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Die Erfindung bezieht sich auf eine Pufferschaltung für eine von einer Versorgungsgleichspan- nung zu speisende Last, mit einem Pufferkondensator, der von einer Ladeschaltung auf eine Spannung aufladbar ist, die höher als die Versorgungsgleichspannung ist und der bei Einbrüchen der Versorgungsspannung über eine Entladeschaltung zur Versorgung der Last heranziehbar ist.
Pufferschaltungen werden zur Pufferung einer Versorgungsgleichspannung verwendet, um bei Spannungseinbrüchen z. B. der Netzspannung, Geräte vorübergehend weiterbetreiben zu können.
Dies ist z. B. bei elektronischen Geräten wichtig, um Datenverluste zu vermeiden, ohne zu der sehr teuren Lösung unterbrechungsfreier Stromversorgungen, die von Akkumulatoren gespeist sind, greifen zu müssen.
Ein bei allen Pufferschaltungen der gegenständlichen Art auftretendes Problem ist die im Ver- gleich zu Akkumulatoren geringe Energie, die in einem Kondensator gespeichert werden kann, wobei diese Energie direkt proportional der Kapazität, jedoch quadratisch mit der Ladespannung steigt. Will man Kosten und Volumen sparen, so empfiehlt sich naturgemäss eine Vergrösserung der Pufferenergie durch Steigerung der Kondensatorspannung.
Es ist bekannt, Pufferkondensatoren an der Gleichspannungseingangsseite von Schaltnetztei- len vorzusehen und bei Netzausfall zuzuschalten. Praktisch anwendbar ist diese Lösung nur bei Stromversorgungen, die für einen weiten Bereich von Eingangsspannungen konzipiert sind. Die Lösung ist weiters kostenintensiv und lässt sich aus Sicherheitsgründen kaum in ein zusätzliches, von der eigentlichen Stromversorgung getrenntes Gerät auslagern.
Weiters ist es bekannt, auf der Lastseite einer Stromversorgung einen Pufferkondensator auf die der Last maximal zuträgliche Spannung aufzuladen, um eine möglichst hohe Pufferenergie zu erhalten. Falls im Ausgangsteil einer Stromversorgung eine Wechselspannung zur Verfügung steht, können für die Ladeschaltung ein oder mehrere Spannungsverdoppler mit Dioden und Kon- densatoren zur Anwendung kommen. Hier sind jedoch meist Grenzen gesetzt, da die meisten Verbraucher nur in einem engen Spannungsbereich ordnungsgemäss arbeiten können.
Die Erhöhung der Kapazität des Pufferkondensators, sei es in einem Gleichspannungszwi- schenkreis eines Netzteiles, sei es an der Ausgangs-, d. h. Lastseite eines Netzteiles, führt natür- lich immer zu einer entsprechenden Erhöhung der Speicherenergie, allerdings auch zu einer im wesentlichen proportionalen Steigerung des Bauvolumens und der Kosten.
Das Laden von Pufferkondensatoren erfolgt in vielen Fällen über einen Widerstand - was aller- dings mit hohen Verlusten verbunden ist - oder über eine Stromquellenschaltung. Falls eine Be- grenzung der Spannung am Pufferkondensator notwendig oder erwünscht ist, kann dies z. B. durch eine parallel geschaltete Zenerdiode erfolgen.
Bekannte Entladeschaltungen bestehen aus einem von einer Triggerschaltung gesteuerten Schalter und einem Begrenzungswiderstand, wobei die Spannung eventuell durch einen Parallel- regler, eine Zenerdiode oder durch erneutes Öffnen des Schalters begrenzt werden muss. Dabei geht jedenfalls die Hälfte der gespeicherten Pufferenergie als Joul'sche Wärme verloren.
Aus der DD 223 302 A1 geht eine Pufferschaltung der gegenständlichen Art hervor, bei wel- cher an dem Übertrager eines Schaltnetzteils eine zusätzliche Wicklung mit nachgeschaltetem Gleichrichter zum Laden des Pufferkondensators verwendet wird. Die Last wird von einer Sekun- därwicklung mit nachfolgendem Gleichrichter gespeist und die eigentliche Versorgungsspannung liegt über einem gesteuerten Schalter an der Primärwicklung des Übertragers. Bei Netzausfall erfolgt eine Rückspeisung von dem Pufferkondensator an die Primärseite. Eine nachträgliche Installation der hier geoffenbarten Pufferschaltung zu einem vorhandenen Netzgerät ist aufgrund des verwendeten Konzeptes nicht möglich.
