DE2031744C - Schaltungsanordnung zur unter brechungsfreien Speisung eines Ver brauchers mit elektrischer Energie - Google Patents

Description

Stand der Technik

In der Technik gibt es Situationen, in denen der Betrieb bestimmter Geräte oder Anlagen unter keinen Umständen unterbrochen werden darf. Dies gilt unter anderem beispielsweise für Speicher von Elektronenrechnern. Eine Stromunterbrechung hätte möglicherweise den Verlust Jes gesamten Speicherinhaltes zur Folge. In solchen Anlagen sind deshalb Einrichtungen notwendig, welche die Fortführung des Betriebes sicherstellen trotz Schwankungen der Versorgungsspannung oder totalem Stromausfall.

Im Laufe der Zeit sind viele solche Einrichtungen und Schaltungen bekanntgeworden. Erwünschte Eigenschaften sind Einfachheit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit. Sind in der Einrichtung Batterien als Hiltsstromquellen vorgesehen, so muß auch an das Wiederaufladen derselben gedacht werden. Die Verwendung gewöhnlicher elektrischer Schalter in Reihe mit einem Verbraucher und einer Stromquelle fällt wegen der meist großen zu schaltenden Ströme sowie wegen zu langer Schaltzeit außer Betracht.

In der am 18. 10. 1951 ausgelegten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen F 6092, Klasse 21 a4, Gruppe 35, ist bereits eine einfache Schaltungsanordnung für eine Notstromquelle, in diesem Fall eine Hilfsbatterie, beschrieben, die mit einem Pol mit dem Verbraucher und einer Speiseleitung fest verbunden ist, während der andere Pol an den mittleren Umschaltkontakt eines in der Netzspeiseleitung liegenden Relais angeschlossen ist. Bei vorhandener Netzspannung ist das Relais durch den Laststrom erregt und schaltet über seinen Umschaltkontakt die Batterie einpolig an ein Lade-Netzteil. Beim Ausfall der Netzstromversorgung fällt das Relais ab und schaltet mit seinem Umschaltkontakt die Batterie an die Speiseleitung. Um auch währe»A der Relaisumschaltzeit eine Energieversorgung zu gewährleisten, ist parallel zur Last ein Kondensator iehr großer Kapazität oder eine Kondensatorbatterie geschaltet.

Um diese große und *euere Überbrückungskapazitat auf ein Mindestmaß zu reduzieren, und um die Schaltanordnung im Störungsfalle flinker zu machen, wurde in der vorstehend erwähnten Patentanmeldung eine verbesserte Schaltungsanordnung vorgeschlagen, bei der der Überbrückungskondensator eine kleinere Kapazität aufweisen kann. An Stelle eines Relais liegt bei dieser Schaltungsanordnung in einer Netzspeiseleitung ein Transformator, und statt des Relais-Umschaltkontaktes ist wenigstens eine gasgefüllte Röhre

(Thyratron) vorgesehen, deren Kathode serial mit einer Ansprechwicklung eines Relais, das noch eine Haltewicklung aufweist, verbunden ist und deren Anode mit dem einen Pol der Batterie Verbindung hat. Der Haltezweig des Relais liegt parallel zur Leitstrecke der Röhre, und er enthält einen Haltekontakt und außerdem einen Abschaltkontakt eines Relais, das als Rückstellglied dient. Beide Wicklungen des Relais sind mit einem Ende mit einer Netzspeiseleitung verbunden. Beim Ausfall der Netzenergie erzeugt der Transformator einen kurzen Zündimpuls, der die Röhre eine kurze Zeit, die etwas länger ist als die Ansprechzeit des Relais, in den Leitzustand schaltet. Dadurch wird das Relais über seine Ansprechwicklung erregt und es hält sich über seinen jetzt geschlossenen Haltekontakt so lange, bis die Netzspannung wiederkehrt, durch die das Rückstellglied erregt wird, dessen Abschaltkontakt d^nn kurz öffnet, wodurch das Überbrückungsreiais abfällt.

