DE3887321T2

DE3887321T2 - Stromversorgung für geteilte lasten.

Info

Publication number: DE3887321T2
Application number: DE3887321T
Authority: DE
Inventors: Patrice Lethellier
Original assignee: Unisys Corp
Current assignee: Unisys Corp
Priority date: 1987-11-09
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2008-11-01
Also published as: JPH0650937B2; JPH02502332A; EP0340292A1; KR890702310A; US4760276A; DE3887321D1; KR920007374B1; WO1989004562A1; EP0340292B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem mit Redundanz für Mehrfachlasten, von denen jede Last mit einer entsprechenden Stromversorgung gekoppelt ist, die einen Laststrom mit bestimmter Konstantspannung an einen entsprechenden Ausgangsanschluß liefert; und mit einer Laststromverbindungsschaltung, die die Ausgangsanschlüsse aller Stromversorgungen derart miteinander verbindet, daß die Lastströme der Stromversorgungen verteilt werden. Ein solches System ist bereits aus der US-A-4,659,942 bekannt. Fig. 1 dieser Druckschrift zeigt eine Ausführungsform, in der jeder Last eine Stromversorgung zugeordnet ist, während ein alternatives System nach Fig. 5 zeigt, daß mehr Lasten als Stromversorgungen vorgesehen sind. Die erste Ausführungsform zeigt außerdem eine Laststromverbindungsschaltung, durch die die Lastströme in einer solchen Weise verteilt werden können, daß die Lastströme der Stromversorgungen auf die Lasten ungleich verteilt werden. Die Verteilung wird durch einen festen Widerstand erreicht, der in Serie mit einem Transistor geschaltet ist, wobei die Widerstände eine Steuerspannung an die Gateelektroden der Transistoren liefern, um diese ein- oder auszuschalten.
Typische elektrische Lasten für solche Stromversorgungen sind integrierte Schaltungen. Diese sind gewöhnlich auf gedruckten Schaltungsplatinen angeordnet, die Stromversorgungs- und Erdungsanschlüsse sowie Mehrfach-Eingangs- und -Ausgangsanschlüsse zum Empfang und zum Aussenden von Signalen aufweisen. In einem einzigen elektronischen System, z. B. einem großen Datenverarbeitungssystem oder einem großen Kommunikationssystem sind häufig Hunderte solcher Schaltungsplatinen vorgesehen. Mehrfachverbindungsplatten werden häufig benutzt, um diese Schaltungsplatinen in Gruppen von 10 bis 20 zu haltern und Signale zwischen diesen auszutauschen, und jede der Mehrfachverbindungsplatten weist ihre eigenen Stromversorgungs- und Masseschienen auf.
Ein Weg der Stromversorgung an ein solches Mehrfachverbindungsplattensystem besteht darin, die Stromversorgungsschienen aller Mehrfachverbindungsplatten miteinander zu verkabeln und mit einem Satz von Stromversorgungen zu verbinden, die parallel zueinander arbeiten, um gemeinsam den gesamten Laststrom zur Verfügung zu stellen. Es kann auch eine redundante Stromversorgung (d. h. eine zusätzliche Stromversorgung) in einem solchen System vorgesehen sein, so daß dann, wenn eine Stromversorgung ausfällt, das elektronische System weiterarbeiten kann. Ein solches Stromversorgungssystem mit einer redundanten Stromversorgung ist im US-Patent 4,698,738 von J. Miller und J. Walker beschrieben, das auf den vorliegenden Anmelder übertragen wurde.
In einem solchen Mehrfachverbindungsplattensystem ist es jedoch häufig wünschenswert, die Mehrfachverbindungsplatten und ihre Stromversorgungen zu unterteilen, also elektrisch voneinander zu isolieren. Eine solche Unterteilung läßt es zu, die Stromversorgungen für jeweils eine Mehrfachverbindungsplatte abzuschalten, während die Stromversorgungen und die Schaltungen der verbleibenden Mehrfachverbindungsplatten weiterarbeiten. Z.B. enthalten große Datenverarbeitungssysteme häufig Mehrfachcomputer, von denen jeder an einer anderen Mehrfachverbindungsplatte angeordnet ist. Fallen die Schaltungen eines dieser Computer aus, oder muß dieser aufgerüstet werden, so ist es wünschenswert, die Stromversorgung der Mehrfachverbindungsplatte nur dieses einen Computers abzutrennen, um die Reparatur oder die Aufrüstung während dieses Zeitraums durchzuführen, während die übrigen Computer weiterarbeiten. Mit dem oben beschriebenen Stromversorgungssystem kann dies jedoch nicht durchgeführt werden, weil die Stromversorgung nicht unabhängig voneinander von den einzelnen Mehrfachverbindungsplatten abgetrennt oder wieder angeschlossen werden kann.