Die JP 10 062456 A offenbart eine Spannungsüberwachungsschaltung, welche bei einem Ab- fallen der Versorgungsspannung einer CPU unterhalb eines vorgebbaren Minimums ein reset- Signal an die CPU liefert.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Pufferschaltung, die mit geringeren Kosten und kleinem Bauvolumen eine hohe Speicherenergie erreicht.
Diese Aufgabe wird mit einer Pufferschaltung der eingangs genannten Art gelöst, die gemäss der Erfindung gekennzeichnet ist durch einen Tiefsetzsteller, dessen Eingang an dem Pufferkon- densator und dessen Ausgang an der Last liegt und eine Triggerschaltung, welche dazu eingerich- tet ist, bei Abfall der Spannung an der Last den Tiefsetzsteller zu aktivieren.
Die Pufferschaltung nach der Erfindung bietet nicht nur die Vorteile geringer Kosten und mini-
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malen Bauvolumens bei maximaler Speicherenergie, sondern sie lässt sich auch in ein externes Gerät auslagern, das als Zusatz einer bereits vorhandenen Stromversorgung verwendbar ist.
Falls die Ladeschaltung ein Hochsetzsteller ist, dessen Eingang an der Last und dessen Aus- gang an dem Pufferkondensator liegt, kann man einerseits die einem Ladewiderstand inhärenten Verluste vermeiden und ist andererseits nicht auf die Höhe der Versorgungsspannung oder einer z. B. durch Spannungsverdopplung erzeugten Hilfsspannung angewiesen.
Bei einer zweckmässigen, da kostengünstigen Lösung ist die Triggerschaltung zur Abgabe von Schaltimpulsen an den Tiefsetzsteller eingerichtet.
Zur Vermeidung schaltungstechnischer Probleme ist es insbesondere bei einer höheren Ver- sorgungsgleichspannung bzw. einer höheren Spannung an dem Pufferkondensator günstig, wenn ein Potentialtrennmittel für die Triggerschaltung vorgesehen ist. In diesem Fall kann man mit Vorteil vorsehen, dass das Potentialtrennmittel ein Transformator ist, über welchen der Ausgang der Triggerschaltung mit dem Tiefsetzsteller verbunden ist.
Bei einer praktischen und einfachen Realisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hochsetzsteller einen ersten gesteuerten Schalter aufweist, über den eine erste Induktivität perio- disch an die Lastspannung schaltbar ist, weiters einen ersten Kondensator, der parallel zur Last liegt, sowie ein von der Verbindung der ersten Induktivität mit dem ersten Schalter zu dem Pufferkondensator führende erste Diode.
Aus gleichen Gründen kann eine Ausführung empfehlenswert sein, bei welcher der Tiefsetz- steller einen zweiten gesteuerten Schalter aufweist, über den, in Serie mit einer zweiten Induktivität die Spannung an dem Pufferkondensator periodisch an die Last schaltbar ist, zu der parallel ein zweiter Kondensator liegt, und die Serienschaltung der zweiten Induktivität mit dem zweiten Kon- densator von einer Rückflussdiode überbrückt ist.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen . Fig. 1 die Erfindung unter Verwendung eines Blockschaltbildes, und . Fig. 2 eine detaillierte, jedoch auf das Wesentliche beschränkte Schaltung gemäss der Erfi n- dung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird eine Eingangsspannung UE, z. B. Netzwechselspannung von 230 Volt, in einem Schaltwandler SWA in eine Versorgungsgleichspannung Uv, z. B. 24 Volt, gewandelt, die an die Klemmen einer Last LAS angeschlossen ist. Die Last LAS kann prinzipiell - ein beliebiger Verbraucher sein, doch ist im Rahmen der Erfindung vor allem an ausfallskritische Geräte gedacht.
An die Lastklemmen ist ein Hochsetzsteller HSS mit seinem Eingang angeschlossen, wogegen am Ausgang des Hochsetzstellers ein Pufferkondensator Cp liegt. Am Eingang des Hochsetzstel- lers HSS liegt somit die Lastspannung, die bei ordnungsgemäss arbeitendem Schaltwandler SWA dessen Ausgangsspannung, d. h. der Versorgungsgleichspannung Uv entspricht.
