EP2218164A1 - Power supply arrangement with output flow monitoring - Google Patents

Power supply arrangement with output flow monitoring

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Publication number
EP2218164A1
EP2218164A1 EP08856279A EP08856279A EP2218164A1 EP 2218164 A1 EP2218164 A1 EP 2218164A1 EP 08856279 A EP08856279 A EP 08856279A EP 08856279 A EP08856279 A EP 08856279A EP 2218164 A1 EP2218164 A1 EP 2218164A1
Authority
EP
European Patent Office
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power supply
supply arrangement
voltage
arrangement according
circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08856279A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Fritz Frey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
R Stahl Schaltgeraete GmbH
Original Assignee
R Stahl Schaltgeraete GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by R Stahl Schaltgeraete GmbH filed Critical R Stahl Schaltgeraete GmbH
Publication of EP2218164A1 publication Critical patent/EP2218164A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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    • H02M3/33523—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters with galvanic isolation between input and output of both the power stage and the feedback loop
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    • H02M3/3381—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a self-oscillating arrangement using a single commutation path
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H02M1/344—Active dissipative snubbers

Definitions

  • the converter circuits comprise, on the primary side, at least one controlled semiconductor switch in series with the primary winding of the transformer to generate the corresponding alternating current.
  • this object is achieved with a power supply arrangement having the features of claim 1.
  • a power supply arrangement with galvanic isolation is provided, which is suitable to limit the current on the secondary side.
  • a circuit variant is used in which the current flowing on the secondary side is detected indirectly by the conditions on the primary side. In the discharge process, the energy contained in the inductance at constant supply voltage is proportional to the current as long as the saturation limit is not reached. Furthermore, the current on the primary side neglecting the control inductance is proportional to the current on the primary side so that in the shutdown state, the voltage on the primary side is proportional to the current on the secondary side.
  • the new power supply arrangement with galvanic isolation in particular in the explosion-proof version, has a power supply input. To the power supply input is a series circuit of the primary winding of a transformer and a controlled semiconductor in parallel. The primary winding of the transformer is galvanically isolated from the secondary winding.
  • the semiconductor switch is associated with a controllable drive circuit which supplies a periodic control signal for the semiconductor switch, which is controlled such that the output voltage or the current through them is constant.
  • a current limiting circuit which is parallel to the semiconductor switch and includes a parallel to the semiconductor switch capacitor.
  • the capacitor is also in series with the primary winding.
  • a voltage monitoring circuit is on the input side to generate an output signal which acts on the switching state of the semiconductor switch such that the semiconductor switch is switched to the blocking state when the voltage across the capacitor exceeds a predetermined limit.
  • the measurement of the current on the secondary side is thus indirectly via a voltage measurement, which means that the arrangement operates very low power. Problems of temperature increase or internal resistance are thus avoided.
  • the number of turns of the secondary winding may be greater or smaller than the number of turns of the primary winding.
  • the controlled semiconductor switch may be formed by a dummy, for example also by a dual-gate trigger, so that the control is decoupled by the current limitation from the control input to the stacking of the MOSFET in a higher-impedance manner.
  • the controllable drive circuit for generating the required clock signal can be formed by an astable multivibrator.
  • the duty cycle of the astable multivibrator is varied in the sense of constant-current or constant-voltage regulation. This Tastverphaselnissrege- ment can be done at a constant clock frequency, or with the help of a variable clock frequency when the duty cycle is held.
  • the current limiting circuit may additionally include a low pass in the voltage monitoring area that smoothes the signal applied to the series capacitor to the primary winding to provide a corresponding control signal to the voltage monitoring circuit.
  • the current monitoring circuit may include a transistor, and a self-holding semiconductor switching element, such as a thyristor, which is driven via the transistor. The working distance of the Tyristor is parallel to a control path of the control track semiconductor switch.
  • a half-wave rectifier circuit with filter capacitor can be connected to the secondary winding.
  • circuit diagram is simplified and shows only elements that are required for understanding.
  • the single figure of the drawing shows the circuit diagram of the circuit arrangement according to the invention.
  • the FIGURE shows the circuit diagram of a circuit arrangement which is intended to supply electrical consumers in a potentially explosive area with power. Examples of such applications are bus systems.
  • a relatively high current flows at a relatively low voltage.
  • care must be taken to ensure that the current on the power supply line leading into the hazardous area is not allowed to exceed inadmissibly high levels even if a consumer fails and draws too much current.
  • the devices must not be endangered by the fact that on the secondary side due to a failure of a consumer too high supply voltage would arise.
  • the circuit arrangement has two input terminals 1 and 2, which together form a power supply input 3.
  • the electrical energy is delivered to output terminals 4 and 5, which together represent a power supply output 6.
  • the power supply input 3 is electrically isolated from the power supply output 6 via a transformer 7, to which a primary winding 8 and a secondary winding 9 belong.
  • the necessary AC voltage or the necessary AC current through the primary winding 8 is generated by means of a Mosfet 11.
  • the primary winding 8 is connected in parallel no free-wheeling diode.
  • To the primary winding 8 a redundant voltage limiting circuit 12 is connected and a current limiting circuit 13. With both circuits, the above-explained redundancy is achieved.
  • an oscillator 14 is present.
  • the primary winding 8 and the mosfet 11 form a series circuit, which is connected in parallel to the inputs 1 and 2.
  • the source is at the input terminal 2 and the drain is connected to the primary winding.
  • the MOSFET 11 has a gate 15.
  • the gate 15 is connected to the oscillator 14 via a protective resistor 16 in the form of an astable variable duty cycle multivibrator.
  • This comprises a rectifier diode 17, which connects one end of the secondary winding 9 with a filter capacitor 18, whose other terminal leads back to the secondary winding 9.
  • the filter capacitor 18 is thus parallel to the two output terminals 4 and 5, to which the load is included.
  • the rectifier arrangement is a half-wave rectifier arrangement.
  • the mosfet 11 is operated in such a way that a total of one flyback converter circuit results, ie the energy transmission within the transformer 7 takes place during during the shutdown phase of Mosfet 11.
  • the circuit arrangement operates regulated by the duty cycle, with which the Mosfet 11 is driven, is readjusted accordingly.
  • the voltage monitoring circuit 12 has the purpose, regardless of the normally effective control to ensure forcibly limit the output voltage of the secondary winding 9.
  • the voltage limiting circuit 12 includes a storage capacitor 19, which is connected in parallel via a decoupling diode 21 to the primary winding 8. The arrangement is such that the anode of the diode 21 is connected to the drain of the Mosfet 11, while the capacitor 19 is connected at its end remote from the diode 21 to the terminal 1.
  • a series circuit of two ohmic resistors 22 and 23 In addition to the capacitor 19 is a series circuit of two ohmic resistors 22 and 23.
  • the voltage limiting circuit 12 includes a bipolar PNP transistor 24 and a bipolar NPN transistor 25.
  • the transistor 24 is located with its emitter at the cathode of the diode 21, while the collector is connected via a resistor 26 to the circuit ground 2 and a Zener diode 27 to the base of the transistor 25.
  • a shunt regulator 28 lies with its main line connections between the base of the transistor 24 and the hot end of the primary winding 8 or the input terminal 1. The control terminal of the shunt regulator 28 is connected to the junction between the two ohmic resistors 22 and 23.
  • the two resistors 22 and 23 define in this way the switching threshold, from which the shunt regulator 28 is conductive.
  • the transistor 25 is finally connected with its collector to the gate 15 while the emitter is connected to the source of the mosfet 11 and the input terminal 2, respectively.
  • the current limiting device 13 comprises a capacitor 28 which is parallel to the power path of the MOSFET 11, i. the capacitor 29 is at one end at the source and at the other end at the drain. Further, to the capacitor 28, an RC element consisting of a resistor 30 and a capacitor 31, connected in parallel.