Ein Weg zur Lösung dieses Problems bestände darin, nicht die Stromversorgungsschienen der Mehrfachverbindungsplatten miteinander zu verbinden, sondern einen getrennten Satz von Stromversorgungen (z. B. solche wie in dem beschriebenen Stromversorgungssystem) für jede Mehrfachverbindungsplatte einzusetzen. In einem solchen fall müßte eine getrennte redundante Stromversorgung jedoch für jede der Mehrfachverbindungsplatten vorgesehen sein, was die Kosten eines solchen Systems deutlich erhöht. Das elektronische System nach Fig. 1 hat z. B. drei Lasten L&sub1;, L&sub2; und L&sub3;. Weiter wird angenommen, daß die Last L&sub1; zwei Stromversorgungen 1A und 1B benötigt, um den Laststrom zu liefern. Die Last L&sub2; benötigt nur eine Stromversorgung 2A, um den Laststrom zu liefern, während die Last L&sub3; drei Stromversorgungen 3A, 3B und 3C erfordert, um die Lastströme zu liefern. In diesem Fall ist eine Summe von sechs Stromversorgungen erforderlich, um den gewünschten Laststrom zu liefern, aber darüber hinaus sind drei redundante Stromversorgungen R (eine für jede Last) erforderlich, um die Redundanz darzustellen. Auf diese Weise erhöht die Redundanz also die Kosten des Systems um 50%.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Stromversorgungssystem der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß jede der Stromversorgungen aus einem Satz von einer oder mehreren Stromquellen besteht und mindestens einer solcher Sätze mindestens zwei Stromquellen aufweist, daß alle Stromquellen zusammen, abzüglich einer der Stromquellen, eine gesamte Laststromkapazität haben, die den Strombedarf aller Lasten deckt, und keiner der Sätze von Stromquellen eine redundante Stromquelle aufweist, daß in der Laststromverbindungsschaltung variable Widerstände vorgesehen sind, die die entsprechenden Ausgangsanschlüsse der Sätze von Stromversorgungen selektiv miteinander verbinden, daß jeder Satz von Stromquellen eine Stromverteilungssteuerschaltung aufweist und Schaltmittel vorgesehen sind, die selektiv die Stromverteilungssteuerschaltungen der Sätze derart anschalten und abtrennen, daß
a) die Stromquellen aller Sätze egalisierte Lastströme liefern, wenn die Schaltmittel alle Stromverteilungssteuerschaltungen miteinander verbinden, und
b) die egalisierte Stromverteilung zwischen irgendeinem der Sätze von Stromquellen und den anderen Sätzen durch Auftrennen über die Schaltmittel der Stromverteilungssteuerschaltung dieses Satzes aufgehoben wird, um eine kleine Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangsanschluß des abgetrennten Satzes von Stromquellen und den anderen Ausgangsanschlüssen zu bewirken, und
daß jeder der variablen Widerstände steuerbar ist, um selektiv einen Ausgangsanschluß anzuschalten/abzutrennen, wenn die zugehörige Stromquelle eine abgetrennte Stromverteilungssteuerschaltung aufweist, wobei das Ausschalten durch einen Leitwert erfolgt, der von Null durch einen vorbestimmten kleinen Schritt erhöht und danach progressiv bis zu einem Kurzschluß erhöht wird, und das Abtrennen durch einen in umgekehrter Richtung variierenden Leitwert erfolgt.
Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor. Es zeigen:
Fig. 1 ein Stromversorgungssystem mit unterteilten Lasten und Redundanz;
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Stromversorgungssystems, das entsprechend der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 3 eine detailliertere Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 2, in der die Stromanforderungen für die Lasten und die Stromkapazitäten der Stromversorgungen spezifiziert sind;
Fig. 4 einen Satz von Gleichungen zur Erläuterung der Zeitfolge, nach der das System nach Fig. 3 arbeitet;
Fig. 5 eine bevorzugte körperliche Ausführungsform für einige der Komponenten des Systems nach den Fig. 2 und 3;
Fig. 6 die Arbeitsweise des Bauelementes nach Fig. 5; und
Fig. 7 die Funktion des Systems nach Fig. 3 in dem Zustand des Ausfalls einer Stromversorgung.
