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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Leistungsbegrenzung
einer elektronischen Baugruppe, mit einer Energieversorgungs-Einheit,
mit einer Spannungserhöhungs-Einheit
und mit einer Leistungsbegrenzungs-Einheit, die an die Ausgangsleitung
zwischen der Spannungserhöhungs-Einheit
und der elektronischen Baugruppe angeschlossen ist. Eine solche
Schaltungsanordnung wird z. B. als Bewegungs- oder Totmannmelder bei
Feuerwehrleuten eingesetzt.
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Bei
einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art zur Bewirkung eines
Explosionsschutzes für
den Fall einer Überspannung
besteht die Leistungsbegrenzungs-Einheit aus einem in die Ausgangsleitung
zwischen der Spannungserhöhungs-Einheit
und der elektronischen Baugruppe eingeschalteten Widerstand als
Strombegrenzungselement und zwei zwischen der Ausgangsleitung und der
Masse eingeschalteten, parallel geschalteten Zenerdioden als Spannungsbegrenzungselemente. Diese
bauen eine von der Spannungserhöhungs-Einheit
im Fehlerfalle erzeugte Überspannung
durch Wärme
ab, die nur aufwändig
abgeführt
werden kann. Die Zenerdioden arbeiten als Überspannungsschutz- bzw. Spannungsbegrenzungselemente
zu ungenau und sind als passive Bauelemente groß und teuer in der Herstellung.
Außerdem
kann eine der Energieversorgungs-Einheit
nachgeschaltete Sicherung durchbrennen und damit die Schaltungsanordnung
außer
Funktion setzen, so dass die zugeordnete elektronische Baugruppe
nicht mehr mit Energie versorgt werden kann. Die bekannte Schaltungsanordnung
hat durch die Zenerdioden Funktionseinschränkungen für die elektronische Baugruppe,
bei Batteriebetrieb eine reduzierte Betriebszeit wegen ihrer elektrischen
Verlustleistung und ein daraus resultierendes schlechtes dynamisches
Verhalten.
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Der
Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der gattungsgemäßen Art
zur Leistungsbegrenzung einer elektronischen Baugruppe zu schaffen,
bei der diese Nachteile behoben sind.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die Leistungsbegrenzungs-Einheit mindestens
einen Spannungsdetektor zur Ermittlung einer Überspannung und zur Ausgabe
eines Schaltsignals beim Überschreiten
eines Schwellwertes der Überspannung
aufweist und dass in der Versorgungsleitung zwischen der Energieversorgungs-Einheit
und der Spannungserhöhungs-Einheit
mindestens ein mit dem Spannungsdetektor über eine Abschaltleitung verbundenes
Schaltelement vorgesehen ist, das zum Unterbrechen der Energieversorgung
zur elektronischen Baugruppe aufgrund eines Schaltsignals des Spannungsdetektors
beim Überschreiten
des Schwellwertes der Überspannung dient.
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Erfindungsgemäß wird die
zu begrenzende Spannung mit aktiven Bauelementen überwacht. Steigt
die Spannung über
einen definierten Schwellwert an, erfolgt eine Abschaltung der Energieversorgungs-Einheit.
Es kann ein enges Abschaltfenster vorgesehen werden. Es entfällt ein
hoher Energieumsatz. Eine der Energieversorgungs-Einheit nachgeschaltete
Sicherung spricht nicht an. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird die aus Sicherheitsbestimmungen über den Explosionsschutz resultierende
und erforderliche Begrenzung der Spannung in der Schaltungsanordnung
erfüllt, ohne
dass die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen auftreten.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
So weist erfindungsgemäß die Leistungsbegrenzungs-Einheit
zwei Spannungsdetektoren auf und in der Versorgungsleitung zwischen
der Energieversorgungs-Einheit und der Spannungserhöhungs-Einheit sind
zwei Schaltelemente in Reihe geschaltet und mit je einem Spannungsdetektor über je eine
Abschaltleitung verbunden. Damit wird eine für den Explosionsschutz erforderliche
doppelte Sicherheit erreicht.
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In
noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist jeder Spannungsdetektor
ein Bauelement mit interner Referenzquelle und einen Spannungsteiler
zur Realisierung des Schwellwertes auf. Ferner ist zwischen der
Energieversorgungs-Einheit und den Schaltelementen ein Verpolungsschutz
angeordnet.
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Schließlich sind
die Spannungsdetektoren als STM1061-Bauelemente und die Schalter und der Verpolungsschutz
als Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgebildet.