  • a Tyris- 33 is controlled, whose control terminal is connected to the collector of the transistor 32.
  • the anode of the tyristor 33 is connected to the gate 15 and the cathode is connected to the source of the mosfet 11.
  • the thyristor 33 is thus parallel to the power path of the Mosfet 11th
  • the drive circuit for the Mosfet 11 ensures that this is supplied with a Facultyeckerpuls, whereby the Mosfet 11 is periodically controlled via the gate 14 and to.
  • the mosfet 11 In the conducting state, the mosfet 11 generates a current through the primary winding 8.
  • the magnetic energy stored in the primary winding 8 during the conduction phase of the mosfet 11 is transferred to the secondary winding 9, so that the switched on load is supplied with power.
  • the Aufberichtn the transistor 24 of the input voltage to the terminals 1, 2 is independent.
  • the conduction state of the transistor 24 is controlled exclusively by the voltage across the integration capacitor 19 in conjunction with the shunt regulator 28.
  • the input voltage is, however, a.
  • the Zener diode 27 can be omitted and the divider resistors 22, 23 are dimensioned such that the shunt regulator 28 opens only when the threshold is exceeded for the allowable voltage at the primary winding 9 upwards, which corresponds to a corresponding overvoltage on the secondary winding 8 in the freewheeling state.
  • the capacitor 19 results in conjunction with the two resistors 22, 23 and the KoI- lector current of the transistor 24, the voltage drops below the threshold voltage of the Zener diode 27 and the transistor 25 goes into the blocking state, so that again clock pulses can get into the mosfet 11.
  • the blocking oscillator resumes its function. Should the overvoltage occur again, the interplay explained above will be repeated. With a correspondingly small time constant of the drive side of the transistor 24, this intervention can also disappear within a pulse with which the MOSFET 11 is controlled in the conducting state.
  • the astable multivibrator 14 with which the input signal to the mosfet 11 is generated may have a constant frequency and a constant duty cycle.
  • the pulse length is then finally determined by the voltage limiting circuit 12 by periodically suppressing the pending pulse via the voltage limiting circuit 12.
  • the voltage curve on the primary winding is a measure of the current flowing on the secondary side.
  • the energy is transferred to the secondary coil, with the current that the secondary coil delivers to the consumers during the freewheeling time in conjunction with the series capacitor 28 shows a characteristic time course.
  • the resistor 29 also works in conjunction with the capacitor 31 as a low-pass filter to form an average value of the voltage curve that occurs at the capacitor 28, since it is immediately abruptly discharged when switching on the Mosfet 11.
  • the oscillator 14 operates as an astable Multivibrat- or, which is voltage controlled. It contains as active module a differential amplifier 35 with an inverting and a non-inverting input. The non-inverting input is connected via a feedback resistor 36 to the output of the differential amplifier 35 to produce a Schmitt trigger behavior. A negative feedback resistor 37 connects the output to the inverting input which, moreover, continues to be connected to the circuit ground corresponding to terminal 2 via a filter capacitor 38. The output of the differential amplifier 35 is connected to the gate 15 of the mosfet 11. The control voltage is obtained by the oscillator 14 in that the non-inverting input of the differential amplifier 35 is connected via a resistor 39 to the collector of the transistor 24. The voltage across the resistor 39, where it is connected to the collector of the transistor 24, thus corresponds to the sum of the voltages applied to the input 3, plus the voltage across the capacitor 19th
  • the capacitor 38 In the oscillating state, the capacitor 38 is charged by the differential amplifier 35 through the resistor 37. As soon as this voltage is above the control voltage at the non-inverting input, the differential amplifier 35 is switched off, which receives a Schmid trigger characteristic with the aid of the resistor 36. When the differential amplifier 35 is switched off, the capacitor 38 is discharged via the resistor 37 from the output of the differential amplifier 35 forth. The switching on of the input-output voltage is repeated as soon as the voltage across the capacitor 38 has dropped far enough.
  • the oscillator 14 which controls the power semiconductor to the primary current in the transformer 7 periodically on and off to be controlled by means of an oscillator 14, which also receives its control voltage from the primary winding 8. It is thus one third winding on the transformer 7 dispensable to control the blocking oscillator via such a feedback winding, as is well known in the prior art. If the control voltage in the blocking oscillator according to the invention is derived directly from the voltage.
  • the described circuit according to the invention contains a total of three modules in the form of voltage monitoring 12, the current monitor 13 and the astable Multivibrat- ors 14. These modules are independent of each other insofar as the circuit without the current monitor 13 and without the voltage monitor 12 executed only with the oscillator 14 can be.
  • the oscillator 14 may be replaced by an oscillator which operates on the transformer 7 with a feedback winding.
  • the voltage monitoring circuit 12 and / or the current monitoring circuit 13 can be used independently of each other on such an oscillator circuit. Which of these circuits is used depends on the desired level of security.
  • a flyback converter circuit operates with a transformer having only a primary and a secondary winding.
  • the transformer contains no feedback winding for the blocking oscillator.
  • the control voltage for the oscillator is derived from the primary voltage of the transformer, during the freewheeling phase. Further, a voltage monitoring circuit is provided which operates independently of the oscillator, which suppresses output voltage of the oscillator when the voltage at the output of the flyback converter is too large.
  • a current monitoring circuit operates independently of the oscillator and the voltage monitoring circuit and suppresses the pulses for the power transistor when the current on the output side exceeds a predetermined level.
  • the monitoring circuits operate virtually powerless, so that no special cooling measures are required.

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Abstract

According to the invention, a blocking oscillator type converter circuit functions with a transformator that only comprises a primary winding and a secondary winding. Said transformator does not comprise a return coupling winding for the blocking oscillator. The control voltage of the oscillator is derived from the primary voltage of the transformator during the free-wheeling phase. The invention also relates to a voltage monitoring circuit that works independently from the oscillator, the output voltage of the oscillator being repressed when the voltage on the output of the blocking oscillator is too high. A flow monitoring circuit functions independently from the oscillator and the voltage monitoring circuit and suppresses the impulses for the power transistor when the power on the output side exceeds a predetermined measurement.

Description

Stromversorqunqsanordnunq mit Überwachung des Ausgangs- StromsPower supply arrangement with monitoring of the output current
In zunehmendem Maße gehen die Bemühungen bei elektrischen Anlagen dahin, die Sicherheit zu erhöhen, indem zusätzlich Redundanz vorgesehen wird. Dies gilt insbesondere für den explosionsgefährdeten Bereich. Hier sollen gefährliche Betriebssituationen soweit wie möglich ausgeschlossen werden.Increasingly, efforts in electrical equipment are seeking to increase safety by providing additional redundancy. This applies in particular to the potentially explosive area. Here, dangerous operating situations should be excluded as much as possible.
Im explosionsgeschützten Bereich können Gefährdungen auftreten, wenn auf den Leitungen, die in eine gefährdete Zone führen, Ströme und/oder Spannungen auftreten, die einen zündfähigen Funken erzeugen können. Andererseits ist bei entsprechenden Leistungen auch die Gefahr gegeben, dass Bauteile Oberflächentemperaturen erreichen können, die wiederum ein zündfähiges Gemisch zünden können. Beide Risiken steigen infolge von immer mehr Strom ziehende Verbraucher wie z. B. moderne Bussysteme.Hazards may occur in the explosion-proof area if there are currents and / or voltages on the lines leading into an endangered zone which can generate an ignitable spark. On the other hand, there is the danger, with corresponding performances, that components can reach surface temperatures, which in turn can ignite an ignitable mixture. Both risks are rising as a result of more and more electricity-consuming consumers such. B. modern bus systems.