Hochsetzsteller sind dem Fachmann in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt. Es handelt sich um Schaltwandler, die einer erste Gleichspannung, hier Uv, in eine zweite Gleichspannung wandeln, die grösser als die erste Spannung ist. Die zweite Gleichspannung ist im vorliegenden Fall
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auf 100 Volt geladenen Kondensators Cp E100 = 104 ?Cp/2. Ohne Hochsetzsteller könnte der Kon- densator Cp nur auf 24 V geladen werden, was einer Energie von E24 = 288 Cp entspräche. Die Energiewerte unterscheiden sich somit um einen Faktor von ca. 35.
Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann der Pufferkondensator auch über einen Ladewi- derstand von ener Spannung aufgeladen werden, die höher ist als die Versorgungsspannung.
Dies kann insbesondere der Fall sein, falls eine solche höhere Spannung, welche eigentlich einem anderen Zweck dient, an einem Schaltwandlerausgang vorhanden ist, oder falls man die höhere Gleichspannung aus einer Wechselspannung durch eine einfache Spannungsverdopplungsschal- tung z. B. mit zwei Dioden und Kondensatoren gewinnen kann.
Die Spannung UH des Pufferkondensators Cp liegt an dem Eingang eines Tiefsetzstellers TSS, dessen Ausgang an den Lastklemmen a, b liegt, und dessen Aufgabe es ist, im Bedarfsfall die Spannung UH an dem Pufferkondensator Cp auf die Spannung Uv, d. h. die benötigte Lastspan- nung zu wandeln. Auch Tiefsetzsteller sind dem Fachmann in vielfältigen Varianten bekannt. Sie
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sollen eine erste Gleichspannung, hier UH auf eine niedrigere, zweite Gleichspannung herabset- zen, hier auf Uv.
Eine Triggerschaltung TRI überwacht die Lastspannung Uv. z. B. durch Vergleich mit einer Re- ferenzspannung und ist dazu eingerichtet, dem Tiefsetzsteller TSS ein Aktivierungssignal Sa zuzu- führen, sobald die Lastspannung Uv auf einen bestimmten Wert, z. B. 0,7 Uv absinkt. Die Trigger- schaltung TRI kann beispielsweise die für den Betrieb des Tiefsetzstellers TSS erforderlichen Schaltimpulse erzeugen und an den Tiefsetzsteller TSS liefern. In diesem Fall ist das Aktivierungs- signal Sa eine Impulsfolge mit einem bestimmten Tastverhältnis. Andererseits können die Schaltim- pulse auch in dem Tiefsetzsteller TSS selbst erzeugt und durch das Aktivi erungssignal Sa freigege- ben werden.
Wenn somit, beispielsweise wegen eines Ausfalls der Eingangsspannung UE, die Spannung an der Last LAS zusammenbricht, aktiviert die Triggerschaltung TRI den Tiefsetzsteller TSS, der nun aus der Energie des Pufferkondensators Cp die Last LAS mit der korrekten Versorgungsspannung so lange speist, bis entweder die eigentliche Versorgungsspannung Uv einen gewissen Minimal- wert wieder erreicht hat oder bis die Spannung an dem Pufferkondensator Cp auf einen Wert abgesunken ist, bei welchem der Tiefsetzsteller TSS nicht mehr arbeitet. Die Triggerschaltung TRI muss natürlich das Aktivierungssignal Sa wieder zurücknehmen, sobald die Versorgungsspannung Uv ihren Normalwert erreicht hat.
Was die Triggerschaltung TRI anbelangt, so kann diese, wie hier beschrieben, unmittelbar die Spannung an der Last LAS überwachen, doch kann auch die Spannung an der Eingangsseite eines Schaltwandlers überwacht werden. Jedenfalls kann die Triggerschaltung zumindest teilweise auch in einem Schaltwandler angesiedelt sein, was durch eine strichlierte Leitung in Fig. 1, einen Triggerblock TRI' in dem Schaltwandler, sowie ein Signal s'a angedeutet ist. In diesem Fall könnte somit der Block "TRI" in Fig. 1 auch entfallen.
In Fig. 2 ist eine praxisgerechte Ausbildung der Erfindung näher gezeigt, doch sind für die Er- läuterung der Erfindung nicht erforderliche bzw. dem Fachmann ohnedies geläufige Details wegge- lassen.
