DE102019101939A1 - Power supply device and method for regulated energy supply of at least one electrical consumer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung (100) zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers R1-RN, die folgende Merkmale aufweisen kann:eine Einrichtung (201, 202, Tr1) zur Umwandlung einer Eingangsspannung (Vin) in eine Ausgangsspannung (Vout),eine Schaltungseinrichtung (500, 600), die zum Bereitstellen eines ersten Strombegrenzungswertes (III) ausgebildet ist, undeine Regelungseinrichtung (202), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des den von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten ersten Strombegrenzungswerts den von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Ausgangsstrom für eine Zeitdauer (t0) auf den ersten Strombegrenzungswert (IL1) zu begrenzen,wobei die Schaltungseinrichtung (500, 600) ferner dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert (IL1) zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich undwertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert (IMAX) abzusenken, wobei die Regelungseinrichtung (202) ferner dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten Strombegrenzungswerte den von derStromversorgungsvorrichtung bereitgestellten Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert (IL1) bis zum zweiten Strombegrenzungswert (IMAX) abzusenken.The invention relates to a power supply device (100) for the regulated energy supply of at least one electrical consumer R1-RN, which can have the following features: a device (201, 202, Tr1) for converting an input voltage (Vin) into an output voltage (Vout), a circuit device (500, 600), which is designed to provide a first current limit value (III), and a control device (202), which is designed to, depending on the first current limit value provided by the circuit device (500, 600), the output current that can be supplied by the power supply device for a period of time (t0) to the first current limit value (IL1), the circuit device (500, 600) also being designed to continuously and value-continuously or time-continuously and non-discretely up to a second current limit value (IMAX) the first current limit value (IL1) lower, the control device ( 202) is further configured, in response to the current limiting values provided by the circuit device (500, 600), to reduce the output current provided by the power supply device in a time-continuous and value-continuous or time-continuous and value-discrete manner from the first current limit value (IL1) to the second current limit value (IMAX).

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers.The invention relates to a power supply device and a method for the regulated energy supply of at least one electrical consumer.

Stromversorgungen haben die Aufgabe, die Versorgungsspannung an den jeweiligen Verbraucher anzupassen. Je nach speisender Quelle ist die Eingangsspannung im berührgefährlichen Bereich oberhalb einer gewissen Spannungsgrenze. So wird ein industrieller Schaltschrank üblicherweise von einer berührgefährlichen Spannung von 120VAC/230VAC, einer batteriegespeisten Gleichspannung von 110VDC/220VDC oder Niederspannungen bis 1000VAC/1500VDC gespeist. Hierzu sind Anforderungen an die elektrische Sicherheit, wie Isolationsabstände oder - materialien und der Berührschutz einzuhalten. Die Verbraucher in einem Schaltschrank, wie zum Beispiel eine Steuerung (zum Beispiel eine SPS), Sensoren und/oder Aktoren, werden von einer berührungefährlichen Sicherheits-Kleinspannung (SELV = Safety Extra Low Voltage), die kleiner als 60VDC ist, gespeist. Dadurch müssen keine erhöhten Anforderungen an die elektrische Sicherheit in dem Verbraucher oder dessen Anschlüssen umgesetzt werden. Üblicherweise werden industrielle Verbraucher mit einer konstanten Gleichspannung VOUT von 24VDC versorgt.Power supplies have the task of adapting the supply voltage to the respective consumer. Depending on the supply source, the input voltage in the hazardous area is above a certain voltage limit. An industrial control cabinet is usually supplied with a dangerous voltage of 120VAC / 230VAC, a battery-powered direct voltage of 110VDC / 220VDC or low voltages up to 1000VAC / 1500VDC. For this purpose, requirements regarding electrical safety, such as insulation distances or materials and protection against accidental contact, must be observed. The consumers in a control cabinet, such as a controller (for example a PLC), sensors and / or actuators, are fed by a safety extra low voltage (SELV = Safety Extra Low Voltage) that is less than 60VDC. As a result, no increased requirements for electrical safety in the consumer or its connections have to be implemented. Industrial consumers are usually supplied with a constant DC voltage VOUT of 24VDC.

Aufgabe einer Stromversorgung ist es, die berührgefährliche Eingangsspannung VIN von der berührbaren Ausgangsspannung VOUT sicher zu trennen und eine konstante Versorgungsspannung zur Verfügung zu stellen. Nachteilig an der geringen Versorgungsspannung sind die bei gleicher Leistung P = U*I -> I2 = U1/U2 * I1 umgekehrt proportional steigenden Ströme, die üblicherweise bis in den Bereich von einigen 10A, typisch bis 40A gehen können. Um die Verluste über den Versorgungsspannungsleitungen gering zu halten, sind entsprechend große Kabelquerschnitte erforderlich, wobei die Zuleitungsverluste PV gemäß der Gleichung Pv = I2 * RCU quadratisch mit dem Strom steigen.The task of a power supply is to safely separate the touchable input voltage V IN from the touchable output voltage V OUT and to provide a constant supply voltage. A disadvantage of the low supply voltage is that with the same power P = U * I -> I2 = U1 / U2 * I1, inversely proportional rising currents, which can usually go up to the range of a few 10A, typically up to 40A. In order to keep the losses over the supply voltage lines low, correspondingly large cable cross sections are required, the supply line losses PV increasing quadratically with the current in accordance with the equation Pv = I 2 * R CU .

Eine Stromversorgung wird üblicherweise mit einem bei Netzfrequenz betriebenen Transformator oder einem Schaltnetzteil realisiert. Der Transformator trennt die Eingangsspannung galvanisch von der Ausgangsspannung und setzt die Eingangsspannung mit dem Verhältnis der Windungen herunter. Die Größe des Transformators ist abhängig von der Frequenz der Wechselspannung. Entsprechend sind bei Netzfrequenz 50/60 Hz betriebene Transformatoren deutlich größer, schwerer und teurer als bei einer wesentlich höheren Frequenz (z. B. 20 kHz) getaktete Transformatoren eines Schaltnetzteils.A power supply is usually realized with a transformer operated at mains frequency or a switching power supply. The transformer galvanically separates the input voltage from the output voltage and reduces the input voltage with the ratio of the turns. The size of the transformer depends on the frequency of the AC voltage. Correspondingly, transformers operated at a mains frequency of 50/60 Hz are significantly larger, heavier and more expensive than transformers of a switched-mode power supply that are clocked at a substantially higher frequency (e.g. 20 kHz).