Diese bekannte, vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung hat z. B. die Nachteile, daß die Rohre und das Relais in der Unsicherheitsphase arbeiten, d.h., daß di Röhre leitend wird, während die angelegte Heizung und Spannung abgeschaltet wird, daß auch eine Unsicherheit zwischen der Relaisansprechzeit und dem Leitzustand der Röhre besteht und daß die Toleranzen nachteilig die Funktion und das Zusammenwirken zwischen Röhre und Relais beeinflussen können. Wenn der Netzverbraucherstrom schwankt, ergeben sich verschiedene Zündimpulse am Transformator. Auch Unterschreitungen der Netzspannung vom Sollwert werden bei dieser Scnaltungsanordnung nicht erfaßt. Nachteilig ist außerdem, daß immer noch ein Kondensator zur Lieferung der elektrischen Energie benötigt wird, so lange, bis durch Jie Erregerwicklung der volle Verbraucherstrom fließt. Die beiden Relaiswicklungen weisen eine Induktivität und einen Widerstand auf und bewirken somit zeitliche und Leistungsverluste, und sie müssen deshalb, um letztere klein 7U halten, in kräftiger Ausführung hergestellt sein.

Nachteilig und zusätzliche Kosten verursachend ist ebenfalls, daß in dieser bekannten Schaltungsanordnung ein separates Netzgerät zur Ladung der Batterie erforderlich ist und daß dieses dauernd angeschaltet ist.

Auch d'ese modifizierte Schaltungsanordnung weist somit noch eine Anzahl von Nachteilen und Mängeln auf, durch die sie nur für bestimmte Verwendungszwecke, z. B. in der Fernmeldetechnik, geeignet ist, jedoch nicht für die neuzeitliche Energieversorgung als Hilfsenergiequelle im Störungsfall beim Ausfall eines Speisenetzes, insbesondere von Anlagen und Geräten, z.B. Computern und Steuerungsanlagen oder Raumfahrtgeräten, wo höchste Zuverlässigkeit, geringstes Gewicht und kleines Volumen sowie billige Herstellungskosten gefordert werden.

Aufgabe

Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Speisung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie zu schaffen, welche die vorgenannten Bedingungen erfüllt und die auch nachträglich noch an vorhandene Stromversorgungsanlagen von Datenverarbeitungsgeräten, Steuerungs- oder Regelanlagen oder Sicherheitsschaltungen usw. angeordnet werden kann, die außerdem in Massenfertigung herstellbar ist und so ausgelegt ist, daß keine Toleranzeinflüsse wie in den bekannten Schaltungsanordnungen die Funktionssicherheit beeinträchtigen und die außerdem kein zusätzliches Netzgerät zur Ladung der Hilfsbatterie benötigt.

Vorteile

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in ίο der Lage, alle die verschiedenen Bedingungen zu erfüllen, und sie kann außerdem in einfacher Weise bereits bestehenden Stromversorgungsanlagen beigefügt werden. Sie ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Erläuterung der Erfindung

Die Zeichnung zeigt ei Schaltschema, teils in Blockform, teils in detaillierter Aufzeichnung, der Anordnung zum Anschließen einer Hilfsspeise-

quelle 4 an einen Verbraucher 7, wenn die Leistung der üblichen Stromversorgungsquelle ausfällt, die Hastens das Drehstrom- oder Wechselstromnetz ist, ,aber auch eine Gleichstromverteilungsanlage sein kann; oder wenn diese Stromversorgungsquelle Span-

a5 nungseinbrüche oder starke unzulässige Schwankungen zeigt, welche diesen Verbraucher 7 in seinem Betrieb stören. Der Verbraucher? kann beispielsweise der Speicher eines Elektronenrechners oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Schaltungsanordnung 1

besitzt zwei Anschlußleitungen 8 und 9 und umfaßt

eine Batterie 10, eine Abfühlschaltung und erste und

zweite Schaltmittel, welche die Batterie 10 an den Verbraucher 7 schalten können.