Nachfolgend wird in Verbindung mit Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Dieses Stromversorgungssystem enthält drei Sätze SET1, SET2 und SET3 von Stromquellen. Der Satz SET1 hat zwei Stromquellen PS1a und PS1b, der Satz SET2 hat eine Stromquelle PS2a und der Satz SET3 hat drei Stromquellen PS3a, PS3b und PS3c.
Jeder Satz von Stromquellen hat einen Ausgangsanschluß, der einen Laststrom bei einer vorbestimmten Spannung liefert. In Fig. 2 hat der Satz SET von Stromquellen einen Ausgangsanschluß OT&sub1;, der Satz SET2 von Stromquellen einen Ausgangsanschluß OT&sub2; und der Satz SET3 von Stromquellen einen Ausgangsanschluß OT&sub3;. An den Ausgangsanschluß OT&sub1; ist eine Last L&sub1; angeschlossen, an den Ausgangsanschluß OT&sub2; eine Last L&sub2; und an den Ausgangsanschluß OT&sub3; eine Last L&sub2;.
Jeder Satz von Stromversorgungen enthält darüber hinaus eine Stromverteilungsschaltung, die dazu dient, den Laststrom am entsprechenden Ausgangsanschluß auf alle Stromquellen eines Satzes gleichmäßig zu verteilen. Fig. 2 zeigt in gestrichelter Form die Stromverteilungsschaltung CS&sub1; für den Satz SET1 von Stromquellen, der Satz SET2 von Stromquellen weist (gestrichelt gezeichnet) die Stromverteilungsschaltung CS&sub2; auf, während der Satz SET3 von Stromquellen, gestrichelt gezeichnet, die Stromverteilungsschaltung CS&sub3; hat. Details einer geeigneten Stromverteilungsschaltung sind im US-Patent 4,698,738 angegeben, und auf diese wird hiermit Bezug genommen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Laststromverbindungsschaltung 20 vorgesehen, die die Ausgangsanschlüsse OT&sub1;, OT&sub2; und OT&sub3; der Sätze von Stromquellen im Betrieb wahlweise miteinander verbindet und voneinander trennt. In Fig. 2 hat die Laststromverbindungsschaltung 20 drei variable Widerstände 20a, 20b und 20c, die entsprechend zugeordnete, Ausgangsanschlüsse OT&sub1;, OT&sub2; und OT&sub3; mit einem Verbindungspunkt 20d verbinden. Jeder dieser Widerstände hat einen Leitwert, der von 0 durch definierte kleine Schritte zunimmt und danach sich progressiv auf einen hohen Leitwert erhöht.
Es sind Schaltmittel 30 vorgesehen, die entsprechende Stromverteilungsschaltungen der Sätze von Stromquellen selektiv miteinander verbinden oder voneinander trennen. In Fig. 2 weist das Schaltmittel 30 drei einpolige Einzelschalter 30a, 30b und 30c auf, die die Stromverteilungsschaltungen CS&sub1;, CS&sub2; und CS&sub3; mit einem Verbindungspunkt 30d verbinden. Sind die Stromverteilungsschaltungen zweier Sätze von Stromquellen über die Schaltmittel 30 verbunden, und werden die Ausgangsanschlüsse dieser beiden Sätze über die Laststromverbindungsschaltung 20 über einen hohen Leitwert angeschlossen, dann egalisieren sich die Ströme der beiden Sätze von Stromquellen.
Die Gesamtanzahl von Stromquellen ist so gewählt, daß alle Stromquellen zusammen, abzüglich einer Stromquelle, eine Gesamtstromkapazität haben, die den Strombedarf aller Lasten erfüllt, wobei zur gleichen Zeit keiner der Sätze von Stromquellen so groß ist, als daß er eine redundante Stromquelle einschließt. Ein konkretes Beispiel ist in Figur 3 gezeigt. Es sind Lasten L&sub1;, L&sub2; und L&sub3; gezeigt, die 550 A, 450 A bzw. 1400 A erfordern. Die Stromquellen des Satzes SET1 haben eine Kapazität von 500+500 A, der Satz SET2 von Stromquellen hat eine Kapazität von 500 A und der Satz SET3 von Stromquellen hat eine Kapazität von 500+500+500 A.
Die Funktion des Stromversorgungssystems nach Fig. 3 wird nun in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben, in der der Zustand des Stromversorgungssystems zu verschiedenen Zeitpunkten t&sub0;-t&sub5; dargestellt ist. Zu Beginn, nämlich zum Zeitpunkt t&sub0;, sind alle variablen Widerstände 20a- 20c in ihrer am meisten leitenden Position, und alle Stromverteilungsschalter 30a-30c sind geschlossen. Zweckmäßigerweise weist jeder der variablen Widerstände einen Wert von weniger als 20 uΩ auf.
