipiellen Schaltplan für eine erfindungs gemäße Steuerschaltung.

Sofern im folgenden nichts anderes gesagt ist, gilt die folgende Beschreibung stets für beide Figuren.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur Stromversorgung eines mit Gleichspannung betriebenen Verbrauchers. Die Schaltung hat Anschluß an ein Wechselstromnetz 1. Von dem Wechselstromnetz 1 wird eine entsprechende Anzahl Wechselstromphasen 2 abgegriffen. Jede dieser Wechselstromphasen 2 wird einem Gleichrichter 3.1, 3.2, 3.3 zugeführt. Im vorliegenden Fall werden drei Wechsel stromphasen aus dem Netz entnommen. Folglich sind auch drei Gleichrichter vorgesehen.

Die jeweils gleichpoligen Ausgänge der Gleichrichter 3.1-3.3 sind auf ein Potential geschaltet. Der hierdurch gebildete Stromkreis 4 führt folglich einen Gleichstrom vorbestimmter maximaler Höhe. In dem Stromkreis 4 sitzt der durch Ersatzwider stand 5 repräsentierte Verbraucher, der z. B. das mit Gleich strom betriebene Netz eines Funktelefon-Netzbetreibers sein kann.

Parallel zu den Eingangsklemmen 6, 7 des Verbrauchers liegt nun eine Pufferbatterie 8, die eine der erforderlichen Verbraucher spannung angepaßte Anzahl einzelner Zellen aufweist.

Die Pufferbatterie 8 liegt in einem sogenannten Parallelkreis 9 zu dem Verbraucherkreis 4.

Wesentlich ist nun, daß im Parallelkreis 9 der Pufferbatterie 8 eine Steuerschaltung 10 sitzt. Die Steuerschaltung 10 weist einen Ladestrombegrenzer 11 auf. Hierauf wird anhand von Fig. 2 noch eingegangen werden. Parallel zu dem Ladestrombegrenzer 11 liegt ein Entladestromkreis 12, welcher die Voraussetzung dafür ist, daß der Entladestrom im wesentlichen unabhängig vom Lade strom werden kann.

Zu diesem Zweck ist im vorliegenden Fall der Entladestromkreis 12 eine in Laderichtung sperrende Diode 13, die allerdings in Entladerichtung im wesentlichen einen elektrischen Widerstand in der Größenordnung von bis zu etwa 10 Ohm aufweist. Bevorzugt weist die Diode 13 jedoch einen Widerstand in Durchlaßrichtung auf von weniger als einem Ohm.

Wie Fig. 1 bereits andeutet, wie jedoch anhand Fig. 2 besser zu sehen ist, handelt es sich bei dem Ladestrombegrenzer 11 um ein elektrisch angesteuertes Potentiometer. Die Verstellung des Potentiometers erfolgt also elektrisch. Dabei ist vorgesehen, daß das Poti mit zunehmendem Ladestrom schließt und mit abneh mendem Ladestrom in die Pufferbatterie 8 öffnet.

Alle diese Voraussetzungen erfüllt ein Halbleiter-Leistungs schalter 14, wie anhand von Fig. 2 ersichtlich. Ein derartiger Halbleiter-Leistungsschalter kann durch einen sogenannten Power- MOSFET realisiert werden. Ein derartiger Power-MOSFET dient als ein Begrenzer des Ladestroms, indem er nach dem Prinzip eines elektrisch angesteuerten Potentiometers die zum Laden der Puf ferbatterie 8 nicht notwendige Leistung in Wärme umsetzt. Dies erfolgt durch einen Spannungsvergleich am Fühlwiderstand 30. Hierauf wird noch eingegangen.

Wesentlich ist nun, daß der Power-MOSFET eine Steuerschaltung 15 erfordert, die von einem Temperaturfühler 16 angesteuert wird. Der Temperaturfühler 16 greift auf geeignete Weise die Tempera tur des Power MOSFET ab. Überschreitet die Temperatur einen vorgegebenen Wert, z. B. 45 Grad Celsius, schließt der Tempera turfühler den Relaiskreis, in welchem sich das Relais 17 befin det. Das Relais zieht an und der Relaisschalter 18 schließt den Kühlventilatorsteuerkreis 19. Demnach läuft der Motor 20 des Kühlventilators 21 an, so daß der Halbleiter-Leistungsschalter gekühlt werden kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei dem Kühlventilator- Steuerkreis um einen mit Schließer betätigten Stromkreis han delt. Der Schließer 18 wird von einem entsprechenden Relaiskreis betätigt.

Weiterhin ist im Parallelkreis 9 der Steuerschaltung 10 ein temperaturabhängig geschalteter Öffner 22 vorzusehen.

Hierbei handelt es sich um einen Öffner 22, der die Stromzufuhr zu der Pufferbatterie 8 unterbricht, sobald der zum Öffner 22 gehörige Temperaturfühler 23 eine Temperatur oberhalb einer vorgegebenen Maximaltemperatur mißt. Die vorgegebene Maximaltem peratur kann z. B. 110 Grad Celsius betragen. Sie liegt jeden falls unterhalb der Zerstörungstemperatur für den Halbleiter- Leistungsschalter 14. In diesem Fall würde die Stromzufuhr unterbrochen, und die Steuerschaltung 10 kann abkühlen.