Gemäß der gezeigten Figur umfaßt die Stromver-

sorgungsanlage 1 ein Netzteil 2, das Gleichrichter und Filter enthält, einen Spannungsregler 3 und eine Hilfsspeisequelle 4, die im Schaltbild gestrichelt umrandet ist. Der Netzteilblock 2 mit dem Gleichrichter und Filter wird wie üblich aus dem Wechselstromnetz gespeist, was am Eingang durch ein entsprechendes Wechselstromsymbol angedeutet ist. Am Ausgang des Netzteils 2 erscheint über den Anschlußklemmen 5 und 6 die benötigte Gleichspannung als Speisespannung E₁. An die Art des Netzteiles 2 sind keiner-

lei Bedingungen gebunden. Es kann beliebig, in jeder üblichen und bekannten Art gewählt werden. So kann der Gleichrichter im Netzteil 2 eine einfache Zweiweg-Brückenschdltung sein, die an einen elektrolytischen Ladekondensator angeschlossen ist, der seinerseits gleichzeitig ein Teil des Filters ist. Der Ausgang des Netzteilblocks 2 ist, wie bereits erwähnt wurde, mit dem Spannungsregler 3 verbunden, der eine konstante Gleichspannung an den Verbraucher 7 abgibt, der hier lediglich als Widerstand dargestellt ist. Auch

die Reglerschaltung 3 kann beliebig und bekannt sein.

Der Block 4, der als Hilfsspeisequelle dient, ist über die Leitungen 8 und 9 an die Klemmen 5 bzw. 6 angeschlossen. W enn der Eingangswechselstrom aus-

fällt oder schwankt oder wenn die Gleichspannung E₁ aus irgendeinem Grund unter den Wert der Gleichspannung E₂ einer als Hilfsspeisequelle dienenden Batterie 10 fällt, dann liefert diese Batterie 10 der Hilfsspeisequelle die nötige Energie, damit der Span-

nungsregler 3 ohne Unterbrechung weiterarbeiten kann.

Die gesamte Hilfsspeisequelle in Block 4 besteht aus der aufladbaren Batterie 10, einem sättigbaren

Schalttransistor 11 als erste Schaltmittel, einem Abfühltransistor 12, einem gesteuerten Siliziumgleichrichtcr 13 als zweite Schaltmittel, der auf Spannungsänderungen des Abfühltransistors 12 anspricht, so daß die Batterie 10 an die Klemmen 5 und 6 geschlossen wird, ohne daß der Verbraucher? einer Spannungsschwankung ausgesetzt wird.

Der negative Pol der Batterie 10 ist über die Leitung 9 mit der Anschlußklemme 6 verbunden. Der positive Pol der Batterie 10 liegt am Emitter des sättigbaren Schalttransistors 11, welcher in der gezeigten Schaltung vom PNP-Typ ist. Der Kollektor des Schalttransistors 11 ist über die Leitung 8 an die Klemme 5 gelegt und gleichzeitig über einen normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 14 mit der Basis des Abfühltransistors 12 verbunden. Auch dieser ist in der abgebildeten Schaltung vom PNP-Typ. Der Emitter des Abfühltransistors 12 steht in direkter Verbindung mit jenem des Transistors 11. Die Basis des Schalttransistors 11 ist nun über einen Widerstand 15 an den Emitter desselben gelegt, worüber noch folgendes zu sagen ist. Die Basis des Schalttransistors 11 liegt auch am gesteuerten Siliziumgleichrichter 13, dessen anderer Anschluß über einen Widerstand 16 und einen normalerweise ebenfalls geschlossenen Schaltkontakt 17 mit dem negativen Pol der Batterie 10 verbunden ist. Die Steuerelektrode des Siliziumgleichrichters ist an einen Widerstand 18 und dessen anderes Hnde an den Kollektor des Abfünltransistors 12 geschlossen.

Wenn nun der Netzteil 2 eine Speisespannung E₁ an die Anschlußklemmen 5 und 6 liefert, dann steht der positive Anschluß S über Leitung 8 und Schaltkontakt 14 auch mit der Basis des Abfühltransistors 12 in Verbindung. Dessen Emitter liegt aber über Leitung 19 am positiven Pol der Batterie 10. Die Spannung E₂ der letzteren wird unter normalen Bedingungen kleiner oder gleich E₁ gewählt. Unter diesen Umständen ist der Abfühltransistor 12 gesperrt, denn seine Basis ist positiver als der Emitter, so daß kein Kollektorstrom fließen kann. Fällt jedoch die vom Netzteilblock 2 gelieferte Spannung aus irgendeinem Grunde unter den Wert der Spannung E₂, auf welchem der Emitter des Abfühltransistors 12 von der Batterie 10 über die Leitung 19 gehalten ist, dann ist der Emitter des Abfühltransistors 12 positiver als die Basis, und der Abfühltransistor 12 führt Strom. Dieser Kollektorstrom wird durch Widerstand 18 auf einen erwünschten Wert begrenzt und fließt zur Steuerelektrode 20 des Si-Gleichrichters 13. Dieser Steuerstrom schaltet den Si-Gleichrichter 13 ein, wodurch ein geschlossener Stroriipfad von der Basis des Schalttransistors 11 zum negativen Pol der Batterie