Das Augenmerk gilt deswegen den Stromversorgungseinrichtungen und -anordnungen um sicher zu stellen, dass zusätzlich zu den normalen vorhandenen Kontrollen Mechanismen wirksam sind, um gefährliche Zustände auch dann auszuschließen, wenn ein Fehler in den standardmäßigen Regelkreisen aufgetreten ist.Attention is therefore directed to the power supply equipment and arrangements to ensure that, in addition to the normal controls present, mechanisms are in place to eliminate dangerous conditions even when a fault has occurred in the standard control circuits.
Aus dem Stand der Technik sind Stromversorgungseinrichtungen bekannt, die nach dem Sperrwandler- oder nach dem Durchflusswandlerprinzip arbeiten. Diese Schaltungen verwenden Transformatoren mit galvanisch getrennten Wicklungen und dienen dazu, die AusgangsSpannung gegenüber der Eingangsspannung herunter oder herauf zu setzen. Diese Wandlerschaltungen enthalten Rückkopplungsmechanismen um Strom und/oder Spannung auf der Sekundärseite zu regeln.From the prior art power supply devices are known which after the flyback converter or after working on the flow converter principle. These circuits use galvanically isolated windings and serve to lower or raise the output voltage relative to the input voltage. These converter circuits include feedback mechanisms to regulate current and / or voltage on the secondary side.
Die Wandlerschaltungen enthalten primärseitig wenigstens einen gesteuerten Halbleiterschalter in Serie zu der Primärwicklung des Transformators um den entsprechenden Wechselstrom zu erzeugen.The converter circuits comprise, on the primary side, at least one controlled semiconductor switch in series with the primary winding of the transformer to generate the corresponding alternating current.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Stromversorgungsanordnung mit galvanischer Trennung zu schaffen, die eine erhöhte Sicherheit aufweist.Based on this, it is an object of the invention to provide a power supply arrangement with galvanic isolation, which has an increased security.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe mit einer Stromversorgungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1.According to one aspect of the invention, this object is achieved with a power supply arrangement having the features of claim 1.
Gemäß der Erfindung wird eine Stromversorgungsanordnung mit galvanischer Trennung geschaffen, die geeignet ist, den Strom auf der Sekundärseite zu begrenzen. Hier wird eine Schaltungsvariante eingesetzt, bei der der auf der Sekundärseite fließende Strom indirekt durch die Verhältnisse an der Primärseite erfasst wird. Im Entladevorgang ist die Induktivität enthaltene Energie bei konstanter Versorgungsspannung dem Strom proportional solange nicht die Sättigungsgrenze erreicht wird. Ferner ist der Strom auf der Primärseite bei Vernachlässigung der Steuerinduktivität dem Strom auf der Primärseite proportional so dass im Abschalt zustand die Spannung auf der Primärseite dem Strom auf der Sekundärseite proportional ist. Die neue Stromversorgungsanordnung mit galvanischer Trennung insbesondere im explosionsgeschützter Ausführung weist einen Stromversorgungseingang auf. Zu dem Stromversorgungseingang liegt eine Serienschaltung aus der Primärwicklung eines Transformators und einen gesteuerten Halbleiter parallel . Die Primärwicklung des Transformators ist von der Sekundärwicklung galvanisch getrennt .According to the invention, a power supply arrangement with galvanic isolation is provided, which is suitable to limit the current on the secondary side. Here, a circuit variant is used in which the current flowing on the secondary side is detected indirectly by the conditions on the primary side. In the discharge process, the energy contained in the inductance at constant supply voltage is proportional to the current as long as the saturation limit is not reached. Furthermore, the current on the primary side neglecting the control inductance is proportional to the current on the primary side so that in the shutdown state, the voltage on the primary side is proportional to the current on the secondary side. The new power supply arrangement with galvanic isolation, in particular in the explosion-proof version, has a power supply input. To the power supply input is a series circuit of the primary winding of a transformer and a controlled semiconductor in parallel. The primary winding of the transformer is galvanically isolated from the secondary winding.
Dem Halbleiterschalter ist eine steuerbare Ansteuerschaltung zugeordnet, die für den Halbleiterschalter ein periodisches Steuersignal liefert, dass derart gesteuert ist, dass die Ausgangspannung oder der Strom durch diese konstant ist .The semiconductor switch is associated with a controllable drive circuit which supplies a periodic control signal for the semiconductor switch, which is controlled such that the output voltage or the current through them is constant.
Es ist eine Strombegrenzungsschaltung vorgesehen, die zu dem Halbleiterschalter parallel liegt und einen zu dem Halbleiterschalter parallel liegenden Kondensator enthält. Der Kondensator liegt ebenfalls in Serie zu der Primärwicklung. Eine Spannungsüberwachungsschaltung liegt eingangs - seitig um ein Ausgangssignal zu erzeugen das auf den Schaltzustand des Halbleiterschalters einwirkt derart, dass der Halbleiterschalter in den Sperrzustand überführt wird, wenn die Spannung an dem Kondensator einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.There is provided a current limiting circuit which is parallel to the semiconductor switch and includes a parallel to the semiconductor switch capacitor. The capacitor is also in series with the primary winding. A voltage monitoring circuit is on the input side to generate an output signal which acts on the switching state of the semiconductor switch such that the semiconductor switch is switched to the blocking state when the voltage across the capacitor exceeds a predetermined limit.
Hierbei wird von dem Umstand Gebrauch gemacht, das nach dem Abschalten des Halbleiterschalters ein Freilaufstrom fließt, der seinerseits wiederum ein Abbild der Verhältnisse an der Sekundärseite ist.In this case, use is made of the circumstance that, after switching off the semiconductor switch, a freewheeling current flows, which in turn is an image of the conditions on the secondary side.
Es kann so der Strom auf der Sekundärseite begrenzt werden, ohne dass auf der Sekundärseite zusätzliche Stromsensoren implementiert werden deren Sensorsignal galvanisch getrennt auf die Primärseite des Transformators übertragen wird.It can thus be limited to the current on the secondary side without additional current sensors are implemented on the secondary side of their sensor signal galvanic is transmitted separately to the primary side of the transformer.
Die Messung des Stroms auf der Sekundärseite erfolgt somit indirekt über eine Spannungsmessung, was dazu führt dass die Anordnung sehr leistungsarm arbeitet. Probleme der Temperaturerhöhung oder des Innenwiderstandes werden so umgangen .The measurement of the current on the secondary side is thus indirectly via a voltage measurement, which means that the arrangement operates very low power. Problems of temperature increase or internal resistance are thus avoided.
Je nach Anwendungsfall kann die Windungszahl der Sekundärwicklung größer oder kleiner sein als die Windungs- zahl der Primärwicklung.Depending on the application, the number of turns of the secondary winding may be greater or smaller than the number of turns of the primary winding.
Der gesteuerte Halbleiterschalter kann von einem Mos- fet, beispielsweise auch von einem Dualgatemosfet gebildet sein, so dass die Steuerung durch die Strombegrenzung hoch- ohmiger von dem Steuereingang zum Tackten des Mosfet entkoppelt ist.The controlled semiconductor switch may be formed by a dummy, for example also by a dual-gate trigger, so that the control is decoupled by the current limitation from the control input to the stacking of the MOSFET in a higher-impedance manner.
Die steuerbare Ansteuerschaltung zum Erzeugen des erforderlichen Taktsignals kann von einem astabilen Multivi- brator gebildet sein. Das Tastverhältnis des astabilen MuI- tivibrators wird im Sinne einer Konstantström- oder Kon- stantspannungsregelung variiert. Diese Tastverhälnissrege- lung kann bei konstanter Taktfrequenz erfolgen, oder mit Hilfe einer variable Taktfrequenz, wenn die Einschaltdauer festgehalten ist.The controllable drive circuit for generating the required clock signal can be formed by an astable multivibrator. The duty cycle of the astable multivibrator is varied in the sense of constant-current or constant-voltage regulation. This Tastverhälnissrege- ment can be done at a constant clock frequency, or with the help of a variable clock frequency when the duty cycle is held.