50Hz/60Hz-Transformatornetzteile können üblicherweise die Spannung nicht regeln, sondern sie transformieren diese mit einem festen Verhältnis und werden an die jeweilige Eingangsspannung angepasst. Auch kann ein Transformator nicht mit Gleichspannung versorgt werden. Netzspannungsschwankungen führen zu Versorgungsspannungsschwankungen an den Verbrauchern. Insbesondere bei kleinen Leistungen ist die Ausgangsspannung eines Transformators abhängig von der Auslastung. Eine nachfolgende sekundärseitige elektronische Regelung hat den Nachteil, dass diese mit sehr großen Strömen arbeitet und daher stark verlustbehaftet ist.50Hz / 60Hz transformer power supplies can usually not regulate the voltage, but transform it with a fixed ratio and are adapted to the respective input voltage. A transformer cannot be supplied with DC voltage either. Line voltage fluctuations lead to supply voltage fluctuations at the consumers. The output voltage of a transformer is dependent on the load, in particular for small outputs. A subsequent electronic control on the secondary side has the disadvantage that it works with very large currents and is therefore very lossy.

Aufgrund dieser Nachteile wurden primär-getaktete Stromversorgungen entwickelt. Diese erzeugen üblicherweise eine Gleichspannung von 24VDC und stellen eine Leistung bis zu wenigen kW bzw. Ströme bis 60A zu Verfügung, die durch den maximal üblichen 16mm2 Kabelquerschnitt begrenzt werden.Because of these disadvantages, primary clocked power supplies have been developed. These usually generate a DC voltage of 24VDC and provide a power of up to a few kW or currents up to 60A, which are limited by the maximum usual 16mm 2 cable cross-section.

Aus der DE 10 2005 031 833 A1 ist eine elektronische Stromversorgungsvorrichtung bekannt, die als Schaltnetzteil ausgebildet sein kann. Die bekannte Stromversorgungsvorrichtung weist eine Einrichtung zum Begrenzen des Ausgangsstroms der Stromversorgungsvorrichtung auf einen ersten vorbestimmten Wert auf. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, die unter Ansprechen auf das Erfassen eines elektrischen Störfalls den Ausgangsstrom für eine vorbestimmte Zeit auf einen zweiten vorbestimmten Wert einstellt, der größer als der erste Wert ist. Zudem ist eine Begrenzungseinrichtung vorgesehen, die den Ausgangsstrom nach Ablauf der vorbestimmten Zeit sprunghaft auf den ersten vorbestimmten Wert ausgebildet ist.From the DE 10 2005 031 833 A1 an electronic power supply device is known, which can be designed as a switching power supply. The known power supply device has a device for limiting the output current of the power supply device to a first predetermined value. Furthermore, a device is provided which, in response to the detection of an electrical fault, sets the output current for a predetermined time to a second predetermined value which is greater than the first value. In addition, a limiting device is provided which, after the predetermined time has elapsed, the output current is jumped to the first predetermined value.

Aus der WO 2015/082207 A1 ist eine Stromversorgungseinrichtung zum Begrenzen des Ausgangsstroms bekannt. Die bekannte Stromversorgungseinrichtung weist eine Strombegrenzungsschaltung auf, die einen Ausgangsstrom der Stromversorgungseinrichtung zunächst für einen Zeitraum auf einen erhöhten Maximalstrom begrenzt und danach sprunghaft auf einen regulären Maximalstrom begrenzt, wobei der Zeitraum. Für den der Ausgangsstrom auf den erhöhten Maximalstrom begrenzt ist, von der Höhe des Ausgangsstroms abhängig ist.From the WO 2015/082207 A1 a power supply device for limiting the output current is known. The known power supply device has a current limiting circuit which initially limits an output current of the power supply device to an increased maximum current for a period of time and then abruptly limits it to a regular maximum current, the period of time. For which the output current is limited to the increased maximum current, depends on the level of the output current.

Mit den beiden bekannten Stromversorgungseinrichtungen gemäß der DE 10 2005 031 833 A1 und der WO 2015/082207 A1 können Leitungsschutzschalter schnell magnetisch ausgelöst werden.With the two known power supply devices according to the DE 10 2005 031 833 A1 and the WO 2015/082207 A1 Miniature circuit breakers can be triggered magnetically quickly.

In 1 ist eine beispielhafte Anlage abgebildet, die, dargestellt als Blockschaltbilder, eine Stromversorgungsvorrichtung 100 aufweist, an deren Ausgang beispielsweise zwei elektrische Verbraucher R1 und RN parallel angeschlossen sind, die jeweils mit der Ausgangsspannung VOUT der Stromversorgungsvorrichtung 100 gespeist werden.In 1 An exemplary system is shown, which, shown as block diagrams, a power supply device 100 has, for example, two electrical consumers at the output R1 and RN are connected in parallel, each with the output voltage V OUT of the power supply device 100 be fed.

Die Stromversorgungsvorrichtung 100 stellt einen der Bauteiledimensionierung entsprechenden Strom bereit bzw. zur Verfügung, der als Nennstrom INOM des Schaltnetzteiles angegeben wird. Wird durch Verbraucher mehr als der Nennstrom INOM aufgenommen, begrenzt das Schaltnetzteil 100 den Ausgangstrom auf einen etwas höheren maximalen Ausgangsstrom IMAX. Hierdurch werden Toleranzen in der Strombegrenzung ausgeglichen und sichergestellt, dass der Nennstrom immer erreicht wird. Da die Bauteile des Schaltnetzteils oder die Verbindungsleitungen zu angeschlossenen Verbrauchern auf diesen maximalen Strom, der im Kurzschlußfall fließen kann, auszulegen sind, liegt der maximale Ausgangsstrom IMAX insbesondere bei größeren Stromversorgungen nur knapp über dem Nennstrom, und zwar vorteilhafterweise zwischen 110% und 150% des Nennstroms INOM.The power supply device 100 provides or provides a current corresponding to the component dimensioning, which is specified as the nominal current INOM of the switching power supply. If the consumer consumes more than the nominal current I NOM , the switching power supply limits 100 the output current to a somewhat higher maximum output current I MAX . This compensates for tolerances in the current limitation and ensures that the nominal current is always reached. Since the components of the switched-mode power supply or the connecting lines to connected consumers are to be designed for this maximum current, which can flow in the event of a short circuit, the maximum output current I MAX is only slightly above the nominal current, especially in the case of larger power supplies, and advantageously between 110% and 150% of the nominal current I NOM .