10 über den Widerstand 16 und den normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 17 geschaffen wird. Der Wert des Widerstandes 16 ist derart gewählt, daß der Gleichrichterstrom begrenzt ist, jedoch im Schalttransistor 11 Sättigung hervorruft und dennoch übermäßigen Leistungsver'ust und Erhitzung vermeidet.

Sobald der Si-Gleichrichter 13 Strom führt, wird der Emitter des Schalttransistors 11, welcher direkt mit dem positiven Pol der Batterie 10 verbunden ist, sehr viel positiver als die Basis, die über den Si-Gleichrichter 13 und Widerstand 16 mit dem negativen Pol derselben Batterie 10 in Verbindung steht. Der Sattigungsstrom, der durch den Schalttransistor

11 fließt, entspricht im wesentlichen einem Kurzschluß auf dieser Strecke. Unter diesen Umständen wird der positive Pol der Batterie 10 über den gesättigten Schalttransistor 11 und Leitung 8 wirksam an die Klemme 5 geschlossen. Der negative Batteriepol liegt ja bereits über Leitung 9 an der Anschluß-S klemme 6.

Wenn nun aber die Speisespannung E₁ erneut vom Netzteilblock 2 geliefert wird oder wenn die Hilfsspcisequelle 4 abgeschaltet werden soll, dann werden die normalerweise geschlossenen Schalter 14 und 17

ίο geöffnet. Dadurch wird die Spannung von der Basis des Abfühltransistors 12 weggenommen, dieser schaltet aus und unterbricht gleichzeitig den Pfad, über welchen der Sattigungsstrom des Schalttransistors 11 floß. Der Schaltkontakt 17 führt nur den Basisstrom

is des Schalttransistors 11 und könnte je nach den an die Anordnung gestellten Anforderungen durch weitere Verstärkerstufen so abgeschirmt werden, daß er noch geringere Stromwerte schaltet. Schalter 14, der übrigens mit Schalter 17 gekoppelt werden kann, '.m-

ao tcrbricht also den Leitungsweg von der Batterie 10 zum Verbraucher 7, wenn die Hilfsspeisequcllc 4 abgeschaltet wird.

Bisher ist der Widerstand 15 nicht erwähnt worden, der zwischen Basis und Emitter des Schalttransi-

as stors 11 liegt. Durch das Vorhandensein des Widerstandes 15 werden zusätzlich folgende Betriebsbedingungen geschaffen. Wenn die Speisespannung E₁ aus dem Netzteilblock 2 die Spannung der Batterie 10 um 1 Volt oder mehr übersteigt, dann wirkt Her Schalttransistor 11 wie ein PNP-Halbleiter nach der verkehrten Richtung. Wegen des Widerstandes 15 wird jetzt die bisherige Kollektor-Basis-Strccke zur neuen Emitter-Basis-Strecke mit Vorspannung in Durchlaßrichtung. Von da an wirkt der Schalttransistor 11 als Konstantstromquelle, welche die Batterie 10 auflädt. Der Betrag des fließenden Aufiadestromes hängt von der Verstärkung in der umgekehrten Richtung und vom Wert des Widerstandes 15 ab. Außerdem bewirkt der Widerstand 15 auch eine Verminderung des

Kollektorstromes im Abschaltpunkt, wenn die gesamte Anordnung außer Retrieb gesetzt wird.

Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, daß diese Hilfseinrichtung 4 in der Lage ist, extrem rasch zu schalten. Das Abfühlen sowie die Energiezufuhr erfolgi nur über zwei Anschlußpunkte. Zudem wird die Batterie 10 nachgeladen, wenn deren Spannung E₂ unter jene des Netzteilblocks 2 fällt und schließlich sind Mittel vorgesehen, welche wirksam abschalten und so eine weit bessere Trennung der Batterie 10 im Vergleich zu einer solchen Schaltung bewirken, in dei nur eine Diode zur Trennisclierung der Batterie benutzt wird.

