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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung für ein abschaltkritisches
System mit einer von einem Stromnetz gespeisten Basisstromversorgung
und einer von einer Steuerlogik gesteuerten, Akkumulatoren-gespeisten Überbrückungsstromversorgung,
von welcher ein abschaltkritisches System bei Netzstörungen ohne
Unterbrechung während
einer vorgebbaren Zeit unterbrechungsfrei speisbar ist.
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Eine
große
Anzahl von Computersystemen ist „abschaltkritisch", d. h., dass ein
Abschalten durch Wegnahme der Versorgungsspannung, wie dies auch
bei einem Netzausfall geschieht, zu Datenverlusten und/oder Systemstörungen führen kann,
sofern keine unterstützenden
Maßnahmen
getroffen werden. Solche Systeme müssen vor einem Abschalten,
sei dieses gewollt oder unbeabsichtigt, heruntergefahren werden.
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Stromversorgungen
für solche
Computersysteme werden oft mit großzügig dimensionierten Zwischenkreiskondensatoren
ausgestattet, sodass sich kurzfristige Netzspannungseinbrüche, z.
B. im Zehntelsekundenbereich, nicht bemerkbar machen. Zur Überbrückung längerer Spannungsunterbrechungen
dient eine von Akkumulatoren gespeiste Überbrückungsstromversorgung, welche
bei Netzausfall das Computersystem aus den Akkumulatoren speist.
Dadurch kann für
eine Überbrückungszeit, die
von der Akkumulatorkapazität
bzw. von Sicherheitsanforderungen abhängt und üblicherweise im Bereich bis
zu mehreren Minuten liegt, der Betrieb aufrechterhalten werden und
diese Zeit lässt
sich dazu nutzen, das System herunterzufahren.
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In
dem Artikel 'USV-Controller
an Computer': Netzausfall,
EET 2/1989, S. 24–26
ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) beschrieben, die
bei einem längeren
Netzausfall ein „Systemfail"-Signal an das System
sendet, das dann eine automatische Datensicherung durchführt und
ein OK-Signal an
die USV sendet, woraufhin diese dann abschaltet.
US 5,923,099 beschreibt einen Backup-Controller;
der für
eine ähnlich
ablaufende Shutdown-Abfolge sorgt. Weitere Lösungsansätze unterbrechungsfreier Stromversorgungen
sind in
DE 44 17 924
A1 ,
DE 44
02 716 A1 und
DE
690 31 716 T2 dargestellt.
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Eine
Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Stromversorgung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die auf flexible Weise einerseits ein Überbrücken eines
Netzausfalls ermöglicht
und andererseits im Bedarfsfall ein Herunterfahren des Systems auslöst, wobei
trotz einer einfachen Anpassungsmöglichkeit an Netzgegebenheiten,
Akkumulatorkapazitäten
und Sicherheitsanforderung der Aufwand gering bleiben soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
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Zufolge
der zwei Timer mit ihren wählbaren Ablaufzeiten
ergibt sich eine hohe Flexibilität,.
wodurch die Stromversorgung ohne erhebliche Kosten sehr unterschiedlichen
Anforderungen gerecht werden kann.
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Eine
einfache Aktivierungsmöglichkeit
der Überbrückungsstromversorgung
ohne eigene Spannungsüberwachung
ist möglich,
falls die Basisstromversorgung zur Abgabe eines Ausfallsignals bei Spannungseinbrüchen eingerichtet
ist.
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Des
Weiteren ist es aus Sicherheitsgründen zweckmäßig, falls das System dazu
eingerichtet ist, bei mehreren innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne
auftretenden Änderungssignalen
das Herunterfahren auszulösen.
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Weiters
ist es empfehlenswert, falls die Steuerlogik dazu eingerichtet ist,
auf das Ein- und Ausschalten von Akkumulatoren der Überbrückungsstromversorgung
bzw. die Dauer von Teilentladungen der Akkumulatoren Bezug nehmende
Informationssignale an das abschaltkritische System zu liefern und dieses
zur Speicherung und Verarbeitung solcher Signale zur Lieferung eines
Ladungsabbildes der Akkumulatoren eingerichtet ist.
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Die
Erfindung samt weiterer Vorteile ist im Folgenden anhand einer beispielsweisen
Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigen
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1 ein
auf das Wesentliche vereinfachtes Blockschaltbild einer Stromversorgung
nach der Erfindung und
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2 die
Darstellung verschiedener Zustände
und Signalabläufe
der Stromversorgung in einem Zeitdiagramm.
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1 zeigt
eine Basisstromversorgung BSV, die an ein Stromnetz SNE, beispielsweise
ein übliches
Wechselstromnetz, angeschlossen ist. Die Basisstromversorgung BSV
soll ein abschaltkritisches System AKS speisen, beispielsweise einen
PC mit einer Software bzw. einem Betriebssystem, die (das) vor dem
Abschalten ein Herunterfahren des Computers zum Zwecke der Datensicherung
erfordert.
