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Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung eines
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Stromversorqunqsqerätes Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Regelung der Ausgangsspannung eines Stromversorgungsgerätes mit einem eine Abweichung
der Ausgangsspannung von einem Sollwert erfassenden und ein Regelsignal abgebenden
ersten Schaltungsteil, sowie mit einem eine Schutzeinrichtung bildenden zusätzlichen,
auf eine unzulässige Spannungsänderung ansprechenden zweiten Schaltungsteil.
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Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist beispielsweise durch die DE-OS
28 43 093 bekanntgeworden. Die erwähnte zusätzliche Schutzeinrichtung kann dabei
die Aufgabe haben, Schädigungen eines Verbrauchers durch eine Spannungserhöhung
zu verhindern, die durch eine Überschreitung des Regelbereiches entsteht. In dem
Fall eigensicherer Stromversorgungsgeräte wie man sie insbesondere in expolosions-
oder schlagwettergefährdeten Bereichen einsetzt kann aber, oder auch zusätzlich,
der Gesichtspunkt im Vordergrund stehen, den theoretischen Bereich eigensicherer
Ströme und Spannungen möglichst hoch auszunutzen, um leistungsfähigere eigensichere
Geräte betreiben zu können.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ansprechschwelle
der Schutzeinrichtung möglichst nahe an die normale Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes
zu legen, um damit zu erreichen, daß schon ein sehr geringes Überschreiten oder
Unterschreiten dieser normalen Ausgangsspannung die Schutzeinrichtung wirksam macht.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art durch die Gewinnung eines zur Ansteuerung des zweiten Schaltungsteiles dienenden
Signals aus einem an dem ersten Schaltungsteil auftretenden, gegenüber dem im normalen
Betrieb erzeugten Regalsignal charakteristisch erhöhten oder erniedrigten Spannungswert
gelöst. Hierbei wird ein Sprung verhalten des ersten Schaltungsteiles ausgewertet,
welches sich darin äußert, daß die Ausgangsspannung der Regelschaltungen beim Verlassen
des Regel bereiches annähernd den Wert der Betriebsspannung bzw. den Wert Null annimmt.
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Im Rahmen der Erfindung kann der erste Schaltungsteil einen Operationsverstärker
mit einem eine Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert erfassenden Kondensator
aufweisen und die Ausgangsspannung kann durch einen steuerbaren Halbleiter kurzschließbar
sein, für dessen Versorgung mit einer Zundspannung eine durch den charakteristisch
erhöhten oder erniedrigten Spannungswert steuerbare Zündschaltung vorgesehen sein.
Ein Operationsverstärker zur Gewinnung eines Regelsignals und ein die Ausgangsspannung
des Stromversorgungsgerätes kurzschließender Halbleiter sind auch bei der Schaltungsanordnung
nach der DE-OS 28 43 093 vorhanden, jedoch erhält der steuerbare Halbleiter hierbei
sein Steuersignal über eine Schwellwertdiode, deren Durchbruchspannung nicht beliebig
dicht an die normale Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes angepaßt werden
kann. Daraus ergibt sich eine unvermeidliche Toleranz im Ansprechen der Schutzeinrichtung
mit dem Erfordernis, den zulässigen Ausgangsstrom im Interesse der Sicherheit zu
beschränken.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines Stromversorgungsgerätes
mit stabilisierter und überwachter Ausgangsspannung.
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In der Figur 2 ist ein allgemein anwendbares Schaltungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt.
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Die Figur 3 zeigt die Anwendung einer Schaltungsanordnung nach Erfindung
bei einem insbesondere zum Einsatz im Untertagebergbau vorgesehenen eigensicheren
Stromversorgungsgerät.
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In dem Blockschaltbild gemäß der Figur 1 ist dargestellt, daß eine
unstabilisierte Eingangsspannung Ue mittels eines Stellgliedes S in eine stabilisierte
und überwachte Ausgangsspannung Ua umgewandelt wird. Hierzu erhält das Stellglied
S Steuersignale aus einem Verstärker V, dem als Eingangsgrößen einerseits die Ausgangsspannung
Ua und andererseits eine Referenzspannung Ur zugeführt werden. Die Ausgangsspannung
des Verstärkers V gelangt außerdem als Eingangsgröße zu einem weiteren Verstärker
Vü, der beim Überschreiten oder Unterschreiten einer zulässigen Ausgangsspannung
Ua einen Steuerbefehl für einen die Ausgangsspannung kurzschließenden Halbleiter,
beispielsweise den in der Figur 1 gezeigten Thyristor Th abgibt.