Um zum Beispiel ein Starten schwerer Lasten wie Motoren zu ermöglichen, besitzen viele Stromversorgungen eine kurzzeitige Stromüberhöhung, die maximal einen Strom bis zum 2,5-fachen des Nennstromes für wenige Sekunden zur Verfügung stellen.For example, in order to enable heavy loads such as motors to be started, many power supplies have a short-term current surge, which provide a maximum of 2.5 times the nominal current for a few seconds.

Entsprechend den allgemeinen elektrischen Installationsvorschiften können Leitungsquerschnitte nach einer Sicherung reduziert werden. Neben Schmelzsicherungen werden insbesondere auch häufig Leitungsschutzschalter hierfür verwendet. In 2 ist die in 1 gezeigte beispielhafte Anlage dahingehend verändert worden, dass jedem Verbraucher R1 bis RN eine Schutzeinrichtung F1 bis FN vorgeschaltet ist. Wie in 2 zu sehen, sind an die Stromversorgungsvorrichtung 100 die verschiedenen Verbraucher, die durch unterschiedliche Lastwiderstände R1 bis RN gekennzeichnet angeschlossen, die mit unterschiedlichen Strömen von der Stromversorgungsvorrichtung 100 zentral versorgt werden. Bei zumindest einem Kurzschluss einer Zuleitung zu dem jeweiligen Verbraucher oder bei einem Kurzschluss innerhalb wenigstens eines der Verbraucher werden jedoch alle Verbraucher nicht mehr ausreichend mit Strom versorgt. Um die Anlage jedoch weiter versorgen und um Leitungsquerschnitte reduzieren zu können, werden die verschiedenen Strompfade, in denen die Verbraucher liegen, einzeln abgesichert. Ebenso kann in zumindest einigen der Verbrauchern jeweils eine eingangsseitige Sicherung geschaltet sein, die bei internen Kurzschlüssen auslösen soll.According to the general electrical installation regulations, cable cross-sections can be reduced after a fuse. In addition to fuses, circuit breakers are often used for this purpose. In 2nd is the in 1 shown exemplary plant has been changed so that every consumer R1 to R N a protective device F1 to F N is connected upstream. As in 2nd can be seen on the power supply device 100 the different consumers by different load resistances R1 to R N labeled connected with different currents from the power supply device 100 be supplied centrally. In the event of at least one short circuit of a supply line to the respective consumer or in the event of a short circuit within at least one of the consumers, however, all consumers are no longer adequately supplied with current. However, in order to continue supplying the system and to be able to reduce line cross-sections, the various current paths in which the consumers are located are individually protected. Likewise, an input-side fuse can be connected in at least some of the consumers, which should trigger in the event of internal short circuits.

Nachteilig hat sich jedoch dabei herausgestellt, dass die Sicherungen oder Leitungsschutzschalter bei einem geringen Überstrom nicht nur relativ langsam auslösen. Die Verbraucher können kurze Unterbrechungen der Eingangsspannung überbrücken, z.B. 20ms entsprechend EN61000-6-2 (Fachgrundnorm Störfestigkeit für industrielle Verbraucher). Hierzu besitzen Leitungsschutzschalter normalerweise zwei Auslösemechanismen: Bei hohen Überströmen eine schnelle magnetische Auslösung innerhalb von 10ms und bei geringeren Überströmen wie auch Schmelzsicherungen eine langsamere thermische Auslösung.It has turned out to be disadvantageous, however, that the fuses or circuit breakers not only trip relatively slowly with a low overcurrent. The consumers can bridge short interruptions in the input voltage, e.g. 20ms according to EN61000-6-2 (generic standard immunity for industrial consumers). Miniature circuit breakers normally have two tripping mechanisms for this purpose: With high overcurrents, rapid magnetic tripping within 10ms and with lower overcurrents, as well as fuses, a slower thermal tripping.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers zur Verfügung zu stellen, die in einem elektrischen Störfall, insbesondere bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss, sowohl eine magnetisch auslösbare Schutzeinrichtung als auch eine thermisch auslösbare Schutzeinrichtung auslösen kann.The invention has for its object to provide a power supply device and a method for regulated energy supply of at least one electrical consumer, which can trigger both a magnetically triggered protective device and a thermally triggered protective device in the event of an electrical fault, particularly in the event of a short circuit on the output side.

Das technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.The technical problem is solved by the features of claim 1 and by the features of claim 4.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous further developments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine beispielhafte Stromversorgungvorrichtung gemäß der Erfindung, an welcher mehrere elektrische Verbraucher parallel angeschlossen sind,
  • 2 die in 1 gezeigte Stromversorgungsvorrichtung, wobei jedem elektrischen Verbraucher eine Schutzeinrichtung vorgeschaltet ist,
  • 3 ein Blockschaltbild der in 1 gezeigten Stromversorgungsvorrichtung,
  • 4 einen beispielhaften Schaltungsaufbau der in 3 gezeigten Regelungseinrichtung mit einem Spannungsregler und einem Stromregler,
  • 5 ein Spannungsteiler zum Bereitstellen der Sollwerte für die in 4 gezeigten Regelungseinrichtung,
  • 6 eine beispielhafte Strombegrenzungskennlinie gemäß der Erfindung,
  • 7 eine analoge Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Strombegrenzungswerten beispielsweise in Abhängigkeit der in 6 gezeigten Strombegrenzungskennlinie, und
  • 8 eine digitale Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Strombegrenzungswerten beispielsweise in Abhängigkeit der in 6 gezeigten Strombegrenzungskennlinie.
The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the accompanying figures. Show it:
  • 1 an exemplary power supply device according to the invention, to which several electrical consumers are connected in parallel,
  • 2nd in the 1 Power supply device shown, with a protective device being connected upstream of each electrical consumer,
  • 3rd a block diagram of the in 1 shown power supply device,
  • 4th an exemplary circuit structure of the in 3rd shown control device with a voltage regulator and a current regulator,
  • 5 a voltage divider to provide the setpoints for the in 4th control device shown,
  • 6 an exemplary current limiting characteristic according to the invention,
  • 7 an analog circuit arrangement for generating current limiting values, for example depending on the in 6 current limiting characteristic shown, and
  • 8th a digital circuit arrangement for generating current limiting values, for example depending on the in 6 current limiting characteristic shown.