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Die
Ausgangsspannung Uab der Basisstromversorgung,
die z. B. 5 Volt beträgt,
wird dem System AKS zugeführt
und ist an dessen Eingang mit Uas bezeichnet,
da sie auch Ausgangsspannung einer Überbrückungsstromversorgung UBS ist.
Der Aufbau einer Basisstromversorgung BSB ist dem Fachmann ebenso
bekannt, wie jener einer Überbrückungsstromversorgung
UBS und muss daher nicht näher erläutert werden.
Wesentlich ist, dass die Versorgungsspannung Uas bei
Störung,
z. B. des Netzes SNE, ohne Unterbrechung eine bestimmte Zeitdauer hindurch
konstant aufrecht erhalten wird, wobei bei Auftreten länger dauernder
Stromausfälle
die Möglichkeit
zum Herunterfahren des Systems AKS bestehen muss.
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Die Überbrückungsstromversorgung
UBS enthält
neben einer Schaltung zur Ladung ihrer Akkumulatoren AKK auch eine
Steuerlogik STL, bzw. ist eine solche Steuerlogik der Stromversorgung
UBS zugeordnet. In der Steuerlogik STL sind zwei Timer TM1, TM2
vorgesehen bzw. eingerichtet, die bis zu vorgegebenen Zeiten zählen und
dann ein entsprechendes Timer-Signal tm1, tm2 abgeben können. Die vorgebbare
Zeit für
den ersten Timer TM1 wird mit t1 bzw. im Folgenden als Stützzeit t1
bezeichnet, die vorgebbare Zeit für den zweiten Timer TM2 wird
mit t2 und im Folgenden als Pufferzeit t2 bezeichnet. Die beiden
Zeiten t1, t2 können
beispielsweise über
Timereinstellsignale st1, st2 vorgegeben werden.
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Die
Steuerlogik STL erhält
im vorliegenden Fall bei Störungen
in der Basisstromversorgung BSU jedes Mal ein Ausfallsignal pof,
doch könnte
dieses Signal auch anders gewonnen werden, beispielsweise durch
eine gesonderte Spannungsüberwachungsschaltung.
Die Steuerlogik STL kann mit dem eigentlichen Stromversorgungsteil
SVT in einem gewissen Umfang kommunizieren, was durch eine Leitung
ltg angedeutet ist. Sie kann weiters jedes Mal dann ein Änderungssignal
int an das System AKS abgeben, wenn ein Zustandswechsel, insbesondere
der Timer stattfindet. Die Änderungssignale
int können
auch als Interruptsignale für
ein Herunterfahren des Systems AKS verwendet werden, bzw. es kann
aus den Änderungssignalen
ein solches Interruptsignal abgeleitet werden, was weiter unten
erläutert
wird. Seitens der Steuerlogik STL können auch diverse Informationssignale
sts an das System AKS geliefert werden, insbesondere auf die Häufigkeit
und Dauer der Akkumulatorenentladung bezogene Informationen.
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Im
Folgenden soll unter Bezugnahme auf 2 die Stromversorgung
nach der Erfindung näher
erläutert
werden. Im Hinblick auf den sehr geringen Spannungstoleranzbereich,
in dem Mikroprozessorsysteme betrieben werden können, wird die Überbrückungsstromversorgung
UBS nicht von einer Eingangsspannungsüberwachung gesteuert, sondern von
einem Ausfallsignal pof, welches als binäres Signal von der vorgeschalteten
Basisstromversorgung BSV geliefert wird. Wenn man einen höheren Aufwand
in Kauf nehmen möchte,
kann natürlich
auch eine Überwachung
von Spannungen vorgesehen sein, welche entsprechende Steuersignale
für die
unterbrechungsfreie Stromversorgung liefert.
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Von
der Basisstromversorgung BSV, welche eine Spannung Uab,
liefert, wird vorausgesetzt, dass kurzzeitige Spannungseinbrüche, die
beispielsweise aufgrund eines instabilen/verseuchten Netzes oder eines
Motoranlaufes, etc. auftreten können,
gestützt werden.
Dies ist in 2 links oben gezeigt, wo die Eingangsspannung
Ue für
eine Zeit ta < tu
ausfällt, wobei
mit tu die Überbrückungszeit
bezeichnet wird. Ein solcher Ausfall hat, wie man in der Zeile darunter sieht,
keinen Einbruch der Ausgangsspannung UAB der Basisstromversorgung
BSV zur Folge. Es werden auch weder der Timer TM1 noch der Timer
TM2 ausgelöst.
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Wenn
es jedoch zu längerfristigen
Spannungsabfällen
kommt, so muss auf jeden Fall dem abschaltkritischen System AKS
signalisiert werden, dass von der Basisstromversorgung auf die Überbrückungsstromversorgung
UBS umgeschaltet wird, und dabei sind folgende Fälle zu unterscheiden.
