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Stromversorgungsgerät mit Hilfsbatterie Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät mit einem aus einer Wechselstromquelle gespeisten Gleichrichter und einer Hilfsbatterie, bei welchem zwischen Batterie und Verbraucher ein in Abhängigkeit von der Verbraucher- oder Batteriespannung steuerbares elektronisches Element geschaltet ist.
Bei einem bekannten derartigen Gerät ist als steuerbares elektronisches Element ein Transistor oder eine aus mehreren parallel geschalteten Transistoren bestehende Transistoranordnung vorgesehen. In einem solchen Gerät müssen besondere Massnahmen getroffen werden, um den Transistor bzw. die Transistoren vor Stromüberlastung und Kurzschluss zu schützen.
Dies erfolgt üblicherweise dadurch, dass die Transistoranordnung bei Überschreiten eines vorbestimmten zu- lässigen Verbraucher-Stromzs gesperrt und anschlies- send durch ein infolge der Sperrung des Transistors entregtes Spannungsüberwachungsrelais kurzgeschlossen wird. Dies setzt voraus, dass der Transistor die höchste vorkommende Batteriespannung sperren kann. Am Verbraucher entsteht ein zumindest kurzzeitiger Spannungseinbruch bis 0 Volt oder nahezu 0 Volt, was in vielen Fällen unzulässig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der genannten Art zu schaffen, das bei sicherer Arbeitsweise die beschriebenen Nachteile vermeidet. Das erfindungsgemässe Stromversorgungsgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare elektronische Element von einer durch den Verbraucherstrom in Durchlassrichtung beaufschlagten Diodenstrecke überbrückt ist, deren Schleusenspannung mindestens angenähert gleich dem bei Nennbetrieb am elektronischen Element auftretenden Spannungsabfall ist.
Die Dioden müssen allerdings in der Lage sein, den am Verbraucherausgang möglichen maximalen Kurzschluss-Strom zu führen, über den Zeitraum vom Beginn der Überlastung bis zum Schliessen des Relais- Kontaktes. Dem sich daraus ergebenden Wert i2Xt (i hoch zwei mal t; i = Kurschlussstrom; t = Zeit) sind Zenerdioden in Sperrichtung im allgemeinen nicht gewachsen.
Es ist zwar bekannt, Zenerdioden in Sperrichtung über den Kollektor-Emitter-Strecken von Transistoren anzuordnen, dies jedoch aus dem Grunde, den Transistor vor (energiearmen) Überspannungs-Spitzen zu schützen. Einfache Silizumdioden jedoch haben in Durchlassrichtung so grosse zulässige i2Xt-Werte, dass auch Anlagen der beschriebenen Art mit einem Kurz- schiuss-Strom von z. B. 1000 Amp. sicher geschützt werden können.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung an einem schematisch dargestellten Ausführungs- beispiel beschrieben.
Mit 1 ist ein Gleichrichter bezeichnet, der ein- gangsseitig von einer Wechselstromquelle gespeist wird. Ausgangsseitig speist der Gleichrichter 1 einen Verbraucher 7 über einen Transistor 3. Parallel zum Ausgang des Gleichrichters 1 liegt eine Hilfsbatterie 2, die bei Netzausfall die Speisung des Verbrauchers 7 übernimmt.
Die Lade-Endspannung und auch die Ladun.gser- haltungsspannung der Hilfsbatterie 2 liegen höher als die bei der Entladung der Batterie zur Verfügung stehende Verbraucher-Spannung. Es muss daher die vom Gleichrichter 1 ausgangsseitig gelieferte Spannung grösser als die benötigte Verbraucherspannung sein. Um den Unterschied auszugleichen, ist der Transistor 3 vorgesehen, welcher über ein Steuergerät 4 in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung angesteuert wird. Das Steuergerät 4 kann so ausgebildet sein, dass bei Überschreitung eines vorbestimmten Verbraucherstromes der Transistor 3 gesperrt wird.
Parallel zur Emitterkollektorstrecke des Transistors 3 ist eine Diodenstrecke 5 geschaltet. Sie ist vorzugsweise aus mehreren, nicht steuerbaren Silizium-Dioden zusammengesetzt. Ebenfalls parallel zur Emitterkollek- torstrecke des Transistors 3 ist der Ruhekontakt eines Relais 6 geschaltet, welcher z. B. dann ein überbrük- ken des Transistors bewirken soll, wenn bei fehlender
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Netzspannung die Batteriespannung au die benötigte Verbraucherspannung infolge teilweiser Entladung der Batterie abgesunken ist.
Dieses Relais 6 ist üblicherweis als Spannungs-Überwachungsrelais ausgebildet, seine Anzug- und Abfall-Spannungen lassen sich getrennt einstellen. Bei Netzwiederkehr zieht das Relais 6 wieder an und gibt den Transistor frei, sobald die Bat- terie so weit geladen ist, dass die höchstzulässige Verbraucherspannung erreicht wird.