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Die
Erfindung ist nachfolgend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispieles
einer Schaltungsanordnung zur Leistungsbegrenzung einer elektronischen
Baugruppe näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Schaltungsanordnung gemäß dem Stand
der Technik,
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2 ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
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3 das
Ausführungsbeispiel
der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
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Die
Schaltungsanordnung gemäß dem Stand
der Technik nach 1 zur Leistungsbegrenzung einer
elektronischen Baugruppe 1 umfasst eine Energieversorgungs-Einheit 2 in
Form einer Batterie mit einer Abgabespannung von z. B. 3 V, eine
Spannungserhöhungs-Einheit 3 zur
Erzeugung einer höheren
Spannung von z. B. 5 V, eine Ausgangsleitung 4 zwischen
der Spannungserhöhungs-Einheit 3 und der
elektronischen Baugruppe 1, einen in die Ausgangsleitung 4 eingeschalteten
Widerstand 5 und zwei in von der Ausgangsleitung 4 abzweigende
Leitungen 6, 7 eingesetzte, parallel geschaltete
Zenerdioden 8, 9. Der Widerstand 5 und
die beiden Zenerdioden 8, 9 bilden eine Leistungsbegrenzungs-Einheit 10 zur
Strom- und Spannungsbegrenzung.
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Die
Zenerdioden 8, 9 bauen eine von der Spannungserhöhungs-Einheit 3 im
Fehlerfalle erzeugte Überspannung
durch Wärme
ab, die nur mit großem
Aufwand abgeführt
werden kann. Die Zenerdioden 8, 9 arbeiten als
Spannungsbegrenzungs- und Überspannungsschutzelemente
zu ungenau und sind als passive Bauelemente groß und teuer in der Herstellung.
Außerdem
kann eine der Energieversorgungs-Einheit 2 nachgeschaltete,
nicht dargestellte Sicherung durchbrennen und die Schaltungsanordnung
außer
Funktion setzen, so dass die elektronische Baugruppe 1 nicht
mehr mit Energie versorgt werden kann. Aufgrund der Verwendung von
Zenerdioden resultieren Funktionseinschränkungen für die angeschlossenen elektronische
Baugruppe, bei Batteriebetrieb eine reduzierte Betriebszeit wegen
einer elektrischen Verlustleistung und insgesamt ein schlechtes
dynamisches Verhalten.
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Zur
Behebung dieser Nachteile ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß den 2 und 3 vorgesehen.
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Das
Blockschaltbild nach 2 zeigt die elektronische Baugruppe 20,
insbesondere für
einen Bewegungs-/Totmannmelder für
Feuerwehrleute, welcher die explosionsgesicherte Schaltungsanordnung
zugeordnet ist. Diese besteht aus einer Energieversorgungs-Einheit 21,
zwei in einer Versorgungssleitung 22 in Reihe geschalteten
Schaltelementen 23, 24, einer Spannungserhöhungs-Einheit 25,
die über
eine Ausgangsleitung 26 mit der elektronischen Baugruppe 20 verbunden
ist, und einer Leistungsbegrenzungs-Einheit 27, die über eine
Spannungs-Rückführungsleitung 28 mit
der zur elektronischen Baugruppe 20 führenden Ausgangsleitung 26 und über zwei
Abschaltleitungen 29, 30 mit den Schaltelementen 23, 24 verbunden
ist. Die Leistungsbegrenzungs-Einheit 27 enthält zwei
in 2 nicht dargestellte parallel geschaltete Spannungsdetektoren 31, 32,
die mit jeweils einer der beiden Abschaltleitungen 29, 30 und
somit mit den Schaltelementen 23, 24 verbunden
sind.
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Die
von der Energieversorgungs-Einheit 21 in Form einer 3 V-Batterie
gelieferte Spannung wird von der Spannungserhöhungs-Einheit 25 auf
5 V erhöht
und der elektronischen Baugruppe 20 ohne Verluste zugeleitet.
Mit den parallel geschalteten, aktive Komponenten bildenden Spannungsdetektoren 31, 32 der
Leistungsbegrenzungs-Einheit 27 wird
die zu begrenzende Spannung überwacht.
Steigt diese über
einen definierten Schwellwert von z. B. 5,8 V an, so erfolgt eine
Abschaltung durch mindestens eines der Schaltelemente 23, 24 und
damit der Energieversorgungs-Einheit 21. Durch Verwendung
zweier Spannungsdetektoren 31, 32 in der Leistungsbegrenzungs- Einheit 27 wird
eine doppelte Sicherheit für
den Fall des Ausfalls einer der Spannungsdetektoren erreicht.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Leistungsbegrenzung der elektronischen Baugruppe 20 sind – wie im
Blockschaltbild nach 2 – die Energieversorgungs-Einheit 21 in
Form einer 3 V-Batterie, die Versorgungsleitung 22, die Ausgangsleitung 26,
die Abschaltleitungen 29, 30, die Spannungs-Rückführungsleitung 28,
die Schaltelemente 23, 24, die Spannungserhöhungs-Einheit 25 und
die Leistungsbegrenzungs-Einheit 27 mit den beiden Spannungsdetektoren 31, 32 vorhanden.