Aufgrund dieser Schalter- und Widerstandspositionen liefern die Stromquellen aller Sätze die gleichen Anteile am Laststrom. Im speziellen Beispiel von Fig. 3 beträgt der Strom I&sub1; jeder Stromquelle des Satzes SET1 400 A, wie durch Gleichung 1 angegeben. Der Strom I&sub2; des Satzes SET2 und der Strom I&sub3; jeder Stromquelle des Satzes SET3 ist gleich dem Strom I&sub1; wie durch die Gleichungen 2 und 3 angegeben. Der Widerstand 20a führt einen Strom I&sub4; von +250 A, wie durch Gleichung 4 angegeben.
Wird angenommen, daß das System nach Fig. 3 im gleichen Zustand weiterarbeitet, bis ein Fehler in der Last L&sub1; auftritt oder diese erweitert werden muß, so wird es notwendig, die Stromversorgung von der Last L&sub1; abzuschalten, damit hieran gearbeitet werden kann. In diesem Fall wird zum Zeitpunkt t&sub1; der Schalter 30a geöffnet, wodurch die Stromverteilung zwischen den Stromquellen des Satzes SET1 und den Stromquellen der Sätze SET2 und SET3 aufgehoben wird. Dies hat zur Folge, daß der durch die Stromversorgungen des Satzes SET1 gelieferte Strom dem Strom der anderen Sätze von Stromversorgungen folgt, und deshalb eine kleine Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangsanschluß des Satzes SET1 und den anderen Sätzen auftritt.
Wird nun angenommen, daß die Spannung am Ausgangsanschluß OT&sub1; geringfügig niedriger als die Spannung an den Ausgangsanschlüssen OT&sub2; und OT&sub3; ist (siehe Gleichung 5), so versuchen aufgrund dieser kleinen Spannungsunterschiede die Stromquellen der Sätze SET2 und SET3 den Gesamtstrom in alle Lasten L&sub1;, L&sub2; und L&sub3; zu speisen. Dieser Zustand ist durch die Gleichung 6 dargestellt. Die Stromquellen der Sätze SET2 und SET3 haben jedoch keine ausreichende Stromkapazität, um alle Lastströme zu liefern. Dieser Zustand wird durch die Gleichungen 7 und 8 ausgedrückt. Gleichung 7 zeigt, daß die vier Stromquellen der Sätze SET2 und SET3 je 600 A liefern müssen, um den gesamten Laststrom bereitzustellen. Gleichung 8 sagt aus, daß jede Stromquelle nur 500 A liefern kann. Somit werden die Ströme I&sub2; und I&sub3; entsprechend der Gleichung 9 auf 500 A begrenzt, und der Oberschuß des Stromes über die Erfordernisse der Lasten L&sub2; und L&sub3; ist gleich dem Strom I&sub4; durch den Widerstand 20a. Somit wird der Strom I&sub4;, wie durch die Gleichung 10 angegeben, - 150 A. Die Last L&sub1; erfordert 550 A, und die Differenz zwischen diesem Betrag und den 150 A durch den Widerstand 20a wird durch die Stromquellen des Satzes SET1 geliefert. Somit liefert jede der Stromquellen PS1a und PS1b 200 A.
Zum Zeitpunkt t&sub2; wird der Widerstand des variablen Widerstandes 20a geringfügig von seinem Minimal wert erhöht. Wie durch die Gleichung 12 ausgedrückt, erhöht sich der Widerstand auf 50 uΩ. Bleibt der Strom I&sub4; durch den Widerstand 20a unverändert, so steigt die am Widerstand 20a abfallende Spannung auf 7,5 mV an. Jedes Ansteigen der Spannung über dem Widerstand 20a hat jedoch eine wichtige Folge. Insbesondere kann die Spannung über dem Widerstand 20a nicht die Toleranzen übersteigen, innerhalb deren Grenzen die Spannungen zwischen den Ausgangsanschlüssen zweier Stromquellen schwanken kann.
Konstantspannungsquellen haben eine Toleranz von ±ΔV ihrer Ausgangsklemmenspannung, die von der Genauigkeit abhängt, mit der die Konstantspannung eingestellt werden kann. Für Spannungsquellen mit niedriger Spannung (d. h. von 0-10 V) beträgt die Spannungstoleranz AV typischerweise + 10 mV. Dementsprechend beträgt die maximale Spannungsdifferenz zwischen zwei Stromquellen 2 AV. Dieser Wert tritt auf, wenn eine Betriebsspannung auf den Nominalwert -ΔV und die andere Betriebsspannung auf einen Nominalwert +ΔV eingestellt. Typischerweise beträgt 2 $V maximal 20 mV, und dies wird durch die Gleichung 14 ausgedrückt. Da der Spannungsabfall am Widerstand 20a von 7,5 mV beträgt und also niedriger als die höchste voreingestellte Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen von zwei Stromquellen ist, ist der Zustand des Systems zum Zeitpunkt t&sub2; stabil und kann somit auftreten.
Zum Zeitpunkt t&sub3; wird der Wert des Widerstandes 20a weiter auf 20 uΩ erhöht, siehe Gleichung 16. Wenn der Strom von 150 A weiter durch den Widerstand 20a fließt, so beträgt die daran abfallende Spannung nunmehr 30 mV, siehe Gleichung 17. Ein solcher Spannungsabfall von 30 mV kann jedoch nicht auftreten, da er größer als die mögliche Maximaltoleranz zwischen den Ausgangsspannungen von zwei Stromquellen ist. Somit wird der Spannungsabfall am Widerstand 20a auf dieses Maximum oder auf 20 mV begrenzt, siehe Gleichung 18.