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Die
Eingangsspannung Ue ist innerhalb einer Zeit
t1, welche die durch den Timer TM1 vorgebbare Stützzeit ist, wieder verfügbar. In
diesem Fall geht die gesamte Stromversorgung wieder in den Normalbetrieb über. Dies
ist gleichfalls in dem Diagramm nach 2 ersichtlich,
wo nach Ausfall der Eingangsspannung Ue innerhalb
einer Zeit tr (Reservezeit) die Ausgangsspannung Uab der
Basisstromversorgung BSV auf Null sinkt und dementsprechend ein
Interruptsignal int durch die Steuerlogik STL an das System AKS abgegeben
wird. Da jedoch innerhalb der Zeit t1, die durch
den Timer TM1 gegeben ist, die Eingangsspannung Ue wieder
auftritt, liegt nach einer Anlaufzeit t1 wieder die Ausgangsspannung
Uab der Basisstromversorgung BSV vor, das
Ausfallsignal pof geht wieder in seine Ausgangsstellung und ein
Interruptsignal int wird erneut durch die Steuerlogik STL abgegeben.
Der Timer TM1 ist abgelaufen und geht gleichfalls in seine Ausgangsstellung
zurück,
wogegen der Timer TM2 überhaupt
nicht gestartet wurde.
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Falls
jedoch – dies
ist der dritte im Diagramm nach 2 dargestellte
Fall – die
Eingangsspannung Ue innerhalb der Zeit t1
nicht mehr verfügbar
ist, d. h. ta > t1,
beginnt nach Ablauf dieser Zeit t1, die durch den Timer TM1 vorgegeben
ist, auch der Timer TM2 zu laufen, wobei nach Ablauf der Zeit t1
auch ein entsprechendes Interruptsignal int an das abschaltkritische
System AKS abgegeben wird, das nun innerhalb einer Zeit tT, der Herunterfahrzeit, herunterfährt, wobei
ein Spielraum von tT verbleibt, bis auch
die Überbrückungsstromversorgung
UBS ihren Betrieb einstellt. Dazu ist anzumerken, dass im Hinblick
auf die vorhandene Kapazität
der Akkumulatoren AK – es kann
sich natürlich
auch um einen einzigen Akkumulator handeln – die Überbrückungsstromversorgung UBS nur
eine begrenzte Zeit ihre Ausgangsspannung Uas liefern
soll, wobei auch Sicherheitsüberlegungen
bei häufigeren
Netzausfällen,
etc. zum Tragen kommen.
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Bei
praktischen Ausführungsbeispielen
sind die Timerzeiten t1 und t2 der Timer TM1 und TM2 einstellbar,
z. B. mittels Schaltern, wodurch sich eine hohe Flexibilität ergibt.
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Zum
Auslesen von Betriebszuständen
wird nach dem Stand der Technik oft eine serielle Schnittstelle
zur Verbindung mit einer Auswerte-Zentraleinheit vorgesehen. Im
Sinne einer kostengünstigen
Realisierung der Stromversorgung sollte jedoch auf eine solche Schnittstelle
verzichtet werden und die Signalisierung durch Interrupt-Erzeugung
bzw. unter Zuhilfenahme von Statusausgängen erfolgen. Bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel
gibt die Steuerlogik STL beispielsweise bei jedem Zustandswechsel der Überbrückungsstromversorgung
UBS ein Änderungssignal
int an das abschaltkritische System AKS, in welchem diese einlangenden Änderungssignale überprüft werden,
und beispielsweise ein Änderungssignal
int als Interruptsignal für
das Herunterfahren ausgewertet und bewertet wird, falls nicht nach
Einlangen dieses Signals innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne
t1' ein weiteres Änderungssignal
eintrifft. Diese Zeitspanne t1' kann
eine durch einen Softwaretimer in dem System AKS vorgegebene Zeit sein,
wobei dieser Softwaretimer parallel zu dem Timer TM1 der Steuerlogik
gestartet wird und nur sichergestellt werden muss, dass der in dem
Softwaretimer eingestellte Wert t1' für
die Stützzeit
immer kleiner ist als der durch den Timer TM1 festgelegte Wert t1.
Dadurch wird nämlich
erreicht, dass es im Zweifelsfall zu keinen undefinierten Zuständen kommt, sondern
die Software des abschaltkritischen Systems AKS dieses auch in diesen
Fällen
herunterfährt.
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Wenn
unmittelbar hintereinander mehrere Eingangsspannungsunterbrechungen
auftreten, so dass auch weitere Interrupt bzw. Änderungssignale int erzeugt
werden, so sollte dies die Überwachungssoftware
als Fehlerfall ansehen und ein Herunterfahren einleiten.
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Da
die Zeiten der Timer TM1 und TM2 in der Regel im höheren Sekundenbereich
liegen, können an
Eingängen
der Steuerlogik liegende Signale, welche auf die Aktivität der Timer
Bezug nehmen, ohne weiteres auch zyklisch abgefragt werden. Ganz
allgemein können
sämtliche
zur Verfügung
stehende Signale gepolt werden.
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Nochmals
auf 2 zurückkommend
ist dort in der letzten Zeile mit NB der Normalbetrieb und mit UB
der unterbrechungsfreie Betrieb mit Versorgung durch die Stromversorgung
UBS bezeichnet. In Zeile 2 ist mit t die Pufferzeit bezeichnet und
mit tL die Anlaufzeit, sowie mit tH die Hochlaufzeit.