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Die
Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einer ein Schaltelement
aufweisenden Schalteinheit, die primärseitig über eine Eingangsbeschaltung
an eine Energieversorgung anschließbar ist. Sekundärseitig
ist über
eine Ausgangsbeschaltung ein Verbraucher anschließbar.
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In
der industriellen Messtechnik werden Verbraucher regelmäßig über Schaltnetzteile
an eine Energieversorgung angeschlossen. Die Verbraucher sind elektronische
Geräte,
insb. Messgeräte,
Sensoren oder Transmitter. Die Schaltnetzteile umfassen mindestens
eine Schalteinheit mit einem Schaltelement. Das Schaltelement ist
z.B. ein Transistor. Zusätzlich
kann die Schalteinheit eine galvanische Trennung aufweisen, z.B.
in Form eines dem Schaltelement nachgeschalteten Transformators.
Schaltnetzteile dienen dazu eine von der Energieversorgung bereitgestellte
Spannung auf eine vom Verbraucher benötigte Eingangsspannung zu regeln. Durch
entsprechende Ausbildung der Schalteinheit können sie zusätzlich eine
galvanische Trennung zwischen dem Verbraucher und der Energieversorgung
bewirken. Eine galvanische Trennung ist in der industriellen Messtechnik
sehr häufig
durch entsprechende Sicherheitsvorschriften vorgeschrieben.
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Das
Schaltelement ist ein zentrales Funktionselement des Schaltnetzteils,
das in der Regel sehr stark beansprucht wird. Es muss typischer
Weise mindestens 20.000 Schaltvorgänge pro Sekunde, bei manchen
Netzteilen sogar mehrere Millionen Schaltvorgänge pro Sekunde, ausführen. Ein
Ausfall oder eine Störung
des Schaltelements verursacht einen sofortigen Ausfall des Netzteils.
Der zu versorgende Verbraucher ist bei einem Ausfall schon nach wenigen
Millisekunden stromlos.
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Handelt
es sich bei dem Verbraucher beispielsweise um ein Gerät mit einem
nichtflüchtigen Datenspeicher,
z.B. einem EEPROM, so kann der plötzliche Zusammenbruch der Energieversorgung zu
unkontrolliertem Datenverlust führen.
Beispielsweise können
während
eines Schreibvorganges Daten verloren gehen oder fehlerhaft abgespeichert werden.
Im Extremfall kann der Verbraucher durch fehlerhafte Daten sogar
unbrauchbar werden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Schaltnetzteil anzugeben, das
ein Schaltelement aufweist, dessen Funktion überwacht werden kann.
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Hierzu
besteht die Erfindung in einem Schaltnetzteil mit
- – einer
ein Schaltelement aufweisenden Schalteinheit,
- – an
deren Primärseite über eine
Eingangsbeschaltung eine Energieversorgung anschließbar ist,
- – an
deren Sekundärseite
eine Ausgangsbeschaltung angeschlossen ist, über die ein Verbraucher an
das Schaltnetzteil anschließbar
ist, und
- – einer
auf der Sekundärseite
der Schalteinheit angeordneten Watchdog Schaltung,
- – die
im Betrieb dazu dient, die Schaltaktivität des Schaltelementes zu überwachen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist die Schalteinheit sekundärseitig über eine
dritte und eine vierte Leitung an die Ausgangsbeschaltung angeschlossen,
und die Watchdog Schaltung liegt in einem die dritte und die vierte
Leitung verbindenden ersten Querzweig.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist auf der Sekundärseite
der Schalteinheit ein Energiespeicher vorgesehen, der zur kurzzeitigen Überbrückung von Einbrüchen der über die
Schalteinheit bereit zu stellenden Ausgangsspannung dient.
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Gemäß einer
Ausgestaltung dieser Weiterbildung ist der Energiespeicher ein auf
der Sekundärseite
der Schalteinheit in einem die dritte und die vierte Leitung verbindenden
zweiten Querzweig angeordneter Kondensator.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung umfasst die Schalteinheit einen dem Schaltelement nachgeschalteten
Transformator.