Die Strombegrenzungsschaltung kann zusätzlich in dem Spannungsüberwachungsbereich einen Tiefpass enthalten, der das Signal, das an dem Serienkondensator zu der Primärwicklung anliegt, glättet, um ein entsprechendes Steuersignal für die Spannungsüberwachungsschaltung zu schaffen. Die StromüberwachungsSchaltung kann einen Transistor enthalten, sowie ein selbsthaltendes Halbleiterschaltglied, beispielsweise einen Tyristor, der über den Transistor angesteuert wird. Die Arbeitsstrecke des Tyristors liegt parallel zu einer Steuerstrecke des Steuerbahnhalbleiterschalters .The current limiting circuit may additionally include a low pass in the voltage monitoring area that smoothes the signal applied to the series capacitor to the primary winding to provide a corresponding control signal to the voltage monitoring circuit. The current monitoring circuit may include a transistor, and a self-holding semiconductor switching element, such as a thyristor, which is driven via the transistor. The working distance of the Tyristor is parallel to a control path of the control track semiconductor switch.
Vorteilhaft ist es, wenn die Anordnung nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitet .It is advantageous if the arrangement operates on the flyback converter principle.
An die Sekundärwicklung kann eine Halbwellengleich- richterschaltung mit Siebkondensator engeschlossen sein.A half-wave rectifier circuit with filter capacitor can be connected to the secondary winding.
Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.Incidentally, developments of the invention are the subject of subclaims.
Die nachfolgende Figurenbeschreibung erläutert Aspekte zum Verständnis der Erfindung. Weitere nicht beschriebene Details kann der Fachmann in der gewohnten Weise dem Schaltbild entnehmen, das insoweit die Figurenbeschreibung ergänzt. Es ist klar, dass eine Reihe von Abwandlungen an der Schaltung möglich sind.The following description of the figures explains aspects for understanding the invention. Further details which are not described by the skilled person can be taken from the circuit diagram in the usual way, which complements the description of the figures to that extent. It is clear that a number of modifications to the circuit are possible.
Die genaue Dimensionierung der einzelnen Bauteile kann der Fachmann ohne Weiteres anhand der gegebenen Funktions- erläuterung vornehmen.The exact dimensioning of the individual components, the expert can readily make with reference to the given functional explanation.
Im Übrigen ist das Schaltbild vereinfacht und zeigt nur Elemente die zum Verständnis erforderlich sind.Incidentally, the circuit diagram is simplified and shows only elements that are required for understanding.
Die einzige Figur der Zeichnung gibt das Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wieder. Die Figur zeigt das Prinzipschaltbild einer Schal - tungsanordnung, die dazu vorgesehen ist, elektrische Verbraucher in einem explosionsgefährdeten Bereich mit Strom zu versorgen. Beispiele für solche Anwendungen sind Bus- systeme. Hier fließt eine verhältnismäßig hoher Strom bei einer relativ niedrigen Spannung. Aus Sicherheitsgründen muss dafür gesorgt werden, dass auf der Stromversorgungs- leitung, die in den explosionsgefährdeten Bereich führt, der Strom auch dann keine unzulässig hohen Werte annehmen darf, wenn ein Verbraucher versagt und zu hohen Strom ziehen würde. Andererseits dürfen die Geräte auch nicht dadurch gefährdet werden, dass auf der Sekundärseite wegen eines Ausfalls eines Verbrauchers eine zu hohe Speisespannung entstehen würde.The single figure of the drawing shows the circuit diagram of the circuit arrangement according to the invention. The FIGURE shows the circuit diagram of a circuit arrangement which is intended to supply electrical consumers in a potentially explosive area with power. Examples of such applications are bus systems. Here a relatively high current flows at a relatively low voltage. For safety reasons, care must be taken to ensure that the current on the power supply line leading into the hazardous area is not allowed to exceed inadmissibly high levels even if a consumer fails and draws too much current. On the other hand, the devices must not be endangered by the fact that on the secondary side due to a failure of a consumer too high supply voltage would arise.
Normalerweise wird das Einhalten dieser Randbedingungen durch die inhärente Regelung bewerkstelligt . Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist darüber hinaus eine zusätzliche Redundanz vorgesehen, die eingreift, falls die normale Regelung versagen sollte.Normally, compliance with these constraints is accomplished by the inherent control. In addition, in the circuit arrangement according to the invention according to FIG. 1, an additional redundancy is provided which intervenes if the normal control should fail.
Die Schaltungsanordnung weist zwei Eingangsklemmen 1 und 2 auf, die gemeinsam einen Stromversorgungseingang 3 bilden. Die elektrische Energie wird an Ausgangsklemmen 4 und 5 abgegeben, die zusammen einen Stromversorgungsausgang 6 darstellen. Der Stromversorgungseingang 3 ist von dem Stromversorgungsausgang 6 galvanisch über einen Transformator 7 getrennt, zu dem eine Primärwicklung 8 und eine Sekundärwicklung 9 gehören. Die notwendige WechselSpannung bzw. der notwendige Wechselstrom durch die Primärwicklung 8 wird mit Hilfe eines Mosfet 11 erzeugt. Der Primärwicklung 8 ist keine Freilaufdiode parallel geschaltet. An die Primärwicklung 8 ist eine reduntante Spannungs- begrenzungsschaltung 12 angeschlossen sowie eine Strombegrenzungsschaltung 13. Mit beiden Schaltungsanordnungen wird die oben erläuterte Redundanz erreicht. Außerdem ist ein Oszillator 14 vorhanden.The circuit arrangement has two input terminals 1 and 2, which together form a power supply input 3. The electrical energy is delivered to output terminals 4 and 5, which together represent a power supply output 6. The power supply input 3 is electrically isolated from the power supply output 6 via a transformer 7, to which a primary winding 8 and a secondary winding 9 belong. The necessary AC voltage or the necessary AC current through the primary winding 8 is generated by means of a Mosfet 11. The primary winding 8 is connected in parallel no free-wheeling diode. To the primary winding 8 a redundant voltage limiting circuit 12 is connected and a current limiting circuit 13. With both circuits, the above-explained redundancy is achieved. In addition, an oscillator 14 is present.
Die Primärwicklung 8 und der Mosfet 11 bilden eine Serienschaltung, die zu den Eingängen 1 und 2 parallel geschaltet ist. Hierbei liegt das Source an der Eingangsklemme 2 und das Drain ist mit der Primärwicklung verbunden.The primary winding 8 and the mosfet 11 form a series circuit, which is connected in parallel to the inputs 1 and 2. Here, the source is at the input terminal 2 and the drain is connected to the primary winding.
Der Mosfet 11 verfügt über ein Gate 15. Das Gate 15 liegt über einen Schutzwiderstand 16 an dem Oszillator 14 in Gestalt eines astabilen geregelten Multivibrators mit variablem Tastverhältnis.The MOSFET 11 has a gate 15. The gate 15 is connected to the oscillator 14 via a protective resistor 16 in the form of an astable variable duty cycle multivibrator.
Die Sekundärwicklung 9, deren Wicklungssinn gegenüber der Primärwicklung 8 mit den Punkten bezeichnet ist, ist mit einer Einweggleichrichterschaltung verbunden. Diese umfasst eine Gleichrichterdiode 17, die ein Ende der Sekundärwicklung 9 mit einem Siebkondensator 18 verbindet, dessen anderer Anschluss zu der Sekundärwicklung 9 zurückführt .The secondary winding 9, whose winding sense with respect to the primary winding 8 is denoted by the points, is connected to a half-wave rectifier circuit. This comprises a rectifier diode 17, which connects one end of the secondary winding 9 with a filter capacitor 18, whose other terminal leads back to the secondary winding 9.