Die Last LAS wird von einer Gleichspannung Uv versorgt, die beispielsweise von einem Schalt- wandler geliefert werden kann. An die Klemmen a, b der Last LAS ist eine Pufferschaltung nach der Erfindung angeschlossen, wobei es klar sein sollte, dass die Pufferschaltung auch nachträglich in eine vorhandene Stromversorgung eingebaut oder über ein Kabel als Zusatzgerät an die Last angeschlossen werden kann.
Der Hochsetzsteller HSS besteht aus einem Kondensator C1, einer Induktivität L1, einem ers- ten gesteuerten Schalter V1 samt einer Ansteuerschaltung AST und einer ersten Diode D1, wobei der Kondensator C1 parallel zur Last LAS liegt und dazu parallel die Serienschaltung der induktiv- tät L1 und des Schalters V1. Von dem Verbindungspunkt der Induktivität mit dem Schalter V1 führt die Diode D1 zu dem Pufferkondensator Cp. Die Ansteuerschaltung AST liefert in bekannter Weise eine Impulsfolge mit einem Tastverhältnis, das im einfachsten Fall konstant ist oder zur Regelung z. B. der Spannung UH an dem Pufferkondensator Cp in Abhängigkeit von dieser Spannung änder- bar ist.
Von dieser Spannung UH, die erheblich höher sein kann als die Spannung Uv an der Last LAS wird der Tiefsetzsteller TSS im Bedarfsfall gespeist. Der Tiefsetzsteller TSS weist, in Serie an dem Pufferkondensator Cp liegend einen zweiten gesteuerten Schalter V2, eine zweite Induktivität L2 und einen zweiten Kondensator C2 auf, wobei parallel zu der Serienschaltung Induktivität L2 - Kondensator C2 eine Rückflussdiode D2 liegt. Auch der zweite gesteuerte Schalter V2 wird von Impulsen mit konstanten oder gegebenenfalls variabler Pulsbreite angespeist. Im vorliegenden Fall werden die Impulse in der Triggerschaltung TRI erzeugt, an welcher die Lastspannung Uv liegt, so dass diese überwacht werden kann.
Sobald die Lastspannung Uv unter einen vorgebbaren kriti- schen Wert sinkt, schaltet die Triggerschaltung TRI zur Aktivierung des Tiefsetzstellers TSS die Impulsfolge als Aktivierungssignal Sa an den Steuereingang des zweiten Schalters V2, wobei hier zur Potentialtrennung ein Übertrager T2 dient. Zur Potentialtrennung können auch andere Mittel, z. B. Optokoppler, auch an anderer Stelle, z. B. eingangsseitig zur Anwendung kommen.
Der Tiefsetzsteller TSS setzt nun die hohe Spannung UH an dem Pufferkondensator Cp auf den von der Last LAS benötigten Wert herab und speist die Last LAS so lange, bis entweder die Last- spannung im Sinne der Versorgungsspannung wiederkehrt oder die Energie des Pufferkondensa-
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tors erschöpft ist. Der Pufferkondensator wird so bemessen, dass er die Last über einen Zeitraum versorgen kann, der ausreichend ist, um beispielsweise ein System herunterzufahren, so dass kein Datenverlust eintritt.
Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von "einem" oder "dem" Pufferkondensator die Rede ist, so soll dies natürlich die praxisnahe Parallel- und/oder Serienschaltung mehrerer Kon- densatoren miteinschliessen.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Pufferschaltung für eine von einer Versorgungsgleichspannung (Uv) unmittelbar zu spei- sende Last (LAS), mit einem Pufferkondensator (Cp), der von einer Ladeschaltung (HSS) auf eine Spannung (UH) aufladbar ist, die höher als die Versorgungsgleichspannung ist, und der bei Einbrüchen der Versorgungsspannung über eine Entladeschaltung (TSS) zur
Versorgung der Last heranziehbar ist, gekennzeichnet durch einen Tiefsetzsteller (TSS), dessen Eingang an dem Pufferkondensator (Cp) und dessen
Ausgang an der Last (LAS) und der Versorgungsgleichspannung (Uv) liegt, und eine Triggerschaltung (TRI), welche dazu eingerichtet ist, bei Abfall der Versorgungsspan- nung an der Last den Tiefsetzsteller zu aktivieren.