Wird nun ein maximaler Spannungsabfall von 20 mV am Widerstand 20a angenommen, während der Widerstand 20 uΩ beträgt, dann muß sich ein Strom I&sub4; von -100 A ergeben, siehe Gleichung 19, und dieser Wert ist niedriger als die -150 A, die zu den Zeitpunkten t&sub0;, t&sub1; und t&sub2; auftreten. Dementsprechend erhöhen die Stromquellen des Satzes SET1 ihren in die Last L&sub1; gelieferten Strom (siehe Gleichung 20), und die Stromquellen der Sätze SET2 und SET3 erniedrigen den von ihnen gelieferten Strom, siehe Gleichung 21.
Zum Zeitpunkt t&sub4; wird der Wert des Widerstandes 20a weiter auf 4000 uΩ erhöht, siehe Gleichung 22. Als Ergebnis fällt der Strom I&sub4; weiter ab auf einen Wert von 5 A, wie durch Gleichung 23 ausgedrückt. Somit erhöht sich der Laststrom von den Stromquellen des Satzes SET1 weiter, wie durch Gleichung 24 ausgedrückt, und die Ströme der Stromquellen der Sätze SET2 und SET3 erniedrigen sich weiter, wie durch die Gleichung 25 angegeben ist.
Schließlich ist der variable Widerstand 20a zum Zeitpunkt t&sub5; aufgetrennt, sein Leitwert beträgt also 0, siehe Gleichung 26. Als Ergebnis fällt der Strom I&sub4; von 5 A auf 0. Diese Stromänderung beim Abtrennen des Widerstandes 20a ist jedoch sehr gering, so daß keine gefährlichen Funkenbildungen auftreten. Dies bedeutet, daß weder Daten beeinträchtigende Hochfrequenzstörungen, noch Einbrüche oder Spitzen in der Ausgangsspannung auftreten, siehe hierzu Gleichung 27.
Sobald der Widerstand 20a aufgetrennt ist, liefern die Stromquellen des Satzes SET1 alle Ströme in die Last L&sub1;, und die Stromquellen der Sätze SET2 und SET3 liefern die Gesamtströme in die Lasten L&sub2; und L&sub3;. Dies wird durch die Gleichungen 28 und 29 ausgedrückt. In anderen Worten, die Last L&sub1; und die Stromquellen des Satzes SET1 sind von dem Rest des Systems isoliert.
Nunmehr können die Stromquellen des Satzes SET1 abgeschaltet werden, so daß an der Last L&sub1; gearbeitet werden kann (d. h. ein Problem kann behoben, oder es kann eine Aufrüstung erfolgen). Zur gleichen Zeit können die Lasten L&sub2; und L&sub3; weiterarbeiten. Dieses Weiterarbeiten der Lasten L&sub2; und L&sub3; ist ein wichtiges Merkmal, weil hierdurch z. B. in einem Mehrfach-Datenverarbeitungssystem Tausende von Dollars berechnet werden können.
Nachdem die Arbeit an der Last L&sub1; abgeschlossen ist, wird das System in umgekehrter Reihenfolge wieder angeschlossen. Der Anfangszustand des Systems entspricht also dem Zeitpunkt t&sub5;, der nächste Schritt entspricht dem Zeitpunkt t&sub4; usw. Auch während des Wiederanschaltens treten keine nachteiligen Funkenbildungen auf, also weder Daten beeinträchtigende Hochfrequenzstörungen oder Einbrüche oder Spitzen in der Ausgangsspannung, da der Leitwertschritt klein ist und dementsprechend auch der Schritt im Laststrom.
In Fig. 5 ist nun eine vorteilhafte Ausführungsform jedes der variablen Widerstände 20a, 20b und 20c gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Teil 40 mit einer länglichen Passage 41 vorgesehen, sowie ein anderes Teil 42, das zum Hineingleiten in die Passage 41 ausgebildet ist und die Flächen der Passage berührt. Zwischen den Teilen 40 und 42 ist eine gewisse Elastizität vorhanden, um einen guten Kontakt herzustellen und einen Verschleiß zu vermeiden. Das Symbol "d" in Fig. 5 zeigt den Abstand an, um den das Teil 42 in die Passage 41 eingeschoben ist. Der Leitwert zwischen den Teilen 40 und 42 nimmt mit dem Abstand "d" zu.
Wie bereits vorher erläutert, ist es wichtig, daß der Leitwertschritt zwischen den Teilen 40 und 42 am Anfang sehr gering ist, sobald die Teile ineinander eingreifen. In der Ausführungsform nach Fig. 5 wird dieser kleine Schritt durch Vorsehen einer abgeschrägten Spitze 43 am Teil 42 erzielt. Durch die Abschrägung der Spitze 43 kann die Fläche zwischen den Teilen 40 und 42 beim anfänglichen Eingriff, wie gewünscht, gering gemacht werden, so daß der Anfangsleitwert zwischen den beiden Teilen um einen entsprechenden Betrag reduziert wird.
