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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil, das mit einer sicherheitsgerichteten Abschaltung ausgestattet ist.
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Ein Schaltnetzteil ist eine elektronische Baugruppe, die eine unstabilisierte Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung umwandelt. Im Gegensatz zu anderen Netzteilen mit großem Netzfrequenz-Transformator wandeln Schaltnetzteile die anliegende Netzspannung in eine Spannung höherer Frequenz um, da Transformatoren bei hohen Frequenzen für die gleiche Leistung weniger Magnetkernvolumen benötigen. Hier wird die Netzspannung meist gleichgerichtet, gesiebt, in eine höherfrequente Spannung zerhackt und nach der Transformation im hochfrequenten Zwischenkreis auf die gewünschte Spannung erneut gleichgerichtet.
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Bei der Verwendung von Schaltnetzteilen und deren Auslegung ist die Stabilität und die Qualität der Ausgangsspannung ein wichtiges Kriterium. Bei dem industriellen Einsatz von Schaltnetzteilen, beispielsweise beim Einsatz von Industrielasern oder vergleichbaren Komponenten, ist ein sicheres Abschalten des Schaltnetzteils erforderlich. Bei dem sicherheitsgerichteten Abschalten des Schaltnetzteils handelt es sich um einen Aspekt der funktionalen Sicherheit, wie er durch IEC 61508/ IEC 61511 vorgesehen ist. Die Sicherheitsanforderungsstufe, auch als Sicherheits-Integritäts-Level (SIL) bezeichnet, dient zur Beurteilung elektrischer, elektronischer oder programmierbar elektrischer Systeme in Bezug auf die Zuverlässigkeit von Sicherheitsfunktionen. Unter den Sicherheitsfunktionen ist beispielsweise ein Not-Aus-Schalter eine an vielen Maschinen, Fahrzeugen und Anlagen vorgesehene sicherheitsgerichtete Funktion. Im Bereich von Lasern, Stanzen und Sägen kann auch ein sicherheitsgerichtetes Abschalten des Netzteils mit mechanischen Öffnungskontakten verbunden sein. Ist beispielsweise ein Laser von einem Gehäuse eingehaust, so können Türen, Klappen und andere Gehäuseteile mit Öffnungskontakten versehen sein, die über eine Sicherheitseinrichtung sicher abgeschaltet werden.
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Aus
DE 103 10 361 A1 ist eine Ansteuerschaltung für ein Schaltnetzteil bekannt. Über eine Regelschaltung wird die Ausgangsleistung eines primär gesteuerten Schaltnetzteils geregelt, das einen primärseitigen Schalter und einen Transformator mit einer Hilfswicklung aufweist. In der Hilfswicklung werden durch die primärseitigen Schaltvorgänge Spannungspulse induziert, die zur Regelung der Ausgangsleistung herangezogen werden können. Für den Abschaltvorgang ist vorgesehen, die Ausgangsleistung zu regeln, indem der Strom durch die Primärwicklung einem Schwellwertvergleich unterzogen wird.
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Aus
US 2009/0091955 A1 ist ein Schaltnetzteil bekannt, bei dem über eine Pulsweitenmodulation eine Stabilisierung der Ausgangsspannung erfolgt. Die Pulsweitenmodulation setzt abhängig von der Eingangsspannung ein und besitzt eine Einschaltzeit, die sich nach der Ausgangsspannung richtet.
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Aus
JPS 5816314 A ist für ein Schaltnetzteil eine sichere Potenzialtrennung zwischen der Hauptversorgungsspannung und der Ansteuerspannung für das Schaltnetzteil bekannt.
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Bekannte Schaltnetzteile, die mit einer sicherheitsgerichteten Abschaltung ausgestattet sind, unterbrechen die Stromversorgung zu dem Schaltnetzteil sicherheitsgerichtet. Dies bedeutet, dass die gesamte, durch das Schaltnetzteil geleitete Leistung mit einem Schaltvorgang unterbrochen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil mit einer sicherheitsgerichteten Abschaltung bereitzustellen, das mit einfachen Mitteln und zuverlässig eine Abschaltung des Schaltnetzteils gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Schaltnetzteil mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil ist mit einer sicherheitsgerichteten Abschaltung ausgestattet. Das Schaltnetzteil besitzt einen Eingangs-Gleichrichter für eine Netzspannung. Ferner ist ein von einer Steuereinheit angesteuerter Leistungstransistor vorgesehen. Zudem gibt es einen Leistungsübertrager, beispielsweise in Form eines Transformators, der die anliegende Wechselspannung des Leistungstransistors in eine Sekundärspannung umwandelt. An einem Ausgangs-Gleichrichter liegt die Sekundärspannung des Leistungsübertragers an und wird zu einer Ausgangsspannung gleichgerichtet. Mithilfe einer Spannungsmesseinrichtung wird die gleichgerichtete Ausgangsspannung gemessen und an die Steuereinheit angelegt, um über den Leistungstransistor die Ausgangsspannung auf einen vorbestimmten Referenzwert zu regeln. Erfindungsgemäß ist eine sicherheitsgerichtete Schalteinheit an der Steuereinheit und/oder zwischen Steuereinheit und Leistungstransistor geschaltet, wobei die Steuereinheit oder die unterbrochene Ansteuerung des Leistungstransistors die in dem geschalteten Zustand der sicherheitsgerichteten Schalteinheit den Leistungstransistor sperrt. Die Anordnung der sicherheitsgerichteten Schalteinheit an der Steuereinheit kann sich auf eine Unterbrechung der Stromversorgung für die Steuereinheit oder für eine Treibereinheit beziehen. Die erfindungsgemäß geschaltete sicherheitsgerichtete Schalteinheit wirkt direkt oder über die Steuereinheit auf den Leistungstransistor und sperrt diesen. Ohne ein primärseitiges Wechselspannungssignal an dem Leistungsübertrager erfolgt keine Übertragung. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es für die sicherheitsgerichtete Abschaltung ausreicht, in der Ansteuerung des Transistors und damit des dem Leistungsübertrager vorgeschalteten Wechselrichter-Treiberkreis zu unterbrechen. Durch die Unterbrechung erfolgt direkt keine Leistungsübertragung mehr. Als besonderer Vorteil hat sich zudem herausgestellt, dass über die sicherheitsgerichtete Schalteinheit kleinere Ströme geschaltet werden können, als bei der Verwendung der sicherheitsgerichteten Schalteinheit in dem Hauptleistungspfad des Schaltnetzteils.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die sicherheitsgerichtete Schalteinheit ein Sicherheitsrelais auf, das ansprechend auf einen Auslöser schaltet. Das Sicherheitsrelais selbst ist entsprechend der Sicherheitsanforderungen mit einem Sicherheitsrelaislevel ausgestattet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die sicherheitsgerichtete Schalteinheit in eine Spannungsversorgung der Steuereinheit geschaltet. Eine ausbleibende Spannungsversorgung der Steuereinheit unterbindet eine Ansteuerung des Leistungstransistors und sperrt diesen. Bei dieser Schaltung der sicherheitsgerichteten Schalteinheit erfolgt eine indirekte Abschaltung des Schaltnetzteils über die Steuereinheit des Leistungstransistors. Hierbei ist sicherzustellen, dass, wenn die Stromversorgung der Steuereinheit unterbrochen wird, dies auch den Leistungstransistor sperrt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die sicherheitsgerichtete Schalteinheit ausgebildet sein, um eine Ansteuerleitung für den Leistungstransistor schaltend zu trennen. Durch das Trennen der Ansteuerleitung unterbleiben die Ansteuersignale für den Leistungstransistor, so dass dieser sperrt. Die Steuereinheit kann dabei weiter mit Spannung versorgt werden, sofern deren Spannungsversorgung nicht auch über eine weitere sicherheitsgerichtete Schalteinheit unterbrochen ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist, unabhängig davon, ob ein oder zwei sicherheitsgerichtete Schalteinheiten vorgesehen sind, in dem Schaltnetzteil keine sicherheitsgerichtete Schalteinheit in einem Strompfad zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung geschaltet. Vielmehr wird das sicherheitsgerichtete Abschalten des Schaltnetzteils durch eine sicherheitsgerichtete Abschaltung in der Ansteuerung des Leistungstransistors bewirkt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der gemessenen Ausgangsspannung und der Steuereinheit eine Potenzialtrennung vorgesehen. Die Potenzialtrennung, die im Wesentlichen die Steuereinheit vor zu hohen Spannungen schützt, erfolgt bevorzugt durch einen Optokoppler.
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Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine sicherheitsgerichtete Abschaltung bei der Ansteuerung des Transistors,
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2 ein Schaltnetzteil mit einer zweifachen, sicherheitsgerichteten Abschaltung und
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3 ein Beispiel für ein Schaltnetzteil aus dem Stand der Technik.
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3 zeigt in einer schematischen Ansicht ein sicherheitsgerichtetes Abschalten eines Schaltnetzteils 10. Das Schaltnetzteil 10 versorgt einen schematisch dargestellten Laser 12, wie er beispielsweise für Markierungs- und Druckvorgänge eingesetzt wird, mit einer stabilen Gleichspannung. Der Laser 12 ist in einem Gehäuse 14 abgeschirmt und unzugänglich angeordnet. Das Gehäuse 14 ist in 3 lediglich schematisch dargestellt. Für den Zugang zu dem Laser 12 ist das Gehäuse 14 mit einer Tür 16 ausgestattet, die zwei Schalter B1, B2 besitzt. B1 und B2 sind jeweils über entsprechende Leitungen mit einer sicherheitsgerichteten Schalteinheit 18 verbunden. Bei der sicherheitsgerichteten Schalteinheit 18 handelt es sich bevorzugt um ein Sicherheitsrelais mit dem entsprechenden Sicherheitslevel. Das Sicherheitsrelais schaltet die schematisch dargestellten Schalter K1 und K2, die in einer Spannungsversorgung 20 des Schaltnetzteils 10 angeordnet ist. Über einen Schalter B3 kann das Sicherheitsrelais gestartet und über einen Schalter B4 gestoppt werden.