3 zeigt als Blockschaltbild einen beispielhaften Aufbau der in den 1 und 2 gezeigten Stromversorgungsvorrichtung 100, in der die erfindungsgemäße Strombegrenzung verwirklicht ist. Die Stromversorgungsvorrichtung 100 ist beispielsweise ein primär-getaktetes AC/DC-Schaltnetzteil, wobei die Stromversorgungsvorrichtung auch als DC- oder AC-Schaltnetzteil ausgebildet sein kann. 3rd shows a block diagram of an exemplary structure of the in the 1 and 2nd shown Power supply device 100 , in which the current limitation according to the invention is implemented. The power supply device 100 is, for example, a primary clocked AC / DC switching power supply, wherein the power supply device can also be designed as a DC or AC switching power supply.

Das primär-getaktete Schaltnetzteil 100 kann primärseitig aus einer Eingangsgleichspannung VIN gespeist werden, die an Eingangsklemmen 101, 102 angelegt werden kann. Bei dem beispielhaften AC/DC-Schaltnetzteil 100 kann eine Eingangswechselspannung VINAC über Eingangsklemmen 103, 104 VINAC mit einem primärseitigen Gleichrichter D1 verbunden, wobei die Eingangsklemmen 103, 104 und der Gleichrichter D1 bei einem DC/DC-Schaltnetzteil entfallen können. Die Eingangsspannung VIN wird mit einem Kondensator C1 geglättet, der parallel an die Eingangsklemmen 101, 102 angeschlossen ist, und anschließend einem Transformator Tr1 zugeführt. Hierzu ist ein Anschluss einer Primärwicklung des Transformators Tr1 mit der Eingangsklemme 101 und der andere Anschluss der Primärwicklung des Transformators Tr1 über einen Leistungsschalter S1, der hochfrequent getaktet wird, mit der Eingangsklemme 102 verbunden. Der Leistungsschalter S1 wird von einer primärseitig angeordneten Ansteuerungseinrichtung 201 angesteuert, die beispielsweise als Pulsweitenmodulator arbeitet. Die Ansteuereinrichtung 201 ist mit den Eingangsklemmen 101 du 102 verbunden. Das Steuersignal für die Ansteuerungseinrichtung 201 wird von einer sekundärseitig angeordneten Regelungseinrichtung 202 erzeugt und über eine Trennschaltung 106 auf die Primärseite des Schaltnetzteils 100 geleitet. Die Trennschaltung 106 kann ein Optokoppler OC1 sein. Die Trennschaltung 105 und der Transformator Tr1 sorgen somit für eine galvanische Trennung, d.h. sie trennen das Schaltnetzteil 100 somit in eine Primärseite und eine Sekundärseite, was symbolisch durch die Strichpunktlinie 105 dargestellt ist. Über die galvanische Trennung wird die Energie des Transformator Tr1 auf die sekundärseitige Wicklung gegeben und mit einer Diode D10 gleichgerichtet. Die vom Kondensator C10 geglättet Spannung wird als Ausgangsspannung VOUT am Ausgang der Stromversorgungsvorrichtung 100 zur Verfügung gestellt.The primary clocked switching power supply 100 can be fed on the primary side from a DC input voltage V IN which is connected to input terminals 101 , 102 can be created. In the exemplary AC / DC switching power supply 100 can supply an input AC voltage V INAC via input terminals 103 , 104 V INAC with a primary rectifier D1 connected, the input terminals 103 , 104 and the rectifier D1 can be omitted with a DC / DC switching power supply. The input voltage V IN is with a capacitor C1 smoothed out in parallel to the input terminals 101 , 102 is connected, and then fed to a transformer Tr1. For this purpose, a primary winding of the transformer Tr1 is connected to the input terminal 101 and the other connection of the primary winding of the transformer Tr1 via a circuit breaker S1 , which is clocked at high frequency, with the input terminal 102 connected. The circuit breaker S1 is by a control device arranged on the primary side 201 controlled, which works for example as a pulse width modulator. The control device 201 is with the input terminals 101 you 102 connected. The control signal for the control device 201 is provided by a control device arranged on the secondary side 202 generated and via a disconnect circuit 106 on the primary side of the switching power supply 100 headed. The disconnect circuit 106 can be an optocoupler OC1 be. The disconnect circuit 105 and the transformer Tr1 thus ensure electrical isolation, ie they separate the switching power supply 100 thus into a primary side and a secondary side, which is symbolized by the chain line 105 is shown. The energy of the transformer is transferred via the electrical isolation Tr1 placed on the secondary winding and with a diode D10 rectified. The one from the capacitor C10 smoothed voltage is output voltage V OUT at the output of the power supply device 100 made available.

Die Regelungseinrichtung 202 erfasst vorzugsweise die Ausgangsspannung VOUT und den Ausgangsstrom IOUT der Stromversorgungseinrichtung 100 und regelt im Normalbetrieb auf eine konstante Ausgangsspannung VOUT.The control device 202 preferably detects the output voltage V OUT and the output current I OUT of the power supply device 100 and regulates to a constant output voltage V OUT in normal operation.

Das Schaltnetzteil 100 kann nach bekannten Schaltungsgrundprinzipien realisiert werden, z.B. als Sperrwandler, Flusswandler, als Halbbrücken- oder Vollbrücken- oder Resonanzwandler. Ebenso kann das Schaltnetzteil 100 mehrere Schaltstufen in Reihenschaltung besitzen. Bekannt ist eine vorgeschaltete PFC-Stufe, die für eine sinusförmige Eingangsstromaufnahme sorgt. Auch weitere Schaltungsgrundkonzepte wie 2-Transistor-Wandler oder eine Parallelschaltung der Schaltstufen als interleaved Wandler oder bei hohen Spannungen eine Reihenschaltung als Kaskade sind der Fachliteratur zu entnehmen.The switching power supply 100 can be implemented according to known basic circuit principles, for example as flyback converters, forward converters, as half-bridge or full-bridge or resonance converters. Likewise, the switching power supply 100 have several switching stages in series. An upstream PFC stage is known which ensures a sinusoidal input current consumption. Other basic circuit concepts such as 2-transistor converters or a parallel connection of the switching stages as an interleaved converter or, in the case of high voltages, a series connection as a cascade can be found in the specialist literature.