In den Leitungsabschnitt 22a der Versorgungsleitung 22 sind
zwischen der Energieversorgungs-Einheit 21 und den beiden
Schaltelementen 23, 24 zusätzlich ein Sicherungselement 33 und
ein Verpolungsschutzelement 34 eingesetzt. Der Leitungsabschnitt 22b der
Versorgungsleitung 22 verbindet das zweite Schaltelement 24 mit
der Spannungsverstärkungs-Einheit 25.
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Die
beiden Schaltelemente 23, 24 und der Verpolungsschutz 34 sind
als Feldeffekttransitoren (MOSFET) ausgebildet und mit den Drain-D-Anschlüssen und
den Source-S-Anschlüssen
mit der Versorgungsleitung 22 bzw. deren Leitungsabschnitten 22a, 22b verbunden.
Der Ground-G-Anschluss des Verpolungsschutzelementes 34 ist
mittels einer auch mit der Energieversorgungs-Einheit 21 verbundenen
Masseleitung 35 mit der Masse GND verbunden. Die Ground-G-Anschlüsse der
beiden Schaltelemente 23, 24 sind mit den zugehörigen Abschaltleitungen 29, 30 und
somit mit den Ausgängen
der beiden Spannungsdetektoren 31, 32 verbunden.
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Die
Spannungserhöhungs-Einheit 25 ist
zwischen einem Anschlusspunkt 36 in der Versorgungsleitung 22 und
einem Anschlusspunkt 37 in der Ausgangsleitung 26 zur elektronischen
Baugruppe 20 eingeschaltet. Die Spannungserhöhungs-Einheit 25 umfasst
einen Spannungsverstärker 38 vom
TYP NCP 1421, dessen Versorgungsspannungseingang BAT mit der Versorgungsleitung 22 und
dessen Ausgang OUT mit der Ausgangsleitung 26 verbunden sind.
Der Ausgang LX ist über
eine Induktivitäts-Spule 39 zur
Versorgungsleitung 22 zurückverbunden, welche über den
Anschlusspunkt 36 die Ausgangsspannung von 3 V von der
Energieversorgungs-Einheit 21 liefert. Die Spule 39 bewirkt
mittels ihrer Induktivität
zusammen mit dem als Schaltregler ausgebildeten Spannungsverstärker 38 die
Spannungserhöhung
auf die Arbeitsspannung von 5 V, die über die Ausgangsleitung 26 und
den Anschlusspunkt 37 der elektronischen Baugruppe 20 zugeführt wird.
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Eine
mit der Masse GND verbundene Ringleitung 40 verbindet einen
Kondensator C120 und zwei weitere Kondensatoren C124 und C125 sowie einen
Widerstand R123 und zwei weitere Widerstände R121 und R122 eines Spannungsteilers 45 mit
der Masse GND. Der Ein-/Aus-Schaltanschluß EN des Spannungsverstärkers 38 ist über den
Widerstand R123 mit der Ringleitung 40 und über den
parallel geschalteten Kondensator C121 mit der Masse GND verbunden.
Der Referenzspannungsausgang REF ist über einen Kondensator C122
mit der Ringleitung 40 verbunden. Der Masseausgang GND
ist an Masse GND gelegt. Der Feedbackausgang FB ist über einen Kondensator
C123 mit der Ausgangsleitung 26 verbunden. Der Spannungsteiler 45 aus
den Widerständen
R121 und R122 ist zwischen der Ausgangsleitung 26 und der
Ringleitung 40 geschaltet. Parallel zum Widerstand R121
ist der Kondensator C123 geschaltet. Der Spannungsteiler 45 dient
zum Einstellen der Ausgangsspannung von 5 V in der Ausgangsleitung 26 zur
elektronischen Baugruppe 20.
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Da
die Induktivität
der Spule 39 im Fehlerfalle auch eine wesentlich höhere Ausgangsspannung erzeugen
kann, als die vorgesehene Spannung von 5 V, ist die Leistungsbegrenzungs-Einheit 27 vorgesehen,
die über
die Spannungsrückführungs-Leitung 28 mit
dem Anschlusspunkt 37 in der Ausgangsleitung 26 zur
elektronischen Baugruppe 20 verbunden ist. Die Leistungsbegrenzungs-Einheit 27 umfasst
die beiden parallel geschalteten Spannungsdetektoren 31 und 32,
deren Abschaltleitungen 29 bzw. 30 mit den in
die Versorgungsleitung 22 eingesetzten Schaltelementen 23 bzw. 24 verbunden
sind. Die Spannungsdetektoren 31, 32 sind identisch
aufgebaut und werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.