Der Siebkondensator 18 liegt damit parallel zu den beiden Ausgangsanschlüssen 4 und 5, an die die Last eingeschlossen ist.The filter capacitor 18 is thus parallel to the two output terminals 4 and 5, to which the load is included.
Wie unschwer zu erkennen ist, handelt es sich bei der Gleichrichteranordnung um eine Halbwellengleichrichteran- ordnung . Der Mosfet 11 wird so betrieben, dass sich insgesamt eine Sperrwandlerschaltung ergibt, d.h. die Energieübertragung innerhalb des Transformators 7 geschieht wäh- rend der Abschaltphase des Mosfet 11.As can be easily seen, the rectifier arrangement is a half-wave rectifier arrangement. The mosfet 11 is operated in such a way that a total of one flyback converter circuit results, ie the energy transmission within the transformer 7 takes place during during the shutdown phase of Mosfet 11.
An sich arbeitet die Schaltungsanordnung geregelt, indem das Tastverhältnis, mit dem der Mosfet 11 angesteuert wird, entsprechend nachgeregelt wird.In itself, the circuit arrangement operates regulated by the duty cycle, with which the Mosfet 11 is driven, is readjusted accordingly.
Die Spannungsüberwachungsschaltung 12 hat den Zweck, unabhängig von der normalerweise wirksamen Regelung dafür zu sorgen, zwangsweise die AusgangsSpannung der Sekundärwicklung 9 zu begrenzen. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 12 enthält einen Speicherkondensator 19, der über eine Entkopplungsdiode 21 zu der Primärwicklung 8 parallel geschaltet ist. Die Anordnung ist so getroffen, dass die Anode der Diode 21 mit dem Drain des Mosfet 11 verbunden ist, während der Kondensator 19 mit seinem von der Diode 21 abliegenden Ende an den Anschluss 1 angeschaltet ist.The voltage monitoring circuit 12 has the purpose, regardless of the normally effective control to ensure forcibly limit the output voltage of the secondary winding 9. The voltage limiting circuit 12 includes a storage capacitor 19, which is connected in parallel via a decoupling diode 21 to the primary winding 8. The arrangement is such that the anode of the diode 21 is connected to the drain of the Mosfet 11, while the capacitor 19 is connected at its end remote from the diode 21 to the terminal 1.
Parallel zu dem Kondensator 19 liegt eine Serienschaltung aus zwei ohmschen Widerständen 22 und 23. Außerdem gehört zu der Spannungsbegrenzungsschaltung 12 ein bipolarer PNP-Transistor 24 sowie ein bipolarer NPN-Transistor 25. Der Transistor 24 liegt mit seinem Emitter an der Kathode der Diode 21, während der Kollektor über einen Widerstand 26 mit der Schaltungsmasse 2 und eine Z-Diode 27 mit der Basis des Transistors 25 verbunden ist. Ein Shuntregu- lator 28 liegt mit seinen Hauptstreckenanschlüssen zwischen der Basis des Transistors 24 und dem heißen Ende der Primärwicklung 8 bzw. dem Eingangsanschluss 1. Der Steueran- schluss des Shuntregulators 28 ist an die Verbindungsstelle zwischen den beiden ohmschen Widerständen 22 und 23 angeschaltet. Die beiden Widerstände 22 und 23 definieren auf diese Weise die Schaltschwelle, ab der der Shuntregulator 28 leitend wirkt. Der Transistor 25 ist schließlich mit seinem Kollektor an dem Gate 15 angeschlossen während der Emitter an dem Source des Mosfet 11 bzw. dem Eingangsanschluss 2 liegt.In addition to the capacitor 19 is a series circuit of two ohmic resistors 22 and 23. In addition to the voltage limiting circuit 12 includes a bipolar PNP transistor 24 and a bipolar NPN transistor 25. The transistor 24 is located with its emitter at the cathode of the diode 21, while the collector is connected via a resistor 26 to the circuit ground 2 and a Zener diode 27 to the base of the transistor 25. A shunt regulator 28 lies with its main line connections between the base of the transistor 24 and the hot end of the primary winding 8 or the input terminal 1. The control terminal of the shunt regulator 28 is connected to the junction between the two ohmic resistors 22 and 23. The two resistors 22 and 23 define in this way the switching threshold, from which the shunt regulator 28 is conductive. The transistor 25 is finally connected with its collector to the gate 15 while the emitter is connected to the source of the mosfet 11 and the input terminal 2, respectively.
Die Strombegrenzungseinrichtung 13 umfasst einen Kondensator 28, der parallel zu der Leistungsstrecke des Mosfet 11 liegt, d.h. der Kondensator 29 liegt einends an dem Source und anderenends an dem Drain. Ferner ist zu dem Kondensator 28 ein RC-Glied, bestehend aus einem Widerstand 30 und einem Kondensator 31, parallel geschaltet.The current limiting device 13 comprises a capacitor 28 which is parallel to the power path of the MOSFET 11, i. the capacitor 29 is at one end at the source and at the other end at the drain. Further, to the capacitor 28, an RC element consisting of a resistor 30 and a capacitor 31, connected in parallel.
Parallel zu dem Widerstand 30 liegt die Steuerstrecke eines bipolaren PNP-Transistors 32, dessen Emitter mit dem Drain des Mosfet 11 in Verbindung steht.Parallel to the resistor 30 is the control path of a bipolar PNP transistor 32, whose emitter is connected to the drain of the Mosfet 11.
Über den Kollektor des Transistors 32 wird ein Tyris- tor 33 gesteuert, dessen Steueranschluss mit dem Kollektor des Transistors 32 verbunden ist. Die Anode des Tyristors 33 liegt an dem Gate 15 und die Kathode ist an dem Source des Mosfet 11 angeschlossen. Der Tyristor 33 liegt damit parallel zu der Leistungsstrecke des Mosfet 11.Via the collector of the transistor 32, a Tyris- 33 is controlled, whose control terminal is connected to the collector of the transistor 32. The anode of the tyristor 33 is connected to the gate 15 and the cathode is connected to the source of the mosfet 11. The thyristor 33 is thus parallel to the power path of the Mosfet 11th
Die insoweit beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt:The circuit described so far operates as follows:
Im Normalbetrieb sorgt die Ansteuerschaltung für den Mosfet 11 dafür, dass dieser mit einem Rechteckerpuls beaufschlagt wird, wodurch der Mosfet 11 über das Gate 14 periodisch auf und zu gesteuert wird. Im leitenden Zustand erzeugt der Mosfet 11 einen Strom durch die Primärwicklung 8. Im abgeschalteten Zustand wird die während der Leitungsphase des Mosfet 11 in der Primärwicklung 8 gespeicherte magnetische Energie auf die Sekundärwicklung 9 übertragen, so dass die angeschaltete Last mit Strom versorgt wird.In normal operation, the drive circuit for the Mosfet 11 ensures that this is supplied with a Rechteckerpuls, whereby the Mosfet 11 is periodically controlled via the gate 14 and to. In the conducting state, the mosfet 11 generates a current through the primary winding 8. When switched off, the magnetic energy stored in the primary winding 8 during the conduction phase of the mosfet 11 is transferred to the secondary winding 9, so that the switched on load is supplied with power.
Durch Variation des Tastverhältnisses des Pulses der in das Gate 15 gelangt, wird sichergestellt, dass bei gegebener bzw. variabler Last an dem Ausgangsanschluss 6 die Spannung über den Siebkondensator 18 konstant gehalten wird .By varying the duty cycle of the pulse entering the gate 15, it is ensured that, given a given or variable load at the output terminal 6, the voltage across the filter capacitor 18 is kept constant.