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Weiter
besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Überwachung eines Schaltnetzteil
mit
- – einer
ein Schaltelement aufweisenden Schalteinheit,
- – die
primärseitig über eine
die Eingangsbeschaltung an eine
- Energieversorgung anschließbar
ist, und
- – an
deren Sekundärseite
eine Ausgangsbeschaltung angeschlossen
- ist, über
die ein Verbraucher anschließbar
ist, bei dem
- – eine
auf der Sekundärseite
der Schalteinheit angeordnete
- Watchdog Schaltung die Schaltaktivität des Schaltelementes überwacht,
und
- – im
Falle einer Störung
ein
- Überwachungssignal
generiert, und dieses einem an das Schaltnetzteil
- angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung stellt.
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Weiter
besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Betrieb eines Verbrauchers
in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil, bei dem
- – die
Watchdog Schaltung die Schaltaktivität des Schaltelementes überwacht
und zumindest im Fall einer Störung
ein Überwachungssignal
sendet,
- – der
Verbraucher das Überwachungssignal
empfängt
und
- – im
Falle einer Störung
im Verbraucher laufende Prozesse zu einem auf Sicherheit gerichteten schnellen
Abschluss führt,
während
der Verbraucher aus dem Energiespeicher versorgt wird.
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Gemäß einer
Ausgestaltung des letztgenannten Verfahrens werden im Falle einer
Störung
im Verbraucher ablaufende Schreibvorgänge, bei denen Daten auf nichtflüchtige Datenspeicher
abgelegt werden, abgeschlossen, während der Verbraucher aus dem
Energiespeicher versorgt wird.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Überwachung auf der Sekundärseite der
Schalteinheit erfolgt, obwohl das zu überwachende Schaltelement sich
in der Schalteinheit befindet. Dies bietet den Vorteil, dass das Überwachungssignal
nicht von der Primärseite
auf die Sekundärseite übertragen werden
muss, insb. muss es keine unter Umständen vorhandene galvanische
Trennung überwinden.
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Die
Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der
Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher
erläutert.
Gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils mit einer
galvanischen Trennung; und
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2 zeigt
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils ohne galvanische Trennung.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils 1 mit
einer galvanischen Trennung. Das Schaltnetzteil 1 weist eine
Eingangsbeschaltung 3 und eine Ausgangsbeschaltung 5 auf.
Das Schaltnetzteil 1 ist über die Eingangsbeschaltung 3 an
eine Energieversorgung 7 anschließbar. Hierzu weist die Eingangsbeschaltung 3 zwei
Anschlüsse 9 auf.
Zusätzlich
kann die Eingangsbeschaltung 3 in 1 nicht
dargestellte Elemente zur Vorverarbeitung, z.B. Filter etc., enthalten. Über die
Ausgangsbeschaltung 5 ist ein Verbraucher 11 an
das Schaltnetzteil 1 anschließbar. Der Verbraucher 11 ist
ein elektronisches Gerät,
z.B. ein Messgerät,
ein Sensor oder ein Transmitter. Hierzu weist die Ausgangsbeschaltung 5 zwei
Anschlüsse 13 auf. Selbstverständlich kann
die Ausgangbeschaltung 5 weitere, in 1 nicht
dargestellte, Elemente enthalten. Je nach Aufbau des Schaltnetzteils 1 können z.B.
Ausgangsfilter und/oder Linearregler Bestandteil der Ausgangsbeschaltung 5 sein.
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Zwischen
der Eingangsbeschaltung 3 und der Ausgangsbeschaltung 5 befindet
sich eine Schalteinheit 18. Die Schalteinheit 18 umfasst
ein Schaltelement 17 und in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Transformator 19. Das Schaltelement 17 ist
dem Transformator 19 vorgeschaltet. Die Schalteinheit 18 ist
auf deren Primärseite I über die
Eingangsbeschaltung 3 an die Energieversorgung 7 anschließbar. An
die Sekundärseite II der
Schalteinheit 18 ist die Ausgangsbeschaltung 5 angeschlossen, über die
der Verbraucher 11 an das Schaltnetzteil 1 anschließbar ist.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Ausführungsform
des Schaltnetzteils 1 beschränkt. Es können auch andere Schaltnetzteile
in Verbindung mit der Erfindung eingesetzt werden. Die Erfindung
ist beispielsweise auch in Verbindung mit anderen, aus der Literatur
bekannten Schaltnetzteiltypen mit oder ohne galvanische Trennung
einsetzbar.