Der Leitwert zwischen den Teilen 40 und 42 erhöht sich nicht linear bis zu dem Zeitpunkt, an dem die gesamte Spitze 43 sich in der Passage 41 befindet. Danach erhöht sich der Leitwert zwischen den Teilen 40 und 42 rapide, und zwar linear mit dem Abstand "d". Diese Charakteristik ist in Fig. 6 durch eine Kurve 44 dargestellt.
Vorzugsweise ist der Eingang zur Passage 41 mit einem Isolator 45 versehen, der verhindert, daß das Ende der Spitze 43 versehentlich flach gegen den Bereich des Teils 40 gelangt, der durch den Isolator 45 bedeckt ist. Ein solcher versehentlicher Kontakt muß verhindert werden, da sich der Leitwert zwischen den Teilen 40 und 42 sprunghaft ändern würde. Der Isolator 45 innerhalb der Passage dient außerdem als eine Führung zur Verhinderung von Kontaktprellen zwischen den Teilen 40 und 42 beim anfänglichen Eingriff.
Es soll nun die Folge betrachtet werden, wenn eine der Stromquellen ausfällt. Dieser Zustand ist in Fig. 7 dargestellt, wobei die Stromquelle PS3c ausgefallen ist. Fällt eine Stromquelle aus, so schaltet sie sich selbst ab und wirkt wie ein offener Schaltungsabschnitt. Der Strom in die Lasten L&sub1;, L&sub2; und L&sub3; wird dann von den verbleibenden, intakten Stromquellen übernommen.
In Fig. 7 ist dargestellt, daß bei diesem System jeder der verbleibenden Stromquellen 480 A liefert, nachdem die Stromquelle PS3a ausgefallen ist. Dieser Wert kann berechnet werden, indem 550+450+1400 durch 5 dividiert wird. Der Strom I&sub4; ist gleich 480·2-50, der Strom I&sub5; ist gleich 480-450 und der Strom I&sub6; entspricht der Summe der Ströme I&sub4; und I&sub5;.
Ein wichtiges Merkmal des vorstehend beschriebenen Systems ist, daß im Falle des Ausfalles einer Stromquelle alle Lasten weiterarbeiten, auch wenn keine der Lasten eine extra oder redundante Stromquelle aufweist. Dies ist besonders wichtig, weil die Alternative der Hinzufügung einer zusätzlichen oder redundanten Stromquelle in jedem Satz deutlich die Kosten des Systems erhöht, so daß dieses unwirtschaftlicher wird. Außerdem würde das Hinzufügen einer zusätzlichen Stromquelle in jedem Satz den MTBF-Wert des Systems verschlechtern, da mehr Teile zu einer höheren Ausfallrate führen würden.
Um die ausgefallene Stromquelle PS3a auszutauschen, muß ein Monteur lediglich diese Stromquelle aus einer Steckverbindung herausziehen, durch die sie mit dem Ausgangsanschluß und der Stromverteilungsschaltung verbunden ist, und anschließend eine neue Stromquelle einschieben. Sobald dies erfolgt ist, kehrt das Stromversorgungssystem wieder zu dem Zustand zurück, den es vor dem Ausfall der Stromquelle PS3a hatte (d. h., zum Zustand während des Zeitpunktes t&sub0; in Fig. 4).
Vorstehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben. Zusätzlich können jedoch weitere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne sich von dem Schutzumfang der Erfindung, wie durch die Ansprüche definiert, zu entfernen.
Z.B. haben in der Ausführungsform nach Fig. 3 die Stromquellen aller Sätze die gleiche Stromlieferkapazität. Alternativ können die Stromkapazitäten der Stromquellen von Satz zu Satz oder auch innerhalb eines Satzes, variieren.
Um dieses zu illustrieren, wird angenommen, daß die Last L&sub3; in Fig. 3 nur 1100 A erfordert. In einem solchen Fall kann die Stromquelle PS3c auf eine Stromkapazität von nur 200 A geändert werden. Wenn alle Lasten und alle Stromquellen in Funktion sind, so übernimmt jede Stromquelle einen Laststromanteil proportional zu ihrer Stromkapazität. Fällt eine der Stromquellen aus, so übernehmen die verbleibenden Stromquellen in gleicher Weise ihren Anteil an der zusätzlichen Last.
Weiterhin kann die körperliche Ausbildung der variablen Widerstände 20a, 20b und 20c von der in Fig. 5 gezeigten Form abweichen. Es ist jedoch wichtig, daß der anfängliche Leitfähigkeitsschritt von 0 gering ist. Z.B. kann anstelle der abgeschrägten Spitze 43 des Teils 42 nur ein kleiner schmaler Abschnitt der Oberfläche der Passage 41 am Passageneingang leitfähig gemacht werden, während der leitfähige Abschnitt dann progressiv breiter mit der Distanz "d" wird.