Während der Freilaufphase, d.h. wenn der Mosfet 11 abgeschaltet ist, reflektiert der Strom durch die Primärwicklung 8 und die dort auftretende Spannung die Strom- und Spannungssituation an der Sekundärwicklung 9.During the freewheeling phase, i. when the mosfet 11 is turned off, the current through the primary winding 8 and the voltage occurring there reflects the current and voltage situation at the secondary winding. 9
Im Normalbetrieb entsteht während der Freilaufphase an der Primärwicklung 8 eine Spannung, die dazu führt, dass über die Diode 21 der Siebkondensator 19, der als Integrator wirkt, aufgeladen wird. Die am Kondensator 19 anstehende Spannung wird über die Teilerwiderstände 22, 23 auf einen entsprechenden Wert herunter geteilt, wie er sich aus der nachfolgenden Funktionsbeschreibung ergibt. Im Normal - betrieb ist die Spannung ausreichend hoch, damit der Shunt- regulator 28 leitend wird und somit einen Basisstrom für den Transistor 24 erzeugt. Der somit aufgesteuerte Transistor 24 erzeugt einen Spannungsabfall an dem Widerstand 26 der ein Abbild der Spannung auf der Sekundärseite des Transformators 7 ist. Im Normalbetrieb bleibt die Z-Diode 27 gesperrt. Erst wenn aufrund einer Störung auf der Sekundärseite und einer Störung des Oszillators 14 die Spannung zu hoch werden sollte und die Schaltschwelle der Z- Diode 27 überschreitet, wird zusätzlich ein Basisstrom für den Transistor 25 erzeugt. Der Transistor 25 wird aufgesteuert und schließt das Gate 15 des Mosfet 11 gegen Masse kurz. Der Mosfet 11 ist damit gesperrt. Der Sperrzustand bleibt erhalten, bis die Spannung an dem Kondensator 19 zusammen mit der Spannung an den Eingangsanschlüssen 1, 2 einen Wert erreicht, der kleiner ist als der Schwellwert der Z-Diode 27.In normal operation, a voltage arises during the freewheeling phase at the primary winding 8, which leads to charging via the diode 21 of the filter capacitor 19, which acts as an integrator. The voltage applied to the capacitor 19 voltage is divided over the divider resistors 22, 23 to a corresponding value down, as it results from the following functional description. In normal operation, the voltage is sufficiently high for the shunt regulator 28 to become conductive, thus generating a base current for the transistor 24. The thus opened transistor 24 generates a voltage drop across the resistor 26 which is an image of the voltage on the secondary side of the transformer 7. In normal operation, the Zener diode 27 remains locked. Only when due to a fault on the secondary side and a disturbance of the oscillator 14, the voltage should be too high and exceeds the switching threshold of the Zener diode 27, a base current for the transistor 25 is additionally generated. The transistor 25 is turned on and short-circuits the gate 15 of the mosfet 11 to ground. The mosfet 11 is locked with it. The lock state is maintained until the voltage across the capacitor 19 together with the voltage at the input terminals 1, 2 reaches a value which is smaller than the threshold value of the Z-diode 27th
Wie sich aus der Zeichnung unschwer ergibt, ist das Aufsteuern des Transistors 24 von der Eingangsspannung an den Klemmen 1, 2 unabhängig. Der Leitzustand des Transistors 24 wird ausschließlich über die Spannung an dem Integrationskondensator 19 in Verbindung mit dem Shuntregula- tor 28 geregelt. In die Steuerspannung für den Transistor 25 geht die EingangsSpannung allerdings ein.As is apparent from the drawing, the Aufsteuern the transistor 24 of the input voltage to the terminals 1, 2 is independent. The conduction state of the transistor 24 is controlled exclusively by the voltage across the integration capacitor 19 in conjunction with the shunt regulator 28. In the control voltage for the transistor 25, the input voltage is, however, a.
Wenn aus dem Strom, den der Transistor 24 liefert, keine Steuerspannung für den Oszillator 14 abgeleitet werden soll, kann die Z-Diode 27 entfallen und die Teilerwiderstände 22, 23 werden so dimensioniert, dass der Shunt - regulator 28 erst aufmacht, wenn die Schwelle für die zulässige Spannung an der Primärwicklung 9 nach oben überschritten wird, was einer entsprechenden Überspannung an der Sekundärwicklung 8 im Freilaufzustand entspricht .If no control voltage for the oscillator 14 is to be derived from the current supplied by the transistor 24, the Zener diode 27 can be omitted and the divider resistors 22, 23 are dimensioned such that the shunt regulator 28 opens only when the threshold is exceeded for the allowable voltage at the primary winding 9 upwards, which corresponds to a corresponding overvoltage on the secondary winding 8 in the freewheeling state.
Nach einer vorgegebenen Zeit, die sich letztlich aus der Zeitkonstanten ergibt, die der Kondensator 19 in Verbindung mit den beiden Widerständen 22, 23 sowie dem KoI- lektorstrom des Transistors 24 ergibt, sinkt die Spannung unter die SchwellSpannung der Z-Diode 27 und der Transistor 25 geht in den Sperrzustand über, so dass wieder Taktimpulse in den Mosfet 11 gelangen können. Der Sperrschwinger nimmt seine Funktion wieder auf. Sollte die Überspannung wieder auftreten wiederholt sich das soeben erläuterte Wechselspiel . Bei entsprechend kleiner Zeitkonstanten der Ansteuerseite des Transistors 24 kann dieses Eingreifen auch innerhalb eines Impulses verschwinden, mit dem der Mosfet 11 in den leitenden Zustand gesteuert wird.After a predetermined time, which ultimately results from the time constant, the capacitor 19 results in conjunction with the two resistors 22, 23 and the KoI- lector current of the transistor 24, the voltage drops below the threshold voltage of the Zener diode 27 and the transistor 25 goes into the blocking state, so that again clock pulses can get into the mosfet 11. The blocking oscillator resumes its function. Should the overvoltage occur again, the interplay explained above will be repeated. With a correspondingly small time constant of the drive side of the transistor 24, this intervention can also disappear within a pulse with which the MOSFET 11 is controlled in the conducting state.
In diesem Falle kann der astabile Multivibrator 14, mit dem das Eingangssignal für den Mosfet 11 erzeugt wird, eine konstante Frequenz und ein konstantes Tastverhältnis haben. Die Impulslänge wird letztlich dann durch die Span- nungsbegrenzungsschaltung 12 festgelegt, indem der anstehende Puls über die Spannungsbegrenzungsschaltung 12 periodisch unterdrückt wird.In this case, the astable multivibrator 14 with which the input signal to the mosfet 11 is generated may have a constant frequency and a constant duty cycle. The pulse length is then finally determined by the voltage limiting circuit 12 by periodically suppressing the pending pulse via the voltage limiting circuit 12.
Wie oben bereits angedeutet, stellt während der Sperrphase der Spannungsverlauf an der Primärwicklung ein Maß für den auf der Sekundärseite fließenden Strom dar.As already indicated above, during the blocking phase, the voltage curve on the primary winding is a measure of the current flowing on the secondary side.
Während der Einschaltphase des Stroms durch die Primärwicklung 8 wird in den Transformator 7 magnetische Energie eingespeist . Die eingespeiste Energie ist proportional der Induktivität der Primärwicklung und der Zeitdauer über die der Mosfet 11 eingeschaltet ist.During the switch-on phase of the current through the primary winding 8, magnetic energy is fed into the transformer 7. The injected energy is proportional to the inductance of the primary winding and the duration over which mosfet 11 is turned on.
Während der Abschaltphase wird die Energie in die Sekundärspule übertragen, wobei der Strom, den die Sekundärspule an die Verbraucher abgibt, während der Freilaufzeit in Verbindung mit dem in Serie liegenden Kondensator 28 einen charakteristischen Zeitverlauf zeigt.During the shutdown phase, the energy is transferred to the secondary coil, with the current that the secondary coil delivers to the consumers during the freewheeling time in conjunction with the series capacitor 28 shows a characteristic time course.