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Das
Schaltelement 17 mit dem Transformator 19 ist
primärseitig über eine
erste und eine zweite Leitung 21, 23 an die Eingangsbeschaltung 3 angeschlossen.
Die in 1 mit II bezeichnete Sekundärseite der
Schalteinheit 18 ist über
eine dritte und eine vierte Leitung 25, 27 an
die Ausgangsbeschaltung 5 angeschlossen. In der dritten
Leitung 25 ist dem Transformator 19 sekundärseitig
eine Gleichrichterdiode 15 nachgeschaltet, die dazu dient,
eine von Schaltelement 17 und Transformator 19 generierte Wechselspannung
in eine vom Verbraucher 11 benötigte gleichgerichtete Ausgangsspannung
umzuwandeln. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel genügt hierzu
eine einzige Gleichrichterdiode 15. Es sind aber auch andere
Ausführungsformen
möglich, die
mehr Dioden aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist auf
der Sekundärseite II des
Transformators 19 eine Watchdog Schaltung 29 angeordnet.
Die Watchdog Schaltung 29 dient während des Betriebs des Schaltnetzteils 1 dazu,
die regelmäßige Schaltaktivität des Schaltelementes 17 zu überwachen.
Hierzu liegt die Watchdog Schaltung 29 vorzugsweise in
einem die dritte und die vierte Leitung 25, 27 verbindenden
ersten Querzweig 31. Zwischen der dritten und der vierten
Leitung 25, 27 liegt im Betrieb die taktende und
noch nicht gleichgerichtete Ausgangsspannung an, die mittels der
Wachtdog Schaltung 29 überwacht
wird. Mittels der Watchdog Schaltung 29 wird also laufend
die Schaltaktivität des
Schaltelements 17 überwacht.
Die Überwachung bezieht
sich auf die Tatsache, dass das Schaltelement 17 auf der
Primärseite I in
regelmäßigen Abständen den
Strom ein- und wieder ausschaltet. Diese Taktung erzeugt auf der
Sekundärseite II eine Wechselspannung,
deren Frequenz identisch ist mit der Arbeitsfrequenz des Schaltelementes 17.
Auf diese Weise kann die Watchdog Schaltung 29 die Taktung
des Schaltelementes 17 überwachen. Watchdog
Schaltungen reagieren sehr schnell, so dass eine Störung, insb.
ein Ausfall, des Schaltelements 17 in sehr kurzer Zeit
bemerkt wird und die Information hierüber sehr schnell zur Verfügung steht. Typischerweise
steht diese Information innerhalb von weniger als einer Millisekunde
zur Verfügung.
Die Watchdog Schaltung 29 generiert ein von der Schaltaktivität abhängiges Überwachungssignal,
das über einen
Ausgang 33 zur Verfügung
steht. Das Überwachungssignal
wird über
den Ausgang 33 dem Verbraucher 11 zugeführt. Dies
geschieht beispielsweise, indem das Überwachungssignal einem Eingang eines
im Verbraucher 11 angeordneten Mikroprozessors 35 zugeführt wird.
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Vorzugsweise
ist im Schaltnetzteil 1 auf der Sekundärseite II der Schalteinheit 18 ein
Energiespeicher 37 vorgesehen, der zur kurzzeitigen Überbrückung von
Einbrüchen
der über
die Schalteinheit 18 bereit zu stellenden Ausgangsspannung
dient. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Energiespeicher 37 ein Kondensator C, der auf der
Sekundärseite II in
einem die dritte und die vierte Leitung 25, 27 verbindenden
zweiten Querzweig 39 angeordnet ist.
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Vorzugsweise
weist das Schaltnetzteil 1 einen weiteren Energiespeicher 41 auf,
der auf der Primärseite I dem
Schaltelement 17 und dem Transformator 19 vorgeschaltet
ist. Dieser kann beispielsweise Teil der Eingangsbeschaltung 3 sein.