Bei der Maximalgröße des Leitfähigkeitsschrittes bei den variablen Widerständen 20a, 20b und 20c ist ein gewisser Spielraum möglich. Sobald jedoch die Schrittgröße ansteigt, tritt auch ein entsprechender Schritt im Laststrom jedes Satzes von Stromquellen auf. Und dies führt wiederum zu Spannungseinbrüchen oder -spitzen in den Lasten. Irgendwann ist ein Punkt erreicht, an dem der Stromschritt so groß ist, daß ein entsprechender Einbruch oder eine Spitze in der Spannung bewirkt, daß die Schaltung der Last in der Funktion gestört wird.
Um dieses Problem zu vermeiden, wird das Produkt 2ΔVΔC auf einen Wert begrenzt, bei dem ein Spannungseinbruch oder eine Spannungsspitze den Lasten niedriger als 3% der Nominalspannung ist. Alternativ wird das Produkt 2ΔVΔC auf einen Wert von weniger als 20% der entsprechenden Stromkapazität jedes Satzes von Stromquellen begrenzt. Hier ist, wie vorher, ±ΔV die erlaubte Voreinstellungstoleranz der Ausgangsspannung. In vielen Fällen können diese Grenzwerte eingehalten werden, indem ΔC auf weniger als 1000 Siemens begrenzt wird (d. h., 1/ΔC wird auf einen Wert von mehr als 1000 uΩ begrenzt).
In Verbindung mit Fig. 4 wurde darauf hingewiesen, daß eine große Änderung im Laststrom auch dann auftreten kann, wenn einer der Stromverteilungsschalter geöffnet oder geschlossen wird. In Fig. 4 ändert sich zum Zeitpunkt t&sub1; der Strom I&sub4; von +250 A auf -150 A. Doch diese Stromänderung führt nicht dazu, daß die Ausgangsspannung aus dem Regelbereich herausläuft, und es werden auch keine Hochfrequenzstörungen erzeugt. Dies liegt darin, daß die Geschwindigkeit der Stromänderung auf die Reaktionszeit der Stromverteilungsschaltung der Stromquellen begrenzt ist. Typischerweise erfolgt die gesamte Stromänderung über einen Bereich von 10-50 Millisekunden. Zum Vergleich: Wenn einer der variablen Widerstände 20a, 20b oder 20c geöffnet wird, fällt der Strom durch diesen Widerstand sofort auf 0.
Es wird auch bemerkt, daß andere Problem auftreten können, wenn der Stromverteilungsschalter eines Satzes von Stromquellen nicht geöffnet wird, bevor der variable Widerstand dieses Satzes von Stromquellen geöffnet wird, oder umgekehrt. Wird z. B. (siehe Fig. 3) angenommen, daß der variable Widerstand 20a geöffnet wird, während die Stromverteilungsschalter 30a, 30b und 30c geschlossen sind, so versuchen alle Stromquellen ihren Anteil in der Lieferung des Gesamtstromes zu halten, was jedoch unmöglich ist, da der Widerstand 20a geöffnet ist. Bei ihrer Anstrengung, den Laststrom zu übernehmen, erhöhen die Stromquellen des Satzes SET1 ihre Ausgangsspannung, und die Stromquellen der Sätze SET2 und SET3 erniedrigen ihre Ausgangsspannungen. Dies erfolgt so lange, bis die Ausgangsspannungen aller Stromquellen ihren Regelbereich verlassen. In umgekehrter Weise arbeitet das Stromversorgungssystem nach Fig. 3 weiter, obgleich in einer ungleichmäßig belasteten Weise, wenn die Stromverteilungsschalter 30a, 30b und 30c sich immer im geöffneten Zustand befinden. Tatsächlich kann die Stromverteilung zwischen den Stromquellen jedes Satzes ausgeschaltet werden, und trotzdem arbeitet das System weiter.
Um die voreingestellte Ausgangsspannung zu halten, messen die Stromquellen ihre tatsächliche Ausgangsspannung und ändern diese nach oben oder nach unten, ist diese den voreingestellten Wert erreicht. Diese Messung kann an dem Ausgangsanschluß der Stromquelle oder an der Last erfolgen. Die Anschlüsse der variablen Widerstände 20a, 20b und 20c, die die Sätze von Stromquellen miteinander verbinden, sind vorzugsweise an den Punkten angeordnet, an denen die Sätze von Stromquellen ihre Ausgangsspannungen messen. Sonst könnte der Spannungsabfall über einem variablen Widerstand den Wert von 2ΔV überschreiten, was zur Folge hätte, daß die augenblickliche Stromänderung zunimmt, die durch das Bauelement auftritt, wenn ein Leitfähigkeitsschritt ΔC stattfindet.
Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen ist klar, daß die Erfindung nicht auf die Details der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist.