3 zeigt ein galvanisch getrenntes Schaltnetz 100. Dies kann aber auch genauso ein nicht galvanisch getrenntes Schaltnetzteil sein, z.B. ein Tiefsetzer, Hochsetzer oder ein Inverswandler. 3rd shows a galvanically isolated switching network 100 . However, this can also be a non-galvanically isolated switching power supply, for example a step-down converter, step-up converter or an inverse converter.

Der Leistungsschalter S1 ist unabhängig von der verwendeten Schaltertechnologie ein beliebig ein- und ausschaltbarer Halbleiterschalter und kann z.B. als MOSFET oder Bipolartransistor oder IGBT oder GAN-FET oder SiC-FET realisiert werden. Auch kann die als Rückkoppelelement fungierende Trenneinrichtung 106 sowohl als eigentlicher Optokoppler als auch als magnetischer Koppler realisiert werden. Das Ansteuerung des Leistungsschalters S1 kann z.B. hartschaltend mit Pulsweitenmodulation PWM oder bei resonanten Wandlertopologien mit Pulsfrequenzmodulation PFM erfolgen.The circuit breaker S1 is a semiconductor switch that can be switched on and off regardless of the switch technology used and can be implemented, for example, as a MOSFET or bipolar transistor or IGBT or GAN-FET or SiC-FET. The separating device functioning as a feedback element can also be used 106 can be implemented both as an actual optocoupler and as a magnetic coupler. The control of the circuit breaker S1 can, for example, be hard-switching with pulse width modulation PWM or, in the case of resonant converter topologies, with pulse frequency modulation PFM.

Ebenso kann das Schaltnetzteil 100 eine sinusförmige Ausgangsspannung erzeugen, wie bei einem Wechselrichter. Hierzu wird z.B. weniger ausgangsseitig geglättet und die Ausgangsspannung sinushalbwellenförmig mit 100/120Hz moduliert und anschließend mit einer sogenannten H-Brücke die Polarität gewechselt.Likewise, the switching power supply 100 generate a sinusoidal output voltage, like an inverter. For this purpose, there is less smoothing on the output side and the output voltage is modulated sinusoidally half-wave at 100 / 120Hz and then the polarity is changed using a so-called H-bridge.

Die Regelung des Schaltnetzteiles 100 kann sowohl analog als auch digital erfolgen. Bei konstanter Eingangsspannung VIN erzeugt z.B. von einer vorgeschalteten Schaltstufe, kann die Erfassung der Ausgangsspannung und -strom auch primärseitig erfolgen, mit jedoch deutlich größeren Toleranzen und das Schaltnetzteil vollständig primärseitig geregelt werden. Daher wird in einigen Schaltnetzteilen die Ausgangsspannung sekundärseitig erfasst und geregelt, der Strom aber primärseitig begrenzt.The regulation of the switching power supply 100 can be done both analog and digital. With a constant input voltage V IN generated, for example, by an upstream switching stage, the detection of the output voltage and current can also take place on the primary side, but with significantly larger tolerances, and the switching power supply can be regulated completely on the primary side. For this reason, the output voltage is detected and regulated on the secondary side in some switching power supplies, but the current is limited on the primary side.

Bezuggenommen wird nunmehr auf 4, die eine beispielhafte Realisierung der Regelungseinrichtung 202 zeigt. Betrachtet man das Schaltnetzteils 100 aus regelungstechnischer Sicht der Ausgangsgrößen „Konstante Spannung“ und „Strombegrenzung“, so besteht das Schaltnetzteil 100 aus einem Leistungspfad, mit dem die Eingangsenergie auf die Ausgangsseite transformiert wird. Ausgangsseitig wird die aktuelle Ausgangsspannung VOUTACT und der aktuelle Ausgangsstrom IOUTACT gemessen. Diese Signale werden ggf. verstärkt an die sekundärseitige Regelungseinrichtung 202 weitergeleitet. Die sekundärseitige Regelungseinrichtung 202 weist wenigstens zwei Regler auf, nämlich einen Spannungsregler 302 und einen Stromregler 301.Reference is now made to 4th which is an exemplary implementation of the control device 202 shows. Consider the switching power supply 100 From the control point of view of the output variables "constant voltage" and "current limitation", there is the switching power supply 100 from a power path with which the input energy is transformed to the output side. The current output voltage V OUTACT and the current output current I OUTACT are measured on the output side . These signals are possibly amplified to the secondary control device 202 forwarded. The secondary control device 202 has at least two regulators, namely a voltage regulator 302 and a current regulator 301 .

Beide Regler 301 und 302 können diskret als sogenannte PI-Regler realisiert werden. Hierzu weist der beispielhafte Stromregler 301 einen Operationsverstärker ICI1 auf, an dessen nicht-invertierenden Eingang ein Sollwert IOUTLIM und an dessen invertierenden Eingang ein dem aktuellen Ausgangsstrom entsprechendes Spannungssignal anliegt, welches beispielsweise über einen Shuntwiderstand R13 abgegriffen und dann über einen Verstärker ICI2 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand RI1 an den invertierenden Eingang angelegt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers ICI1 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und RI2 und einen Kondensator CI1 auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt. Der beispielhafte Spannungsregler 302 weist einen Operationsverstärker ICV1 auf, an dessen nicht-invertierenden Eingang ein Sollwert IOUTNOM und an dessen invertierenden Eingang eine der aktuellen Ausgangsspannung entsprechende Spannung anliegt, welche beispielsweise über einen an die Ausgangsklemmen der Stromversorgungsvorrichtung 100 angeschlossenen Spannungsteiler abgegriffen und dann über einen Verstärker an den invertierenden Eingang angelegt wird. Der Spannungsteiler kann zwei Widerstände R11 und R12 aufweisen. Der Ausgang des Operationsverstärkers ICV1 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R6 und einen Kondensator C3 auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt. Both controllers 301 and 302 can be implemented discreetly as so-called PI controllers. The exemplary current regulator points to this 301 an operational amplifier ICI1, at whose non-inverting input there is a setpoint IOUTLIM and at its inverting input a voltage signal corresponding to the current output current, which is provided, for example, via a shunt resistor R13 tapped and then applied to the inverting input via an amplifier ICI2 and a resistor RI1 connected in series therewith. The output of the operational amplifier ICI1 is fed back to the inverting input via a series circuit comprising a resistor and RI2 and a capacitor CI1. The exemplary voltage regulator 302 has an operational amplifier ICV1, at the non-inverting input of a setpoint IOUTNOM and at the inverting input of a voltage corresponding to the current output voltage, which is applied, for example, to the output terminals of the power supply device 100 connected voltage divider and then applied to the inverting input via an amplifier. The voltage divider can have two resistors R11 and R12 exhibit. The output of the operational amplifier ICV1 is a series connection of a resistor R6 and a capacitor C3 fed back to the inverting input.