Je größer der Strom ist, umso größer wird die Lade- schlussspannung an dem Kondensator 28 sein, bevor der Mosfet 11 wieder in den leitenden Zustand übergeht. Tritt eine übermäßige Stromentnahme auf, wird die Spannung an dem Kon- densator 28 so groß werden, dass sie größer ist als die Basisemitterspannung des Transistors 32 zuzüglich der Spannung an der Steuerstrecke des Tyristors 33. Dadurch wird der Transistor 32 leiten und in der Folge auch der Tyristor 33. Da der Tyristor 33 parallel zur Steuerstrecke des Feldeffekttransistors 11 liegt, schließt hier das Gate 15 gegenüber dem Source kurz und schaltet den Transistor 11 ab. Hiermit wird dem Mosfet 11 die Möglichkeit genommen den Strom durch die Primärwicklung 8 wieder einzuschalten.The greater the current, the greater will be the charging voltage at the capacitor 28, before the mosfet 11 reverts to the conducting state. If an excessive current drain occurs, the voltage at the Kon- As a result, the transistor 32 will conduct, and consequently also the thyristor 33. Since the thyristor 33 is parallel to the control path of the field-effect transistor 11, the gate 15 closes short here with respect to the source and switches off the transistor 11. Hereby the Mosfet 11 is taken the opportunity to turn on the current through the primary winding 8 again.
Der Widerstand 29 arbeitet im Übrigen in Verbindung mit dem Kondensator 31 als Tiefpass, um einen Mittelwert des Spannungsverlaufes zu bilden, der an dem Kondensator 28 auftritt, da dieser beim Einschalten des Mosfet 11 sofort schlagartig entladen wird.The resistor 29 also works in conjunction with the capacitor 31 as a low-pass filter to form an average value of the voltage curve that occurs at the capacitor 28, since it is immediately abruptly discharged when switching on the Mosfet 11.
Der Oszillator 14 arbeitet als astabiler Multivibrat- or, der spannungsgesteuert ist. Er enthält als aktive Baugruppe einen Differenzverstärker 35 mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang. Der nicht invertierende Eingang ist über einen Rückkopplungswiderstand 36 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 35 verbunden um ein Schmitt-Trigger-Verhalten zu erzeugen. Einen Gegenkopplungswiderstand 37 verbindet den Ausgang mit dem invertierenden Eingang, der im Übrigen weiterhin über einen Siebkondensator 38 mit der Schaltungsmasse entsprechend dem Anschluss 2 verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 35 ist an das Gate 15 des Mosfet 11 angeschlossen. Die Steuerspannung erhält der Oszillator 14, indem der nicht invertierende Eingang des Differenzverstärkers 35 über einen Widerstand 39 mit dem Kollektor des Transistors 24 verbunden ist. Die Spannung an dem Widerstand 39, dort wo er an dem Kollektor des Transistors 24 angeschlossen ist, entspricht damit der Summe der Spannungen, die an dem Eingang 3 anliegt, zuzüglich der Spannung an dem Kondensator 19.The oscillator 14 operates as an astable Multivibrat- or, which is voltage controlled. It contains as active module a differential amplifier 35 with an inverting and a non-inverting input. The non-inverting input is connected via a feedback resistor 36 to the output of the differential amplifier 35 to produce a Schmitt trigger behavior. A negative feedback resistor 37 connects the output to the inverting input which, moreover, continues to be connected to the circuit ground corresponding to terminal 2 via a filter capacitor 38. The output of the differential amplifier 35 is connected to the gate 15 of the mosfet 11. The control voltage is obtained by the oscillator 14 in that the non-inverting input of the differential amplifier 35 is connected via a resistor 39 to the collector of the transistor 24. The voltage across the resistor 39, where it is connected to the collector of the transistor 24, thus corresponds to the sum of the voltages applied to the input 3, plus the voltage across the capacitor 19th
Die Funktionsweise eines solchen astabilen Multivi- brators 14 ist bekannt und braucht deswegen nur pauschal erläutert zu werden:The mode of operation of such an astable multivibrator 14 is known and therefore needs only to be explained in a general way:
Im schwingenden Zustand wird bei durchgesteuertem Differenzverstärker 35 über den Widerstand 37 der Kondensator 38 aufgeladen. Sobald diese Spannung über der Steuerspannung an dem nicht invertierenden Eingang liegt, wird der Differenzverstärker 35 abgeschaltet, der mit Hilfe des Widerstands 36 eine Schmid-Trigger-Charakteristik bekommt. Bei abgeschaltetem Differenzverstärker 35 wird der Kondensator 38 über den Widerstand 37 vom Ausgang des Differenzverstärkers 35 her entladen. Das Einschalten der Eingangs- AusgangsSpannung wiederholt sich sobald die Spannung an dem Kondensator 38 weit genug abgesunken ist.In the oscillating state, the capacitor 38 is charged by the differential amplifier 35 through the resistor 37. As soon as this voltage is above the control voltage at the non-inverting input, the differential amplifier 35 is switched off, which receives a Schmid trigger characteristic with the aid of the resistor 36. When the differential amplifier 35 is switched off, the capacitor 38 is discharged via the resistor 37 from the output of the differential amplifier 35 forth. The switching on of the input-output voltage is repeated as soon as the voltage across the capacitor 38 has dropped far enough.
Dieses Spiel wiederholt sich periodisch.This game repeats periodically.
Da das Integrationsglied aus dem Widerstand 37 und dem Kondensator 38 konstant ist, ändert sich das Tastverhältnis entsprechend der Eingangsspannung, die an dem nicht invertierenden Eingang anliegt.Since the integrator of resistor 37 and capacitor 38 is constant, the duty cycle changes according to the input voltage applied to the non-inverting input.
Ersichtlicherweise wird der Oszillator 14, der den Leistungshalbleiter steuert um den Primärstrom in den Übertrager 7 periodisch ein und aus zu schalten mit Hilfe eines Oszillators 14 angesteuert, der seine Steuerspannung ebenfalls aus der Primärwicklung 8 bekommt. Es ist somit eine dritte Wicklung auf dem Übertrager 7 entbehrlich, um über eine solche Rückkopplungswicklung, wie sie aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist, den Sperrschwinger anzusteuern. Wird die SteuerSpannung bei dem erfindungsgemäßen Sperrschwinger unmittelbar aus der Spannung abgeleitet.Evidently, the oscillator 14, which controls the power semiconductor to the primary current in the transformer 7 periodically on and off to be controlled by means of an oscillator 14, which also receives its control voltage from the primary winding 8. It is thus one third winding on the transformer 7 dispensable to control the blocking oscillator via such a feedback winding, as is well known in the prior art. If the control voltage in the blocking oscillator according to the invention is derived directly from the voltage.
Die erläuterte erfindungsgemäße Schaltung enthält insgesamt drei Baugruppen in Gestalt der Spannungsüberwachung 12, der Stromüberwachung 13 und des astabilen Multivibrat- ors 14. Diese Baugruppen sind voneinander unabhängig insofern, als die Schaltung ohne die Stromüberwachung 13 und ohne die Spannungsüberwachung 12 nur mit dem Oszillator 14 ausgeführt werden kann.The described circuit according to the invention contains a total of three modules in the form of voltage monitoring 12, the current monitor 13 and the astable Multivibrat- ors 14. These modules are independent of each other insofar as the circuit without the current monitor 13 and without the voltage monitor 12 executed only with the oscillator 14 can be.
