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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.
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Power supply system with a direct current generator and a reserve battery The present invention relates to a power supply system with a direct current generator and a reserve battery.
It is known to feed DC consumers power supply systems with a DC generator, for. B. to use a mains-powered rectifier, and a backup battery, which in the event of failure of the DC generator, so z. B. in the event of a power failure or a fault in the DC generator, the supply of the consumer takes over. For obvious reasons, it is desirable and in many cases also important that the switchover from mains operation to battery operation and vice versa takes place without interruption as far as possible.
To solve this problem, various circuits have been proposed which work technically flawlessly, but are not fully satisfactory from an economic point of view, because they are either too complex and therefore too expensive, or they cause a deterioration in efficiency. The reason for this fact is known to be that the battery voltage has to be higher than the consumer voltage for reasons of maintaining the charge, i. H. the nominal battery voltage.
The purpose of the invention is to avoid these disadvantages.
The power supply system according to the invention is characterized in that the direct current generator is connected to the battery via at least one high-power transistor, in such a way that the transistor is blocked when the rated voltage is present at the consumer, and that when the consumer voltage drops below a limit value, the transistor becomes conductive and the battery switches in parallel to the DC generator and consumer. An exemplary embodiment of the subject matter of the invention and a variant of this example are described in more detail below with reference to the drawing, in which: FIG. 1 shows a diagram of the exemplary embodiment mentioned and FIG. 2 shows a diagram of the variant.
In both figures, the same parts are identified as far as possible with the same transfer symbols. In the system according to FIG. 1, a consumer 1 is shown which is fed by a direct current generator 2. In the present case, this is a rectifier which is fed from a three-phase alternating current network, as is shown schematically in FIG. 1. In order to make the following description simpler, it is assumed that the voltage generated by the rectifier 2 at the consumer 1 is 49 volts, as is the case with e.g. B. for certain systems of telecommunications technology is the case. In the example shown, the positive terminal of the rectifier and the consumer are at potential 0, i.e. H. she is grounded.
The system also has a reserve battery 3, the positive terminal of which is also grounded. Since the battery must have a higher voltage than the load voltage when idling in order to be permanently operational, an additional rectifier 4 is provided, by means of which in series connection with the rectifier 2, the battery z. B. is charged to a voltage of 56 volts. Parallel to the rectifier 4 is a smoothing capacitor 5 for smoothing the direct voltage reaching the consumer.
The emitter-collector path of a high-power transistor 6 is connected between the negative terminal of the rectifier 2 and the negative terminal of the battery, namely the collector of the transistor
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stors is connected to the battery and the emitter is connected to the rectifier 2 via the winding 7 of a battery contactor 8. The contactor 8 short-circuits the transistor 6 in the closed state. The base of the transistor 6 is connected to a point 9, the potential of which is set to a fixed value, in the present case z. B. -18 volts, which value is more positive than the potential of the negative rectifier terminal.
The potential at point 9 is stabilized with the aid of a voltage divider located above battery 3, consisting of resistor 10 and transistor 11, and a stabilizer 12. At the input of which the voltage to be stabilized is applied, and whose output signal is the base potential of transistor 11 controls.
The structure of the circuit described above works as follows: Normally, the load 1 is fed from the rectifier 2, which, together with the rectifier 4, buffers the battery. With regard to the selected potential relationships, i. H. -4.9 volts at the negative terminal of rectifier 2 and -48 volts at the base of transistor 6, transistor 6 is blocked.
If the potential of the negative rectifier terminal drops for any reason, e.g. B. due to failure of the network, fluctuations in the mains voltage or due to the onset of current limitation of the rectifier due to overload, to a positive value with respect to the base potential of transistor 6, transistor 6 is unlocked so that current flows from battery 3 into consumer 1. If this current remains, e.g. B. small due to a small overload of the rectifier 2, only the additional current required by the consumer 1 flows from the battery via the transistor 6.
If, on the other hand, the overload is great or the AC network has failed and the rectifier 2 is shut down, the current through the transistor 6 is so great that the battery contactor 8 is actuated and short-circuits the transistor 6 so that a permanent overload of the transistor 6 is prevented.
Once the power failure has been rectified or the overload has ceased, the consumer voltage rises again until it exceeds the base potential of transistor 6, whereby the transistor is blocked again and the consumer is again fed from rectifier 2 alone.
Of course, depending on the size of the normal load current, instead of the transistor 6, several high-power transistors can be connected in parallel.