Als Energiespeicher 41 eignet sich z.B. ebenfalls ein Kondensator.
Der Energiespeicher 41 dient als Kurzzeit-Energiespeicher
für den
Betrieb der Schalteinheit 18 des Schaltnetzteils.
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Erfindungsgemäß erfolgt
eine Überwachung des
Schaltelements 17 des Schaltnetzteils 1, während das
Schaltelement 17 mit dem Transformator 19 primärseitig über die
Eingangsbeschaltung 3 an die Energieversorgung 9 und
der Transformator 19 sekundärseitig über die Ausgangsbeschaltung 5 an
den Verbraucher 11 angeschlossen ist. Dabei wird derart verfahren,
dass die Watchdog Schaltung 29 sekundärseitig die vom Schaltelement 17 generierte
Frequenz der Wechselspannung überwacht,
und im Falle eines Ausbleibens der Schaltaktivität des Schaltelementes 17 ein Überwachungssignal
generiert, und dieses dem an das Schaltnetzteil 1 angeschlossenen Verbraucher 11 zur
Verfügung
stellt.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Überwachung durch die Watchdog
Schaltung 29 auf der Sekundärseite II erfolgt.
Das Überwachungssignal
wird dort generiert, wo es gebraucht wird, nämlich auf der Sekundärseite II.
Es muss insb. nicht von der Primärseite I auf
die Sekundärseite II übertragen werden.
Eine solche Übertragung
würde einen
zusätzlichen
technischen Aufwand und eine zusätzliche Fehlerquelle
mit sich bringen. Beides wird durch die erfindungsgemäß sekundärseitig
erfolgende Überwachung
durch die Watchdog Schaltung 29 vermieden. Dies bietet
ein hohes Maß an
Sicherheit.
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Die
durch die Überwachung
zur Verfügung stehende
Information kann während
des Betriebs eines Verbrauchers 11 in Verbindung mit einem
erfindungsgemäßen Schaltnetzteil 1 mit
einem Energiespeicher 37 zur Steuerung und/oder Ausführung von sicherheitsgerichteten
Prozessen bzw. Handlungen eingesetzt werden. Hierzu wird vorzugsweise
wie folgt verfahren: Die Watchdog Schaltung 29 überwacht
die Schaltaktivität
des Schaltelementes 17 und sendet zumindest im Fall einer
Störung
ein Überwachungssignal.
Dabei wird überprüft, ob das
Schaltelement 17 regelmäßig ein-
und ausschaltet. Hierzu wird beispielsweise ein zwischen zwei Schaltvorgängen liegendes
Zeitintervall bestimmt. Ist das Zeitintervall größer als ein hierfür sich aus
der Frequenz des Schaltelements 17 ergebender Referenzwert,
so liegt eine Störung
vor. Der Verbraucher 11 empfängt das Überwachungssignal und führt im Falle
einer Störung
im Verbraucher 11 laufende Prozesse zu einem auf Sicherheit
gerichteten schnellen Abschluss. Während dieser Zeit wird der
Verbraucher 11 aus dem Energiespeicher 37 versorgt.
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Hierbei
können
insb. im Falle einer Störung im
Verbraucher 11 ablaufende Schreibvorgänge, bei denen Daten auf nichtflüchtige Datenspeicher 43, z.B.
im Verbraucher 11 vorhandene EEPROM's, abgelegt werden, abgeschlossen werden,
während
der Verbraucher 11 aus dem Energiespeicher 37 versorgt
wird.
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Vorzugsweise
schaltet der Mikroprozessor 35 im Falle einer Störung unmittelbar
alle darin enthaltenen Strom verbrauchenden Elemente ab, deren Funktion
und Ausgestaltung dies zulassen. Dies führt zu einer Reduktion des
Verbrauchs, durch die der Zeitraum, über den der Verbraucher 11 aus
dem Energiespeicher 37 versorgt werden kann vergrößert wird.