Die Ausgangssignale der beiden Regler 302 und 301 werden über eine Dioden DV1 bzw. DI1 Oder-verknüpft und ggf. über den Optokoppler OC1 auf die primärseitige Ansteuerungseinrichtung 201 des Leistungspfades gegeben. Durch die Oder-Verknüpfung der beiden Ausgangssignale wird erreicht, dass der Regler, der das größere Fehlersignal hat, im gezeichneten Beispiel der Operationsverstärker ICV1 des Spannungsreglers 302 oder der Operationsverstärker ICI1 des Stromreglers 301 mit der geringeren Ausgangsspannung die Ansteuerungseinrichtung 201 begrenzt bzw. das Tastverhältnis reduziert.The output signals of the two controllers 302 and 301 are OR-linked via a diode D V1 or D I1 and possibly via the optocoupler OC1 to the primary control device 201 given the performance path. The OR combination of the two output signals ensures that the controller which has the larger error signal, in the example shown, is the operational amplifier ICV1 of the voltage controller 302 or the operational amplifier ICI1 of the current regulator 301 the control device with the lower output voltage 201 limited or the duty cycle reduced.

Ein Sollwert VOUTNOM für den Spannungsregler 302 und ein der Strombegrenzung dienender Sollwert IOUTLIM für den Stromregler 201 können zum Beispiel mittels eines einstellbaren Spannungsteilers vorgegeben werden. Ein geeigneter beispielhafter Spannungsteiler ist in 5 gezeigt. Der Spannungsteiler kann durch eine Reihenschaltung aus Widerständen, beispielsweise den Widerständen RV10, RV11 und einem Potentiometer RV12 und einer dazu parallelgeschalteten Reihenschaltung aus beispielsweise einem Widerstand RI10, einem Widerstand RI11 und einem Potentiometer RI12 gebildet werden. Der Sollwert VOUTNOM kann mit einem Potentiometer RV12 eingestellt werden, während die Strombegrenzung, d.h. der Sollwert IOUTLIM intern mit einem Trimmpotentiometer RI12 abgeglichen werden kann, um Toleranzen der Strommessung auszugleichen.A setpoint VOUTNOM for the voltage regulator 302 and a current limiting setpoint IOUTLIM for the current controller 201 can be specified, for example, using an adjustable voltage divider. A suitable example voltage divider is in 5 shown. The voltage divider can be formed by a series circuit comprising resistors, for example the resistors RV10, RV11 and a potentiometer RV12 and a series circuit connected in parallel, for example a resistor RI10, a resistor RI11 and a potentiometer RI12. The setpoint VOUTNOM can be set with a potentiometer RV12, while the current limitation, ie the setpoint IOUTLIM can be adjusted internally with a trim potentiometer RI12 to compensate tolerances of the current measurement.

Ebenso ist als einfachste Möglichkeit eine feste Einstellung der Sollwerte mit festen Widerständen möglich. Auch eine Sollwertvorgabe aus Zeitgliedern oder einem Prozessor ist denkbar, um z.B. Kurzzeitstromüberhöhungen für schwere Lasten, wie z.B. für Motoren mit hohen Anlaufströmen, zu ermöglichen.A fixed setting of the setpoints with fixed resistors is also possible as the simplest possibility. A setpoint specification from timers or a processor is also conceivable, e.g. Short-time current increases for heavy loads, such as for motors with high starting currents.

Die Strombegrenzung der Regelungseinrichtung 202 und insbesondere des Stromreglers 302 wird derart modifiziert, dass zum Beispiel bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss zum Beispiel in einer Zuleitung oder einem der Verbraucher, beispielsweise der Verbraucher R1 in 2, beispielsweise die Schutzeinrichtung F1 vorzugsweise schnell und zuverlässig magnetisch und thermisch ausgelöst werden. Die Schutzeinrichtung F1 kann ein Leitungsschutzschalter mit magnetischem und thermischem Auslösemechanismus oder eine magnetisch auslösende Sicherung und eine davon getrennte thermisch auslösende Schmelzsicherung sein. Die Regelungseinrichtung 202 ist dazu ausgebildet, kurzzeitig einen Ausgangsstrom IOUT, der deutlich über dem Nennstrom INOM liegt, bereitzustellen. Hiervon bleibt die eigentliche Regelung i.A. unverändert. Die Sollwertvorgabe IOUTLIM wird so verändert, dass der bereitgestellte Strom ILIM für eine bestimmte Zeit deutlich erhöht ist. Wird dieser über dem Nennstrom liegende Strom tatsächlich benötigt, so wird zur Verhinderung der Überlastung von Verbrauchern und Verdrahtung der maximal bereitgestellte Strom ILIM in Abhängigkeit einer geeigneten Strombegrenzungskennlinie beispielsweise nach Ablauf von bestimmten Zeiten Schritt für Schritt abgesenkt.The current limitation of the control device 202 and especially the current regulator 302 is modified such that, for example, in the event of a short circuit on the output side, for example in a supply line or in one of the consumers, for example the consumer R1 in 2nd , for example the protective device F1 preferably triggered quickly and reliably magnetically and thermally. The protective device F1 can be a miniature circuit breaker with a magnetic and thermal tripping mechanism or a magnetic tripping fuse and a separate thermal tripping fuse. The control device 202 is designed to briefly provide an output current IOUT that is significantly above the nominal current INOM. The actual regulation generally remains unchanged. The setpoint specification IOUTLIM is changed so that the current ILIM provided is significantly increased for a certain time. If this current, which is above the nominal current, is actually required, the maximum available current ILIM is reduced step by step depending on a suitable current limiting characteristic, for example after expiry of certain times, to prevent overloading of consumers and wiring.