Andererseits kann der Oszillator 14 durch einen Oszillator ersetzt werden, der mit einer Rückkopplungswicklung auf den Übertrager 7 arbeitet. Auf einer solchen Oszillatorschaltung können unabhängig voneinander die Spannungs- überwachungsschaltung 12 und/oder die Stromüberwachungs- schaltung 13 eingesetzt werden. Welche dieser Schaltungen verwendet wird, richtet sich nach dem gewünschten Maß an Sicherheit .On the other hand, the oscillator 14 may be replaced by an oscillator which operates on the transformer 7 with a feedback winding. The voltage monitoring circuit 12 and / or the current monitoring circuit 13 can be used independently of each other on such an oscillator circuit. Which of these circuits is used depends on the desired level of security.
Eine Sperrwandlerschaltung arbeitet mit einem Transformator, der lediglich eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweist . Der Transformator enthält keine Rückkopplungswicklung für den Sperrschwinger.A flyback converter circuit operates with a transformer having only a primary and a secondary winding. The transformer contains no feedback winding for the blocking oscillator.
Die Steuerspannung für den Oszillator wird aus der Primärspannung des Transformators abgeleitet, und zwar während der Freilaufphase . Ferner ist eine Spannungsüberwachungsschaltung vorgesehen, die unabhängig vom Oszillator arbeitet, der Ausgangsspannung des Oszillators unterdrückt, wenn die Spannung am Ausgang des Sperrwandlers zu groß wird.The control voltage for the oscillator is derived from the primary voltage of the transformer, during the freewheeling phase. Further, a voltage monitoring circuit is provided which operates independently of the oscillator, which suppresses output voltage of the oscillator when the voltage at the output of the flyback converter is too large.
Eine Stromüberwachungsschaltung arbeitet unabhängig von dem Oszillator und der Spannungsüberwachungsschaltung und unterdrückt die Impulse für den Leistungstransistor, wenn der Strom an der Ausgangsseite ein vorgegebenes Maß überschreitet .A current monitoring circuit operates independently of the oscillator and the voltage monitoring circuit and suppresses the pulses for the power transistor when the current on the output side exceeds a predetermined level.
Die Überwachungsschaltungen arbeiten praktisch leistungslos, so dass keine besonderen Kühlmaßnahmen erforderlich sind. The monitoring circuits operate virtually powerless, so that no special cooling measures are required.

Claims

Ansprüche : Claims :
1. Stromversorgungsanordnung mit galvanischer Trennung, insbesondere in explosionsgeschützter Ausführung,1. Power supply arrangement with galvanic isolation, in particular in explosion-proof design,
mit einem Stromversorgungseingang (3),with a power supply input (3),
mit einem Transformator (7) , der eine Primärwicklung (8) und eine davon galvanisch getrennte Sekundärwicklung (9) aufweist,with a transformer (7) having a primary winding (8) and one of them galvanically isolated secondary winding (9),
mit einem gesteuerten Halbleiterschalter (11) , der wenigstens einen Steuereingang (15) aufweist und der mit der Primärwicklung (8) eine Serienschaltung bildet, die zu dem Stromversorgungseingang (3) parallel liegt,with a controlled semiconductor switch (11) which has at least one control input (15) and which forms a series circuit with the primary winding (8) which is parallel to the power supply input (3),
mit einer steuerbaren Ansteuerschaltung (14) für den Halbleiterschalter (11) , die für den Halbleiterschalter (11) ein periodisches Steuersignal liefert, das derart gesteuert ist, dass die AusgangsSpannung an der Sekundärwicklung (9) und/oder der Strom durch diese einem vorgegebenen Sollwert entspricht, it einer Strombegrenzungseinrichtung (13), die einen zu dem Halbleiterschalter (11) parallel liegenden Kondensator und eine Spannungsüberwachungsschaltung (32) aufweist, die eingangsseitig zu dem Kondensator (29) parallel liegt und deren Ausgangssignal auf den Schaltzustand des Halbleiterschalters (11) einwirkt, derart, dass der Halbleiterschalter (11) in einen stationären Zustand überführt wird, in dem er keinen Wechselstrom durch die Primärwicklung (8) erzeugt, wenn die Spannung an dem Kondensator (29) einen vor- bestimmten Grenzwert übersteigt.with a controllable drive circuit (14) for the semiconductor switch (11) which supplies to the semiconductor switch (11) a periodic control signal which is controlled such that the output voltage at the secondary winding (9) and / or the current through this a predetermined setpoint corresponds to it, a current limiting device (13) having a parallel to the semiconductor switch (11) capacitor and a voltage monitoring circuit (32), the input side to the capacitor (29) is parallel and whose output signal acts on the switching state of the semiconductor switch (11) in such a way that the semiconductor switch (11) is brought into a stationary state in which it does not generate alternating current through the primary winding (8), when the voltage across the capacitor (29) exceeds a predetermined limit.
2. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (8) eine höhere oder niedrigere Windungszahl aufweist als die Sekundärwicklung (9) .2. Power supply arrangement according to claim 1, characterized in that the primary winding (8) has a higher or lower number of turns than the secondary winding (9).
3. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleitersechalter (11) von einem Mosfet gebildet ist.3. Power supply arrangement according to claim 1, characterized in that the Halbleitersechalter (11) is formed by a Mosfet.
4. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Ansteuerschaltung (14) einen astabilen Multivibrator aufweist.4. Power supply arrangement according to claim 1, characterized in that the controllable drive circuit (14) comprises an astable multivibrator.
5. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des astabilen MuI- tivibrators (14) starr ist und das Tastverhältnis variabel.5. Power supply arrangement according to claim 4, characterized in that the frequency of the astable MuI- tivibrators (14) is rigid and the duty cycle variable.
6. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingfrequenz des astabilen Multivibrators (14) variabel und die Einschaltzeit konstant ist.6. Power supply arrangement according to claim 4, characterized in that the oscillation frequency of the astable multivibrator (14) is variable and the turn-on time is constant.
7. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung7. Power supply arrangement according to claim 1, characterized in that the current limiting circuit
(13) einen Tiefpass (30,31) aufweist, der zu dem Kondensator (29) parallel liegt.(13) has a low pass (30, 31) parallel to the capacitor (29).
8. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpass (30,31) einen Kon- densator (31) enthält, dem ein Widerstand (30) in Serie geschaltet ist, der vorzugsweise an die Primärwicklung (8) angeschlossen ist .8. Power supply arrangement according to claim 7, characterized in that the low-pass filter (30, 31) has a con- capacitor (31), to which a resistor (30) is connected in series, which is preferably connected to the primary winding (8).
9. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Widerstand (30) die Steuerstrecke eines bipolaren Transistors (32) parallel geschaltet ist.9. Power supply arrangement according to claim 8, characterized in that to the resistor (30), the control path of a bipolar transistor (32) is connected in parallel.
10. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung10. Power supply arrangement according to claim 9, characterized in that the current limiting circuit
(13) einen Tyristor (33) enthält, dessen Steuereingang mit dem Kollektor des Steuertransistors (32) verbunden ist und dessen Arbeitsstrecke zu der Steuerstrecke des Halbleiterschalters (11) parallel geschaltet ist.(13) includes a thyristor (33) whose control input is connected to the collector of the control transistor (32) and whose working distance is connected in parallel to the control path of the semiconductor switch (11).
11. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Tyristors (33) eine elektronische Schaltung mit einem ähnlichen Schaltverhalten eingesetzt ist.11. Power supply arrangement according to claim 10, characterized in that instead of the thyristor (33) an electronic circuit with a similar switching behavior is used.
12. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitet .12. Power supply arrangement according to claim 1, characterized in that it operates on the flyback converter principle.
13. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Sekundärwicklung (9) eine Halbwellengleichrichterschaltung (17,18) angeschlossen ist. 13. Power supply arrangement according to claim 1, characterized in that a half-wave rectifier circuit (17,18) is connected to the secondary winding (9).
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