Während
dieses Zeitraums werden die Daten abgelegt. In der Regel reicht
eine Vorwarnzeit im Millisekundenbereich um laufende Prozesse zu
einem sicherheitsgerichteten schnellen Abschluss zu bringen. Die
Vorwarnzeit ergibt sich aus der Dimensionierung des Energiespeichers 37.
Beispielsweise kann der Energiespeicher 37 derart dimensioniert sein,
dass er im Falle einer Störung
größenordnungsmäßig 10 ms
lang eine ausreichende Energieversorgung leisten kann. Je nach Anwendung
kann die Vorwarnzeit aber auch kürzer
oder länger
sein. Es gibt beispielsweise Anwendungen bei denen eine Vorwarnzeit
von 25 ms, beispielsweise zur Datenrettung, sinnvoll sein kann.
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Aufgrund
der gegebenen Vorwarnzeit, können
unkontrollierte Abbrüche
laufender Prozesse und daraus eventuell resultierende Probleme,
wie z.B. Datenverluste, vermieden werden.
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Watchdog
Schaltungen können
Probleme bereiten, wenn es darum geht, ein Gerät in Betrieb zu nehmen. Während des
Einschaltvorganges melden sie typischerweise eine Störung, die
aber in dieser Phase nicht relevant ist, da sie lediglich auf während des
Einschaltens auftretende Vorgänge
zurückzuführen ist.
In der Regel arbeiten Watchdog Schaltungen erst im an den Einschaltvorgang
anschließenden Normalbetrieb
einwandfrei. Häufig
werden deshalb zum Teil sehr aufwendige Vorkehrungen getroffen, um
die Watchdog Schaltung während
des Einschaltvorgangs zu deaktivieren.
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Dieses
Problem tritt bei dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil 1 jedoch
nicht auf. Wenn die Energieversorgung eingeschaltet wird, ist der
Verbraucher 11, insb. dessen Mikroprozessor 35 zunächst stromlos.
Eine in dieser Phase von der Watchdog Schaltung 29 gemeldete
Störung
bleibt unbemerkt. Während
die Schalteinheit 18 ihre Arbeit aufnimmt, steigt die Spannung
auf der Sekundärseite II mit
jedem Takt an, bis sie einen hierfür vorgesehenen Sollwert erreicht.
Erst dann nimmt der Verbrauchter 11, bzw. der darin enthaltene
Mikroprozessor 35 seine Arbeit auf. Zu diesem Zeitpunkt
arbeitet die Watchdog Schaltung 29 jedoch bereits einwandfrei.
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Die
Erfindung ist, wie eingangs bereits erwähnt, nicht auf Schaltnetzteile
mit einer galvanischen Trennung beschränkt, sondern kann völlig analog
auch in Verbindung mit Schaltnetzteilen ohne galvanische Trennung
eingesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils 1' ohne galvanische
Trennung ist in 2 dargestellt. Aufgrund der
großen Übereinstimmung zu
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind nachfolgend
lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert. Die in Verbindung mit 1 bereits
beschriebenen Verfahren und die Vorteile der Erfindung gelten analog,
und sind daher nicht noch einmal explizit erwähnt.
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Der
wesentliche Unterschied besteht darin, dass das in 2 dargestellte
Schaltnetzteil 1' eine Schalteinheit 18' umfasst, die
ein Schaltelement 17, aber keinen Transformator 19 aufweist.
Das Schaltelement 17 liegt in einem dritten Querzweig 45,
der von einem Verbindungspunkt 47 der ersten Leitung 21 auf
der Primärseite I mit
der dritten Leitung 25 der Sekundärseite II zu einem
Verbindungspunkt 49 der zweiten Leitung 23 auf
der Primärseite I mit
der vierten Leitung 27 auf der Sekundärseite II führt. Der Schalteinheit 18' ist auf dessen
Primärseite I in
der ersten Leitung 21 eine Induktivität 51 vorgeschaltet.
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Alternativ
zu dem hier dargestellten Aufwärtswandler
können
natürlich
auch andere Arten von Schalteinheiten, z.B. Abwärtswandler oder invertierende
Wandler in Verbindung mit der Erfindung eingesetzt werden.