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Die Wirkungsweise der neuen Schaltungsanordnung im einzelnen wird
nun anhand der Figur 2 erläutert. Bei der hierin gezeigten Schaltungsanordnung liegt
an den Klemmen 1 und 2 eine unstabilisierte Gleichspannung Ue, wie sie beispielsweise
durch Gleichrichtung einer Wechselspannung gewonnen werden kann. Zwischen der Eingangsklemme
1 und der Ausgangsklemme 3 liegt die Kollektoremitterstrecke eines steuerbaren Leistungshalbleiters
V5, während die Eingangsklemme 2 und die Ausgangsklemme 4 direkt miteinander verbunden
sind. Die Basis des Leistungstransistors V5 erhält Steuerbefehle über eine Schwellwertdiode
V6 und einen Widerstand R3 aus einem Regel verstärker V7, dessen einer Eingang über
einen aus den Widerständen R4 und R5 gebildeten Spannungsteiler mit der
Ausgangsspannung
Ua und dessen anderer Eingang durch eine Referenzspannung beaufschlagt ist, die
aus der Ausgangsspannung Ua mittels der parallel- geschalteten Schwellwertdioden
V8 und V9 in Verbindung mit dem in Reihe geschalteten Widerstand R6 gewonnen wird.
Zur Gewinnung der Referenzspannung genügt an sich eine der beiden Schwellwertdioden
V8 oder V9. Die zweite Schwellwertdiode ist zur Sicherheit für den Fall vorgesehen,
daß eine der Schwellwertdioden versagt.
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Beim Einschalten der Schaltungsanordnung, d.h. beim Anlegen der Eingangsspannung
Ue an die Klemmen 1 und 2 erhält der Leistungstransistor V5 ein Steuersignal über
den Widerstand R7 und die Schwellwertdiode V6. Ein verzögertes Ansteigen der Ausgangsspannung
Ua an den Klemmen 3 und 4 wird durch -den parallel zu den Schwellwertdioden V8 und
V9 liegenden Kondensator C2 bewirkt, der für ein verzögertes Ansteigen der Referenzspannung
sorgt. Bei geeigneter Dimensionierung der Schwellwertdiode V6 und des mit ihr in
Reihe liegenden Widerstandes R3 beträgt die Ausgangsspannung des Regelverstärkers
V7 etwa die Hälfte der Ausgangsspannung Ua.
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Schwankungen dieser Ausgangsspannung werden im normalen Betrieb durch
den an dem Regel verstärker V7 liegenden Integrationskondensator C1 erfaßt, so daß
die Ausgangsspannung durch entsprechende Steuerung des Leistungshalbleiters V5 über
den Widerstand R3 und die Schwellwertdiode V6 konstant gehalten wird. Die vorstehend
erwähnten Elemente bilden einen ersten Schaltungsteil, wie er in -Stromversorgungsge
-räten der vorliegenden Art in prinzipiell gleicher Form üblich ist.
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Zusätzlich hierzu enthält die Schaltungsanordnung gemäß der Figur
2 einen weiteren Schaltungsteil, der eine Schutzeinrichtung für den Fall darstellt,
daß der Regelbereich überschritten oder unterschritten wird. Hierzu enthält der
zweite Schaltungsteil einen Thyristor V1 durch den die Aus-
gangsspannung
Ua kurzschließbar ist. Diesem Thyristor ist ein Zündbefehl in Abhängigkeit davon
zuführbar, daß sich die Ausgangsspannung des Regelverstärkers V7 (Schaltungspunkt
5) in charakteristischer Weise gegenüber dem im normalen Betrieb auftretenden Wert
nach oben oder nach unten verändert.
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Wesentlich ist hierbei, daß diese Ausgangsspannung nicht proportional
vom Verhältnis der Sollspannung zur tatsächlichen Spannung abhängt, sondern daß
die Ausgangsspannung des Regelverstärkers V7 sprungartig annähernd den Wert der
Versorgungsspannung oder den Wert Null annimmt.
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Im folgenden wird das Verhalten der Schaltungsanordnung bei unterschiedlichen
Fehlern betrachtet. Werden beispielsweise durch einen inneren Fehler der Kollektor
und der Emitter des Leistungstransistors V5 kurzgeschlossen, so nimmt die Ausgangsspannung
des Regelverstärkers V7 den Wert Null an.
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Hierdurch wird ein Transistor V4 gesperrt und der Thyristor V1 wird
über einen Widerstand R1 sowie eine Diode V10 und einen weiteren Transistor V2 gezündet.
Die Ausgangsspannung Ua wird hierdurch zur Sicherheit kurzgeschlossen.
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Ein weiterer Fehler kann darin bestehen, daß der Ausgang des Regelverstärkers
V7 gleichfalls durch einen inneren Fehler hochomig wird. In diesem Fall erhält der
Thyristor V1 einen Zündbefehl über die Widerstände R7 und R3 sowie über eine Schwellwertdiode
V3 und den Transistor V2.
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Ein innerer Fehler kann aber auch dazu führen, daß die Ausgangsspannung
des Regelverstärkers V7 den Wert der positiven Versorgungsspannung annimmt. Dann
wird der Thyristor V1 unmittelbar über die Schwellwertdiode V3 und den Transistor
V2 gezündet.