Bezüglich der verwendeten Transistoren sei hiei noch festgestellt, daß die PNP-Typen auch geger NPN-Type ausgewechselt werden können. Jedenfalls ändert sich praktisch nichts an der Funktion des Abfühltransistors 12 und der Funktion des Schalttransi stors 11. Die nachfolgende Aufstellung gibt Auf Schluß über Einzelteile und deren Werte, die mit Er folg in einer Versuchsanordnung verwendet wurden

10 Batterie, Spannungssollwert 10 Volt

11 Schalttransistor, Solitron DA3 F3

12 Abfühltransistor, 2 N 3644

13 gesteuerter Si-Gleichrichter, GE C-15

15 Widerstand, 47 Ohm Vx Watt

16 Widerstand, 10 Ohm 20 Watt
18 Widerstand, 470 Ohm Vz Watt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

. 2 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Speisung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie, die beim Ausfall oder bei Unterschreitung des Sollwertes der vom Netz gelieferten Speisespannung selbsttätig durch ein von einem Abfühlmittel gesteuerten ersten Schaltmittel wenigstens den einen Pol einer Batterie an den einen Anschluß des Verbrauchers schaltet, während der andere Pol fest mit dem anderen Verbraucheranschluß verbunden ist, und daß wenigstens ein Rückstellglied vorgesehen ist, durch das bei Wiederkehr der Netzspannung die Schaltungsanordnung in die Ausgangsstellung schaltbar ist, dadurj.t gekennzeichnet, daß das erste Schaltmittel ein beim Nelzspannungsausfall in den Sättigungsbereich schaltbarer Leistungstransistor (U) ist, daß das Abfühlmittel (12) eine an der Netz- und Batteriespannung liegende Spannungsvergleicherschaltung ist, die im Störungsfalle ein Signal erzeugt, durch das ein zweites Schaltmittel (13, 20) die Basis des Leistungstransistors an den fest mit dem Verbraucheranschluß

(6) verbundenen Pol der Batterie (10) schaltet, und zwar so lange, bis ein im Basisschaltkreis des Leistungstransistors angeordnetes Rückstellglied (17) die Verbindung unterbricht, und daß die Aufladung der Batttrie über den Leistungstransistör erfolgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungstransistor (U) vorgesehen ist, dessen Emitter (E) mit dem positiven an den Anschluß (5) des Verbrauchers

(7) schaltbaren Pol der Batterie (10) verbunden ist und daß dessen Kollektor (C) mit dem Verbraucheranschluß (5) und dessen Basis (B) mit dem zweiten Schaltmittel (13) und daß der negative Pol der Batterie fest mit dem Verbraucheran-Schluß verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach ein~m der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Abfühlmittel (12) dienende Spannungsvergleicherschaltung aus einem Tiansistor besteht, dessen Emitter (E) mit dem positiven Pol der Batterie (10), dessen Basis (B) mit dem Verbraücheranschluß (5) und dessen Kollektor (C) mit dem Steuerungsanschluß (20) des zweiten SchaltnvUels (13) verbunden ist, und daß dieser Transistor nur leitend ist, wenn die Netzspeisespannung kleiner als die Sollspeisespannung (E 1) ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltmittel (13) ein gesteuertes Gleichrichterelement (SCR) ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Basisschaltkreisen des Leistungstransistors (11) und des Transistors im Abfühlglied (12) jeweils ein Rückstellglied (17, 14) angeordnet sind und daß diese bei einer Energieversorgung durch das Netz oder durch die Batterie leitend sind und nur nach Wiederkehr einer ausgefallenen Netzspannung kurz öffnen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellglieder (14, 17) Schaltkontakte eines von einem Regler

(3) gesteuerten Relais oder eines manuell betätigbaren Schalters sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ladung dei Batterie (10) die Basis des Leistungstransistors (11) über einen Widerstand (15) so verbunden ist, daß der Ladestrom wenigstens dessen in Durchlaßrichtung vorgespannten PN-Übei»ang durchfließt, wenn die Netzspeisespannung etwas größer als die Batteriespannung (E 2) ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese auf der Netzeingangsseite eines vor dem Verbraucher (7) angeordneten Reglers (3) angeschlossen ist.