Wie man anhand Fig. 2 erkennen kann, liegt parallel zu dem Power MOSFET eine Diode 13, die als Freilaufdiode im Entlade stromkreis bezeichnet werden kann.

Alternativ hierzu kann auch zwischen der Pufferbatterie 8 und dem Verbraucher eine sogenannte Kurzschlußdiode 24 vorgesehen sein, dies jedoch bevorzugt in Verbindung mit einer Schutzdiode 25, um den Halbleiter-Leistungsschalter nicht zu zerstören.

Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, daß gemäß Fig. 1 nicht alle drei Wechselstromphasen abgegriffen werden müssen. Die Anzahl der abgegriffenen Wechselstromphasen ist abhängig von dem Leistungsbedarf des Verbrauchers.

Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, sieht die vorliegende Schaltung eine Brückenschaltung 26 vor.

Hierfür sind drei verschiedene Eingangswiderstände parallel geschaltet. Jeder Eingangswiderstand dient als Strombegrenzungs widerstand. Der Strom wird auf vorgegebene Werte begrenzt. Im Fall des oberen Strombegrenzungswiderstands 27 wird der Strom beispielsweise auf 10 Ampere begrenzt, während er im Fall des mittleren Begrenzungswiderstands 28 z. B. auf 20 Ampere und im Fall des unteren Begrenzungswiderstands auf 30 Ampere begrenzt sein kann.

Die prinzipielle Ansteuerung des Power-MOSFET erfolgt allerdings über den Fühlwiderstand 30, der in der Zuleitung zur Pufferbat terie 8 sitzt. Über die dort vorgesehene Abzweigleitung wird ein Teil des zur Pufferbatterie 8 geführten Stroms eingangsseitig auf den Operationsverstärker 31 gegeben, der seinerseits über den temperaturgesteuerten Öffner 22 den Halbleiter-Leistungs schalter 14 ansteuert. Die Ansteuerung erfolgt damit in Abhän gigkeit von dem Spannungsabfall am Fühlwiderstand 30, der ein Maß für den jeweils vorhandenen Ladestrom ist.

Auf diese Weise wird mit abnehmendem Batteriestrom der Power-MOSFET automatisch geöffnet, so daß eine Ladestromsteue rung erfolgt, die abhängig vom aktuellen Ladezustand der Puffer batterie 8 ist.

Andererseits wird über den nur äußerst geringen elektrischen Widerstand des Entladekreises, namentlich der Diode 13, der Entladestrom praktisch nur vom Verbraucher 5 bestimmt.

Bezugszeichenliste

1 Wechselstromnetz
2 Wechselstromphase
3.1-3.3 Gleichrichter
4 Stromkreis
5 Ersatzwiderstand, Verbraucher
6 Eingangsklemme
7 Eingangsklemme
8 Pufferbatterie
9 Parallelkreis
10 Steuerschaltung
11 Ladestrombegrenzer
12 Entladestromkreis
13 Diode
14 Halbleiter-Leistungsschalter, Power MOSFET
15 Steuerschaltung
16 Temperaturfühler
17 Relais
18 Relaisschalter
19 Kühlventilator, Steuerkreis
20 Motor
21 Kühlventilator
22 Öffner
23 Temperaturfühler
24 Kurzschlußdiode
25 Schutzdiode
26 Brückenschaltung
27-29 Begrenzungswiderstand
30 Fühlwiderstand
31 Operationsverstärker

Claims

1. Schaltung zur Stromversorgung eines mit Gleichspannung betriebenen Verbrauchers (5) aus einem Wechselstromnetz (1), dessen Wechselstromphasen (2) mittels Gleichrichtern (3) als Gleichstrom zum Verbraucher (5) geführt werden, wobei parallel zu den Eingangsklemmen (6,7) des Verbrau chers (5) eine Pufferbatterie (8) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß

1.1 im Parallelkreis (9) der Pufferbatterie (8) eine Steuer schaltung (10) sitzt,
1.2 die Steuerschaltung (10) einen Ladestrombegrenzer (11) aufweist,
1.3 parallel zu dem Ladestrombegrenzer (11) ein Entladestrom kreis (12) liegt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand im Entladestromkreis (12) so gering ist, daß der Entladestrom hierdurch im wesentli chen unbegrenzt bleibt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrombegrenzer (11) ein elektrisch angesteuertes Potentiometer ist, welches bei abnehmendem Ladestrom öff net.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrombegrenzer (11) ein Halbleiter-Leistungs schalter (14) ist, und daß die Steuerschaltung (10) einen Temperaturfühler (16) aufweist, der einen Kühlventilator-Steuerkreis (19) in Abhängigkeit von der Temperatur des Halbleiter-Leistungs schalters (14) steuert.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß im Parallelkreis (9) der Steuerschaltung ein temperatur abhängig geschalteter Öffner (22) sitzt.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladestromkreis (12) eine in Laderichtung sperrende Diode aufweist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladestromkreis (12) eine Kurzschlußdiode (24) zwi schen Batterie und Verbraucher und vorzugsweise eine Schutzdiode (25) zwischen Ladestrombegrenzer und Verbrau cher (5) aufweist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Ladestrom über eine einstellbare Brücken schaltung vorgebbar ist.