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Es ist bei der Betrachtung der Schaltungsanordnung gemäß der Figur
2 darüber hinaus ohne weiteres zu erkennen, daß auch alle anderen Fehler bei der
Stabilisierung der Ausgangs-
spannung Ua infolge der charakteristischen
Erhöhung oder Erniedrigung der Ausgangsspannung des Regelverstärkers V7 annähernd
auf den Wert der Versorgungsspannung bzw. annähernd auf den Wert O zur Zündung des
Thyristors V1 führen und damit die Stromversorgungsschaltung abschalten. Wesentlich
ist hierbei, daß die Abschaltung ganz nahe bei dem Sollwert der Ausgangsspannung
Ua erfolgt und somit gegenüber der bisher üblichen Ansteuerung des Thyristors V1
durch eine von der Ausgangsspannung beaufschlagte Schwellwertdiode nur ganz geringer
Streubereich auftritt. Es ist daher nicht mehr erforderlich, die im Fehlerfall bisher
mögliche Erhöhung der Ausgangsspannung von beispielsweise 12 Volt auf 13,5 Volt
bei eigensicheren Stromversorgungsgeräten durch eine Erniedrigung des zulässigen
Ausgangsstromes zu berücksichtigen.
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Die Leistungsfähigkeit eigensicherer Stromversorgungsgeräte wird durch
die neue Schaltungsanordnung somit fühlbar vergrößert.
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Anhand der Figur 3 wird nun gezeigt, wie die neue Schaltungsanordnung
mit geringem Aufwand in ein eigensicheres Stromversorgungsgerät einfügbar ist.
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In dieser Figur sind Schaltungsteile ohne speziellen Bezug zur Erfindung
als Blöcke dargestellt, da die Einzelheiten solcher- Schaltungsteile beispielsweise
der bereits erwähnten DE-OS 28 43 093 zu entnehmen sind. Dies gilt zunächst für
den Gleichrichterblock 10, der eine Wechselspannung in eine ungeregelte Gleichspannung
geeigneter-Höhe umwandelt. Ferner ist in dieser Weise ein Signalgenerator 11 dargestellt,
der periodische Steuersignale für einen Leistungshalbleiter 12 erzeugt, sowie ein
den Ausgang des Stromversorgungsgerätes bildender Stromregler 13.
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Der Leistungshalbleiter 12 unterbricht periodisch den durch die Primärwicklung
14 eines Transformators 15 fließenden Strom. Die Sekundärwicklung 16 dieses Transformators
speist
den Ausgang des Gerätes über eine Gleichrichterdiode V20
und nach Glättung durch einen Kondensator C10 über eine Drossel D sowie den als
Block dargestellten Stromregler 13. Der Signalgenerator 11 wird durch Reglsignale
gesteuert, die ihm über einen Optokoppler V19 zugeführt werden und die von einem
Operationsverstärker V21 abgegeben werden. Dieser arbeitet in der schon beschriebenen
Weise und erhält hierzu als Eingangsgrößen die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes,
wobei ein Kondensator C11 die Spannungsabweichungen integriert. Der weitere Eingang
des Operationsverstärkers V21 ist mit einer Referenzspannung beaufschlagt, die gleichfalls
aus der Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes gewonnen wird. Hierzu sind
parallel geschaltete Schwellwertdioden V24 und V25 in Verbindung mit zur Stabilisierung
dienenden gewöhnlichen Dioden V26 und V27 vorgesehen. Ein Kondensator C12 dient
dazu, beim Einschalten des Gerätes einen allmählichen Anstieg der Referenzspannung
zu bewirken. Die Widerstände R17 und R18 bilden einen Spannungsteiler, an dem die
dem Operationsverstärker V21 zugeführte Referenzspannung genau einstellbar ist.
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Der Thyristor V33 bildet die Schutzeinrichtung, durch die im Fehlerfall
die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes kurzschließbar ist. Das im Fehlerfall
benötigte Zündsignal für den Thyristor V33 wird durch einen weiteren Schaltungsteil
bereitgestellt, der gleichfalls an den Ausgang (Schaltungspunkt 17) des Operationsverstärkers
V21 angeschlossen ist. Dieser Schaltungsteil umfaßt die Transistoren V22 und V 31,
die Dioden V28 und 29, sowie die Z-Diode V32 und ferner Widerstände R19 und R21.
Diese Schaltungselemente wirken in der gleichen Weise zusammen, wie dies anhand
der Figur 2 erläutert wurde.
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Bei dem Stromversorgungsgerät gemäß der Figur 3 sind der Primärteil
und der Sekundärteil, sowohl hinsichtlich der Übertragung der Leistung, als auch
hinsichtlich der Über-
tragung der Steuersignale zu dem Leistungshalbleiter
12 galvanisch-voneinander getrennt, und zwar durch den Transformator 15 und den
Optokoppler V19. Durch den beschriebenen, dem Thyristor V33 zugeordneten Schaltungsteil
wird die an den Anschlußpunkten 18 und 19 zur Verfügung stehende Ausgangsspannung
so genau begrenzt, daß ein eigensicherer Betrieb bei 12 Volt und 2 Ampere durchführbar
ist. Da auch geringe Überspannungen vermieden werden, ist ferner die Voraussetzung
für einen störungsfreien Betrieb empfindlicher Halbleiterschaltungen, beispielsweise
vpn Mikroprozessoren, geschaffen.
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