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Jeder
Spannungsdetektor 31, 32 umfasst ein STM1061-Bauelement 41, 42,
dessen Ausgang OUT mit der Abschaltleitung 29, 30 verbunden
ist. Die Spannungsrückführungs-Leitung 28 ist über eine
Diode D105, D106 und einen aus den Widerständen R107, R124 bzw. R108 und
R109 bestehenden Spannungsteiler 43, 44 an die
Abschaltleitung 29, 30 geführt. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers 43, 44 ist
mit dem Betriebsspannungs-Eingang VCC des Bauelementes 41, 42 verbunden
und über
einen Kondensator C104, C107 mit dem Masse-Eingang GND und der Masse
GND verbunden. Zwischen der Diode D105, D106 und der Masse GND ist
ein weiterer Kondensator C104, C107 eingeschaltet.
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Die
Funktion des STM1061-Bauelementes 41, 42 ähnelt der
eines Komparators mit interner Referenzquelle. Die hier verwendete
Referenzspannung beträgt
3,8 V (STM1061-N38WX6F).
Deshalb ist der Spannungsteiler 43, 44 aus den
Widerständen R107,
R124 bzw. R108, R109 vorgesehen, um einen Schwellwert von größer 3,8
V zu realisieren. Zusätzlich
dienen die Widerstände
des Spannungsteiler 43, 44 als Pull-up Widerstände des
Open Drain Active-Low Output. Die Widerstände des Spannungsteiler 43, 44 sind
wie folgt dimensioniert: R107, R108 = 6,8 K und R109, R124 = 15
K. Die beiden Schaltelemente 23, 24 und das Verpolungsschutzelement 34 sind
als selbstsperrende p-Kanal MOSFETs (IRLMS6802) ausgebildet.
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Die
Ausgangsspannung des Spannungsverstärkers 38 muss aus
Gründen
der Explosionssicherheit der Schaltungsanordnung auf einen Maximalwert
von 5,8 V begrenzt werden. Dies wird mit dem Spannungsdetektor 31, 32 und
dem Schaltelement 23, 24 in der Versorgungsleitung 22 realisiert.
Steigt die Ausgangsspannung des Spannungsverstärkers 25 am Anschlusspunkt 37 über den
Schwellwert des Spannungsdetektors 31, 32, so
gibt dieser über
die Abschaltleitung 29, 30 ein Ausgangssignal
aus, welches das zugehörige
Schaltelement 23, 24 sperrt und die Versorgungsleitung 22 zum
Spannungsverstärker 38 unterbricht.
Dies hat zur Folge, dass die Ausgangsspannung des Spannungsverstärkers 38 wieder
sinkt.
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Zur
zusätzlichen
Sicherheit der Schaltungsanordnung gegen Überspannungen sind die beiden parallel
geschalteten Spannungsdetektoren 31, 32 vorgesehen,
die unabhängig
voneinander arbeiten. Damit wird eine für den Explosionsschutz erforderliche
doppelte Sicherheit für
die Schaltungsanordnung bewirkt. Die gesamte Schaltungsanordnung
ist in einer nicht dargestellten konkreten Ausführungsform vergossen.
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- 1
- elektronische
Baugruppe
- 2
- Energieversorgungs-Einheit
- 3
- Spannungserhöhungs-Einheit
- 4
- Ausgangsleitung
- 5
- Widerstand
- 6,
7
- Leitung
- 8,
9
- Zenerdiode
- 10
- Leistungsbegrenzungs-Einheit
- 20
- elektronische
Baugruppe
- 21
- Energieversorgungs-Einheit
- 22
- Versorgungsleitung
- 23,
24
- Schaltelement
- 25
- Spannungserhöhungs-Einheit
- 26
- Ausgangsleitung
- 27
- Leistungsbegrenzungs-Einheit
- 28
- Spannungsrückführungs-Leitung
- 29,
30
- Abschaltleitung
- 31,
32
- Spannungsdetektor
- 33
- Sicherungselement
- 34
- Verpolungsschutzelement
- 35
- Masseleitung
- 36,
37
- Anschlusspunkt
- 38
- Spannungsverstärker
- 39
- Induktionsspule
- 40
- Ringleitung
- 41,
42
- Bauelement
- 43,
44
- Spannungsteiler
- 45
- Spannungsteiler