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Im Betrieb sind die Schalter K1 und K2 geschlossen, so dass das Schaltnetzteil den Laser 12 mit der gewünschten Gleichspannung versorgt. Wird die Tür geöffnet und somit der Schalter B1 und/oder B2, so löst das Sicherheitsrelais aus und öffnet einen oder beide der Schalter K1 und K2. Hierdurch ist die Spannungsversorgung des Schaltnetzteils 10 unterbrochen und damit auch der Betrieb des Lasers 12.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung, wobei gleiche Komponenten wie in 3 mit gleichen Bezugszeichen belegt sind.
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Das Schaltnetzteil 10 ist in 1 detailliert dargestellt. Die anliegende Netzspannung 22 wird in einer Eingangsstufe 24 über einen Netzfilter 24.1, einen Gleichrichter 24.2 und einen Glättungskondensator 24.3 entstört gleichgerichtet und gesiebt. Ausgangsgröße der Eingangsstufe 24 ist eine hohe Gleichspannung 26. Die hohe Gleichspannung liegt an einem Transistor 28, beispielsweise in Form eines MOSFET an. Der Transistor 28 wird über eine Steuerleitung 29 geschaltet, um eine geschaltete Spannung 30, beispielsweise im Kilohertz-Bereich, zu erzeugen. Die geschaltete Spannung 30 liegt an einem Leistungsüberträger 32 an, der die anliegende Spannung transformiert. Die transformierte Spannung wird in einer Ausgangsstufe 34 mit Hilfe einer Diode 34.2 und einem Glättungskondensator 34.3 gleichgerichtet und gesiebt.
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Um eine konstante Ausgangsspannung 36 für den Laser 12 zur Verfügung zu stellen, ist eine Regelschleife 38 vorgesehen. Die Regelschleife 38 erfasst die Ausgangsspannung und legt diese zu einem Vergleich mit einer Referenzspannung an eine analoge Regelung 40 an. Die analoge Regelung 40 gibt eine Regelungsgröße 41 an eine Potenzialtrennung 42, die beispielsweise als ein Optokoppler ausgeführt werden kann. Das Ausgangssignal 43 des Optokopplers 42 liegt an einer Steuerung 44 als Ausgangssignal an. Die Steuerung 44 generiert, je nach Größe des Eingangssignals, das Ansteuersignal in der Steuerleitung 29 für den Transistor. Die Steuerung 44 besitzt eine Spannungsversorgung 52, die, wie durch das Kreuz 48 dargestellt, durch die Schalter K1 und/oder K2 unterbrochen werden kann. Die ebenfalls zu schaltenden Enden 50 des Sichheitsrelais 18 sind in der Figur der besseren Übersicht halber nicht zugeordnet.
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Im Betrieb sind die Schalter K1 und K2 geschlossen, so dass eine Versorgungsspannung 52 an der Steuerung 44 anliegt und die Steuersignale 29 für den Transistor 28 generiert werden können. Werden die Schalter K1 und/oder K2 geöffnet, so wird die Versorgung 52 in der Leitung 46 an dem Kreuz 48 unterbrochen und die Steuerung 44 erzeugt kein Ansteuersignal für den Transistor. Die Spannungsversorgung für die Steuerung 44 ist unterbrochen.
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Der Vorteil der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung besteht darin, dass an den Schaltern K1 und K2 lediglich die Versorgungsspannung für die Steuerung 44 geschaltet werden muss, nicht aber die deutlich größeren Ströme und Leistungen, die durch das Schaltnetzteil entlang dem Strompfad 24, 26, 28, 30, 34.
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2 entspricht in seinem Aufbau dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Hinzu kommt, dass über die Schalter K1 und/oder K2 auch die Steuerleitung 29 für den Transistor 28 getrennt werden kann. Die Trennung der Steuerleitung 29 ist durch ein Kreuz 54 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltnetzteil
- 12
- Laser
- 14
- Gehäuse
- 16
- Tür
- 18
- sicherheitsgerichtete Schalteinheit
- 20
- Spannungsversorgung
- 22
- Netzspannung
- 24
- Eingangsstufe / Strompfad
- 24.1
- Netzfilter
- 24.2
- Gleichrichter
- 24.3
- Glättungskondensator
- 26
- Gleichspannung / Strompfad
- 28
- Transistor / Strompfad
- 29
- Steuerleitung / Steuersignal
- 30
- geschaltete Spannung / Strompfad
- 32
- Leistungsübertrager
- 34
- Ausgangsstufe / Strompfad
- 34.2
- Diode
- 34.3
- Glättungskondensator
- 36
- Ausgangsspannung
- 38
- Regelschleife
- 40
- analoge Regelung
- 42
- Potenzialtrennung /Optokoppler
- 43
- Ausgangssignal
- 44
- Steuerung
- 46
- Spannungsversorgung
- 48
- Kreuz
- 50
- Enden des Sicherheitsrelais
- 52
- Spannungsversorgung
- 54
- Kreuz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10310361 A1 [0004]
- US 2009/0091955 A1 [0005]
- JP 5816314 A [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 61508/ IEC 61511 [0003]