Eine beispielhafte Strombegrenzungskennlinie mit treppenförmigen Verlauf, die die Regelungseinrichtung 202 bzw. der Stromregler 301 zur Ausgangstrombegrenzung berücksichtigen kann, ist in 6 dargestellt. Andere Strombegrenzungskennlinien, die einen Abschnitt mit negativer Steigung, der sich über eine einstellbare Gesamtzeitdauer, zum Beispiel von tL1 bis tL3, erstreckt, aufweisen, können der Regelungseinrichtung 202 bereitgestellt werden. Angemerkt ist, dass der Abschnitt mit negativer Steigung derart verläuft, dass ein erster Strombegrenzungswert IL1 zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert IMAX über die einstellbare Gesamtzeitdauer abgesenkt wird.An exemplary current limiting characteristic with a step-like course, which the control device 202 or the current regulator 301 for output current limitation can be taken into account in 6 shown. Other current limiting characteristics, which are a section with a negative slope that extends over an adjustable total period, for example tL1 to tL3 , extends, may have the control device 202 to be provided. It is noted that the section with a negative slope runs in such a way that a first current limiting value IL1 time and value continuously or time continuously and value discretely down to a second current limit value IMAX over the adjustable total period.

Angenommen sei, dass zum Zeitpunkt t0 ein erhöhter Strombedarf durch z.B. eine Störung auftritt. Die Strombegrenzung des Stromreglers 301, d.h. der bereitgestellte Strom ILIM, ist auf einen wesentlich über dem Nennstrom INOM liegenden Wert IL1 eingestellt. Zum Zeitpunkt tL1 wird der zur Verfügung gestellte Strom auf einen Wert IL2 abgesenkt. Dies wiederholt sich zumindest nach einer weiteren Zeitdauer. Zum Zeitpunkt tL2 wird der zur Verfügung gestellte Strom auf den Wert IL3 abgesenkt und zum Zeitpunkt tL3 wird der Strom weiter auf den Wert IMAX eingestellt.Assume that at time t0 there is an increased power requirement due to a fault, for example. The current limitation of the current regulator 301 , ie the provided current ILIM, is at a value which is significantly higher than the nominal current INOM IL1 set. At the time tL1 the current provided is reduced to a value IL2. This is repeated at least after a further period of time. At time tL2 the is available set current lowered to the value IL3 and at the time tL3 the current is further set to the value IMAX.

Damit z.B. Leitungsschutzschalter zuverlässig schnell magnetisch ausgelöst werden können, wird z.B. die erste Strombegrenzung IL1 je nach Charakteristik auf den 5-10-fachen Nennstrom des Leitungsschutzschalters eingestellt, und zwar für eine zeitliche Dauer von ca. 5-15ms. Danach wird der bereitgestellte Strom auf den niedrigeren Stromwert IL2 begrenzt, um z.B. eine flinke Sicherung innerhalb von ca. 20ms auszulösen. In einer weiteren Stufe wird der bereitgestellte Strom auf den noch niedrigeren Stromwert IL3 begrenzt, um z.B. eine träge Sicherung auszulösen. Danach, zum Beispiel nach der Zeitdauer tL3, kann dann der Strom auf den üblichen maximalen Ausgangsstrom IMAX oder z.B. auch auf einen Strom begrenzt werden, um z.B. das Starten von schwierigen Lasten oder z.B. das schnelle Laden von (Speicher-) Kondensatoren zu unterstützen.So that, for example, miniature circuit breakers can be reliably and quickly triggered magnetically, the first current limit, for example IL1 depending on the characteristic, set to 5-10 times the rated current of the circuit breaker for a period of approx. 5-15ms. After that, the current provided will be at the lower current value IL2 limited, for example to trigger a quick fuse within approx. 20ms. In a further stage, the current provided is limited to the even lower current value IL3, for example to trigger a slow fuse. After that, for example after the time period tL3 , the current can then be limited to the usual maximum output current IMAX or, for example, also to a current, for example to support the starting of difficult loads or the rapid charging of (storage) capacitors.

Die Auslösezeiten können den Datenblättern oder Normenreihen entnommen werden: Die Leitungsschutzschalter sind in der Normenreihe EN 60898, die Schmelzsicherungen in der EN60127 spezifiziert.The tripping times can be found in the data sheets or series of standards: The miniature circuit breakers are specified in the EN 60898 series, the fuses in EN60127.

Die Bauteile einer Stromversorgung sind üblicherweise auf den Nennausgangsstrom bei maximaler Umgebungstemperatur dauerhaft ausgelegt und können höhere Spitzenströme liefern. Hierbei spielt z.B. eine Rolle, welchen Ausgangsstrom die Stromversorgung vor dem erhöhten Strombedarf lieferte, oder bei welcher Umgebungstemperatur TA die Stromversorgung betrieben wird, oder auch wie niederohmig der jeweilige Kurzschluss ist. Bei sehr niederohmigem Kurzschluss mit einer sehr geringen Ausgangsspannung VOUT setzt die Stromversorgungsvorrichtung insbesondere auf der Primärseite eine geringere Leistung im Vergleich zu einem hochohmigerem Kurzschluss mit höherer Ausgangsspannung VOUT um. Der Widerstand im Kurzschlussfall wird maßgeblich bestimmt von den Zuleitungswiderständen.The components of a power supply are usually permanently designed for the nominal output current at maximum ambient temperature and can deliver higher peak currents. Here, e.g. a role as to which output current the power supply supplied before the increased power requirement, or at which ambient temperature TA the power supply is operated, or also how low-resistance the respective short circuit is. In the case of a very low-resistance short circuit with a very low output voltage VOUT, the power supply device, in particular on the primary side, converts a lower power compared to a higher-resistance short circuit with a higher output voltage VOUT. The resistance in the event of a short circuit is largely determined by the lead resistance.

Ebenso kann die Eingangsspannung berücksichtigt werden. Insbesondere bei DC/DC-Wandlern mit niedriger Eingangsspannung kann sich bei höherer Ausgangsspannung, z.B. hochohmigem Kurzschluss, eine deutlich höhere Stromaufnahme ergeben. Diese führt aufgrund des Zuleitungswiderstandes zu einem Absinken der Eingangsspannung und in Folge zu einer noch höheren Eingangsstromaufnahme.The input voltage can also be taken into account. Particularly with DC / DC converters with a low input voltage, a higher output voltage, e.g. high-resistance short circuit, result in a significantly higher current consumption. This leads to a drop in the input voltage due to the lead resistance and consequently to an even higher input current consumption.