Die Diodenstrecke 5 ist so bemessen, dass ihre Schleusenspannung etwas höher liegt als der Spannungsabfall der Emitterkollektorstrecke des Transistors 3 bei höchster Batteriespannung. Dies entspricht der grössten Spannungsdifferenz zwischen Batterie und Verbraucher. Nimmt z. B. bei einer Überlastung die am Transistor 3 abfallende Spannung über diesen Wert hinaus zu, so wird die Schwellenspannung der Diodenstrecke 5 erreicht, und es fliesst ein Teilstrom durch die Diodenstrecke, wodurch der Transistor 3 entlastet wird.
Bei einer auftretenden Überlastung oder Sperrung des Transistors kann bei Anwendung der beschriebenen Schaltung jeweils nur ein verhältnismässig geringer Spannungseinbruch am Verbraucher auftreten, der auf den Wert der Durchlassspannung der Diodenstrecke begrenzt ist. Dieser Spannungseinbruch am Verbraucher genügt jedoch, um das Relais 6 zum Abfallen zu bringen, wodurch der Transistor 3 und die Diodenstrecke 5 überbrückt und damit stromlos werden. Die Diodenstrecke 5 führt also nur Strom in der sehr kurzen Zeitspanne zwischen dem Beginn der Überlastung und dem dadurch indirekt bewirkten Schliessen des Relaiskontaktes.
Da diese Zeitspanne in der Grössenordnung von 10 Millisekunden liegt, braucht die Diodenstrecke nicht für eine Dauerbelastung mit dem möglichen Überlastungsstrom ausgelegt zu werden. Auf Kühlkörper zur Verlustwärmeabführung kann daher in den meisten Fällen verzichtet werden.
Der Transistor 3 braucht nur für eine geringe Spannung, nämlich für die Durchlassung der Diodenstrecke 5, bemessen zu sein, so dass sich ein billiger Transistor verwenden lässt. Die Dioden der Diodenstrecke sind gleichfalls billig, da ihr Kennlinienverlauf für die vorliegenden Zwecke nur im Durchlassbereich eine Rolle spiest, da sie in Sperrichtung nicht beansprucht werden. Deshalb können solche Exemplare, deren Spannungsfestigkeit in Sperrichtung so gering ist, dass sie für andere Zwecke unbrauchbar sind, verwendet werden.
Das beschriebene Stromversorgungsgerät verhindert nicht nur unzulässig tiefe Einbrüche der Verbraucherspannung bei gleichzeitigem wirksamem Schutz des elektronischen Elementes vor Strom-Überlastung, sondern es ermöglicht auch eine Verbilligung des Gerätes, da die Diodenstrecke meistens weniger kostet als die durch Wahl eines Transistors niedrigerer Spannung eingesparte Summe. Es wird aber auch der Einsatz von billigen Germanium-Transistoren als steuerbare elektronische Elemente in Geräten mit hoher Verbraucherspannung, z. B. bei 220 Volt, ermöglicht, was bis anhin an der physikalisch bedingten verhältnismässig ge- ringen Spannungsfestigkeit solcher Transistoren scheiterte.
Die Diodenstrecke 5 lässt sich beispielsweise aus Silizium-Ringzellen oder ähnlichen Elementen aufbauen, welche aufeinander geschichtet werden können, bis die gewünschte Schwellenspannung erreicht ist. Vorzugsweise werden Zellen ohne Kühlkörper verwendet, da infolge der nur sehr kurzzeitigen Beanspruchung der Zellen eine Wärmeabführung in den meisten Fällen nicht erforderlich ist. Durch die Fortlassung der Kühlkörper lässt sich die Diodenstrecke mit kleinen Abmessungen herstellen.
Der Parallelschaltung aus Transistor 3 und Diodenstrecke 5 kann eine normale Schmelzsicherung als Kurzschlussschutz nachgeschaltet werden, deren Strom-Zeit-Kennlinie den Dioden der Diodenstrecke 5 angepasst ist.
Das beschriebene Stromversorgungsgerät besitzt einen einfachen Aufbau und bewirkt zudem einen sicheren Schutz des elektronischen Elementes. Es kann auch gegebenenfalls auf eine Vorrichtung zur Sperrung des elektronischen Elementes, z. B. des Transistors, verzichtet werden, da eine Überlastung desselben durch die Diodenstrecke mit Sicherheit vermieden wird, wenn das Steuergerät so ausgelegt wird, dass ein bestimmter Steuerstrom nicht überschritten werden kann. Auch bei Sperrung des Transistors kann am Verbraucher in keinem Fall ein wesentlicher Spannungseinbruch auftreten, da ersterer durch die Diod-enstrecke, über die der Verbraucherstrom weiterfliessen kann, überbrückt wird.
Die Spannungsfestigkeit des oder der steuerbaren elektronischen Elemente braucht nicht grösser als die Summe der Durchlassspannungsabfälle der Diodenstrecke zu sein, entsprechend etwa 10-20 0lo der Batteriespannung. Die Diodenstrecke wird in Sperrichtung überhaupt nicht beansprucht. Somit lassen sich Exemplare von Dioden verwenden, die für andere Zwecke unbrauchbar wären und daher billig in der Anschaffung sind.