It was explained above that the transistor 6 is protected against permanent overload caused by the actuation of the battery contactor 8. However, it is conceivable that the transistor 6 in certain cases, such as. B. in the event of a short circuit in consumer 1, can be briefly heavily overloaded until the battery contactor is actuated. A circuit for preventing such overloads, which under certain circumstances could lead to destruction of the transistor, is shown in FIG. In this, the same parts as in Fig. 1 are denoted by the same transfer symbols. The circuit part to the right of the dashed line, which consists of elements 10, 11, 13, 14, 15, 16 and 17, serves to stabilize the potential at point 9.
The Zener diode 13, the transistors 14, 15 and the resistors 16, 17 form the stabilizer 12 shown in FIG. 1. The voltage divider consisting of the resistor 10 and the transistor 11 in FIG. 1 is shown in FIG. 2 is supplemented by a Zener diode 13, which, as is well known, generates a voltage drop independent of the current flowing through it within wide limits, so that a practically constant potential prevails at the emitter of transistor 11.
The voltage drop across the controllable resistor 17 determines the base potential of the transistor 11 and thus the emitter-collector resistance of this transistor, which in turn determines the potential at the collector, which via the two transistors 14 and 15 acting as current repeaters, the potential at the point 9 determined.
The circuit parts lying to the left of the dashed line in FIG. 2 are used to limit the current in the event that there is a risk of brief severe overloading of the transistor 6 before the battery contactor 8 is actuated. This circuit part serving to limit the current controls the base potential of the transistor 6 in the manner described below in such a way that a current limitation occurs in it. In the positive connection line between the battery 3 and the rectifier 2 there is a controllable resistor 18, through which the use of the current limitation can be adjusted. The resistor 18 is parallel to the emitter-base path of a transistor 19 which is connected in series with a resistor 20 between the terminals of the battery 3.
The collector of the transistor 19 is connected to the base of a transistor 21, the collector of which is connected via a resistor 22 to the negative battery terminal and the emitter of which is connected to the positive battery terminal via a Zener diode 23. The emitter of transistor 21 is also connected to the negative battery terminal via a resistor 24 in order to allow a certain minimum current to flow through Zener diode 23 so that the voltage drop across the Zener diode remains constant.
The collector of the transistor 21 is connected to the base of a further transistor 25, the collector of which is connected to the connection point 10 ′ of the resistor 10 and the collector of the transistor 11. The emitter of transistor 25 is connected to the negative battery terminal via resistor 26 and to the positive battery terminal via Zener diode 27, resistor 26 serving the same purpose as resistor 24.
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The operation of the current limiting circuit just described in the structure is as follows. It can first be seen that the emitter potentials of the transistors 19, 21 and 25 have fixed values regardless of the battery voltage.
As long as the current limiting circuit is not working, the transistor 21 is unlocked, since its base potential is more negative than its emitter potential. When the transistor 21 is unlocked, its collector potential is more positive than the emitter potential of the transistor 25, so that the latter is locked and therefore has no influence on the potential at the junction 10 ′ between the resistor 10 and the transistor 11. In this operating state, the potential of the connection point 10 'is impressed on the collector of the transistor 25. With regard to transistor 19, its collector current is a function of the voltage drop created in resistor 18 by battery current.
The resistor 18 is now set so that in the event that the current delivered by the battery 3 exceeds the peak current permissible for the transistor 6, the collector potential of the transistor 19 falls below the emitter potential of the transistor 21, so that it is blocked. The relationships are selected such that the blocking of the transistor 21 unlocks the transistor 25. As a result of the unlocking of the transistor 25, the voltage drop across the resistor 10 is increased and as a result the potential at the point 10 'is more positive, and in the limit case it rises approximately to the value of the emitter potential of the transistor 25.
The changed potential at point 10 'is applied to point 9 via transistors 14 and 15 (apart from the slight voltage drop in the emitter-base paths of these transistors).
So if z. B. as a result of a short circuit in the consumer or a sharp decrease in the consumer resistance (e.g. as a result of a partial short circuit) whose power consumption increases rapidly and at the same time the potential at point 9 is shifted towards zero, the potential of the emitter of the Transistor 6 inevitably follow this shift, so that the voltage at the consumer drops to that partial value of the rated voltage where the rated consumer current flows, regardless of the changed consumer resistance.
The response time of the current limitation is so short that damage to the transistor 6 by overcurrent during the switching time of the contactor 8 is prevented.
It should also be mentioned that of all the transistors in the circuits shown, only the transistor 6 is a high-performance transistor. It can be seen that in the system described above, the battery can be charged or buffered independently of the nominal voltage present at the consumer in normal operation, which is not the case with today's systems with battery tapping and valves for eliminating the differential voltage between the rectifier voltage and the consumer voltage . The activation of the battery for partial or full takeover of the consumer power takes place without any interruption.