Claims

1. Stromversorgungssystem mit Redundanz für Mehrfachlasten (L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;), von denen jede Last (z. B. L&sub1;) mit einer entsprechenden Stromversorgung (z. B. PS1a, PS1b) gekoppelt ist, die einen Laststrom mit bestimmter Konstantspannung an einen entsprechenden Ausgangsanschluß (z. B. OT&sub1;) liefert; und

mit einer Laststromverbindungsschaltung (20), die die Ausgangsanschlüsse (OT&sub1;, OT&sub2;, OT&sub3;) aller Stromversorgungen derart miteinander verbindet, daß die Lastströme der Stromversorgungen verteilt werden; dadurch gekennzeichnet, daß

jede der Stromversorgungen aus einem Satz (SET1-SET3) von einer oder mehreren Stromquellen (PS1a, PS1b; PS2a; PS3a, PS3b, PS3c) besteht und mindestens einer solcher Sätze (SET1, SET3) mindestens zwei Stromquellen (PS1a, PS1b; PS3a, PS3b, PS3c) aufweist;

daß alle Stromquellen (PS1a, PS1b; PS2a; PS3a, PS3b, PS3c) zusammen, abzüglich einer der Stromquellen, eine gesamte Laststromkapazität haben, die den Strombedarf aller Lasten (L&sub1;-L&sub3;) deckt, und keiner der Sätze von Stromquellen eine redundante Stromquelle aufweist; daß in der Laststromverbindungsschaltung variable Widerstände (20a, 20b, 20c) vorgesehen sind, die die entsprechenden Ausgangsanschlüsse (OT&sub1;-OT&sub3;) der Sätze von Stromversorgungen selektiv miteinander verbinden; daß jeder Satz (SET1-SET3) von Stromquellen eine Stromverteilungssteuerschaltung (CS&sub1;-CS&sub3;) aufweist und Schaltmittel (30a, 30b, 30c) vorgesehen sind, die selektiv die Stromverteilungssteuerschaltungen (CS&sub1;- CS&sub3;) der Sätze derart anschalten und abtrennen, daß

a) die Stromquellen aller Sätze egalisierte Lastströme liefern, wenn die Schaltmittel alle Stromverteilungssteuerschaltungen miteinander verbinden, und

b) die egalisierte Stromverteilung zwischen irgendeinem der Sätze (SET1) von Stromquellen und den anderen Sätzen (SET2, SET3) durch Auftrennen über die Schaltmittel (30a) der Stromverteilungssteuerschaltung dieses Satzes aufgehoben wird, um eine kleine Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangsanschluß des abgetrennten Satzes (SET1) von Stromquellen und den anderen Ausgangsanschlüssen zu bewirken; und

daß jeder der variablen Widerstände steuerbar ist, um selektiv einen Ausgangsanschluß anzuschalten/abzutrennen, wenn die zugehörige Stromquelle eine abgetrennte Stromverteilungssteuerschaltung aufweist, wobei das Ausschalten durch einen Leitwert erfolgt, der von Null durch einen vorbestimmten kleinen Schritt erhöht und danach progressiv bis zu einem Kurzschluß erhöht wird, und das Abtrennen durch einen in umgekehrter Richtung variierenden Leitwert erfolgt.

2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte kleine Schritt der Änderung des Leitwertes derart begrenzt ist, daß ein Spannungseinbruch oder eine Spannungsspitze an den Lasten (L&sub1;-L&sub3;) entsteht, die kleiner als 3% der Konstantspannung beträgt.

3. Stromversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der variablen Widerstände (20a, 20b, 20c) erste und zweite Teile (40, 42) aufweist, deren entsprechende Oberflächen sich in auswählbaren Beträgen berühren, wobei der Wert des Leitwertes mit dem Betrag der Berührung zunimmt.

4. Stromversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (40) eine längliche Passage (41) und das zweite Teil (40) einen länglichen Abschnitt aufweist, der in die Passage (41) hineingeleitet und mit seiner Oberfläche in wählbaren Beträgen diese berührt und hierdurch den Leitwert variiert.

5. Stromversorgungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Abschnitt eine abgeschrägte Spitze (43) aufweist, die den Betrag der anfänglichen Berührung mit der Passage (41) minimiert.

6. Stromversorgungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Last (L&sub1;-L&sub3;) eine Rückebene in einem Computersystem ist.

7. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte kleine Schritt der Änderung des Leitwertes derart begrenzt ist, daß er eine Stromänderung von weniger als 20% der entsprechenden Stromversorgungskapazität jedes Satzes (SET1-SET3) von Stromquellen bewirkt.

8. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte kleine Änderungsschritt des Leitwertes auf 1000 Siemens begrenzt ist.

9. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz (SET1-SET3) von Stromquellen eine bestimmte Spannung aufrechterhält, indem er die Spannung an einem Verbindungspunkt zwischen seinem Ausgangsanschluß (OT&sub1;-OT&sub3;) und seiner Last (L&sub1;-L&sub3;) mißt, und daß die variablen Widerstände (20a-20c) an diese Verbindungspunkte angeschlossen sind.