Der bereitgestellte Ausgangsstrom ILIM kann beeinflusst werden durch z.B. Umgebungstemperatur TA, Bauteiletemperaturen TC, verbleibende Ausgangsspannung VOUTLIM, Historie des Ausgangsstromes IOUTHIST oder der Eingangsspannung VIN.The output current ILIM provided can be influenced by, for example, ambient temperature TA, component temperatures TC, remaining output voltage VOUTLIM, history of the output current IOUTHIST or the input voltage V IN .

Die Begrenzungsgrößen können hierbei beliebig mehrfach vorkommen und durch z.B. mehrere Temperaturfühler mit unterschiedlichen Gewichtungen erfasst werden. Auch kann je nach Schaltungskonzept eine Berücksichtigung weiterer Parameter erforderlich sein.The limit values can occur multiple times and by e.g. several temperature sensors with different weightings are recorded. Depending on the circuit concept, it may also be necessary to take additional parameters into account.

Die nachfolgenden prinzipiellen Schaltungseinrichtungen, die in den 7 und 8 beispielhaft dargestellt sind, geben eine entsprechende Ansteuerung zur Erzeugung des Stromgrenzwertes IOUTLIM, der als Sollwert an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ICI1 angelegt wird, wieder. Mit anderen Worten: Die in den 7 und 8 gezeigten Schaltungseinrichtungen 500 und 600 sind jeweils dazu ausgebildet, die beispielhaft in 6 gezeigte Strombegrenzungskennlinie zu erzeugen.The following basic circuit devices, which in the 7 and 8th are shown as examples, represent a corresponding control for generating the current limit value IOUTLIM, which is applied as a setpoint to the non-inverting input of the operational amplifier ICI1. In other words, those in the 7 and 8th circuit devices shown 500 and 600 are each designed to serve as an example in 6 to generate the current limiting characteristic shown.

In dem ersten in 7 gezeigten Beispiel wird eine analoge Lösung einer Schaltungseinrichtung 500 zur Bereitstellung eines Stromgrenzwertes IOUTLIM dargestellt. Der Maximalwert der Strombegrenzung wird mit einem Potenziometer RI12 eingestellt. Von diesem Maximalwert werden mit einem Subtrahierer IC401 einzelne verstärkte und gewichtete Sensorgrößen, die von Sensorschaltungen 400 bis 402 bereitgestellt werden, subtrahiert, wodurch der Stromgrenzwert sinkt. Die einzelnen Stromüberhöhungen werden z.B. von den Sensorschaltungen 400 bis 402 generiert. Hierbei sind die Stromgrenzwerte und Zeiten wieder z.B. über Potenziometer einstellbar. In der Sensorschaltung 401 können z.B. verstärkte Temperaturmesssignale für die Umgebungstemperatur oder Bauteiletemperaturen das Ausgangssignal beeinflussen. Weitere Sensoren z.B. zur Berücksichtigung der Eingangsspannung oder der durchschnittlichen Strombelastung sind in den Sensorschaltung 400 und 402 angedeutet.In the first in 7 shown example is an analog solution of a circuit device 500 to provide a current limit value IOUTLIM. The maximum value of the current limitation is set with a potentiometer RI12. From this maximum value, a subtractor IC401 is used to amplify and weight individual sensor sizes, that of sensor circuits 400 to 402 are provided, subtracted, which lowers the current limit. The individual current increases are, for example, from the sensor circuits 400 to 402 generated. The current limit values and times can be set again using a potentiometer. In the sensor circuit 401 For example, amplified temperature measurement signals for the ambient temperature or component temperatures can influence the output signal. Additional sensors, for example to take into account the input voltage or the average current load, are in the sensor circuit 400 and 402 indicated.

Alternativ kann die in 7 gezeigte eine Schaltungseinrichtung zur Bereitstellung eines Strombegrenzungswerts IOUTLIM anstelle eines Subtrahierers einen Addierer verwendet. Wird der normale Grenzwert der Strombegrenzung IMAX erreicht, wird der einstellbare Grenzwert für eine einstellbare Zeit erhöht. Werden wieder mehrere Sensor-Schaltungsblöcke parallelgeschaltet, können mehrere Stromgrenzwerte und Zeiten dazu eingestellt werden.Alternatively, the in 7 shown a circuit device for providing a current limit value IOUTLIM uses an adder instead of a subtractor. If the normal limit of the current limit IMAX is reached, the adjustable limit is increased for an adjustable time. If several sensor circuit blocks are connected in parallel again, several current limit values and times can be set.

Da jedoch die diskret aufgebaute analoge Schaltungseinrichtung zur Stromgrenzwerteinstellung nach 7 sehr komplex werden kann, kann eine digitale Lösung einer Schaltungseinrichtung mit einem Mikroprozessor verwendet werden, die in 8 dargestellt und mit Bezugszeichen 600 versehen ist.However, since the discrete analog circuit device for setting the current limit value after 7 can be very complex, a digital solution of a circuit device with a microprocessor can be used, which in 8th shown and with reference numerals 600 is provided.

Ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller µC, der ggf. auch das Schaltnetzteil 100 regelt, erfasst die elektrischen Parameter des Schaltnetzteils 100, wie z.B. die aktuelle Ausgangsspannung VOUTACT oder den aktuellen Ausgangsstrom IOUTACT. Ebenso kann der Mikrocontroller µC Sensordaten wie z.B. die zuvor genannten Temperaturen. Für eine komfortable Eingabe der o.g. Grenzwerte wie Stromüberhöhungsgrenzen und Zeitdauern z.B. auf einem PC oder Smartphone, kann der µC über eine beliebige Schnittstelle diese Daten entgegennehmen. A microprocessor or microcontroller µC, which may also be the switching power supply 100 controls, records the electrical parameters of the switching power supply 100 , such as the current output voltage VOUTACT or the current output current IOUTACT. The microcontroller can also use µC sensor data such as the temperatures mentioned above. The µC can accept this data via any interface for easy entry of the above-mentioned limit values such as excessive current and time limits, for example on a PC or smartphone.

Der µC berechnet zum Beispiel die durchschnittliche Stromauslastung und unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, Bauteiletemperaturen, Eingangsspannung sowie weiterer Größen wird eine maximale Impulsdauer für eine Stromüberhöhung berechnet. Der Benutzer kann entsprechend dem Anlagenaufbau, wie der Verdrahtung und den jeweiligen Sicherungscharakteristiken, die Stromhöhen und Maximalzeiten vorgeben, die die beispielhaft in 6 gezeigte Strombegrenzungskennlinie definieren. Hierbei prüft zum Beispiel eine Firmware unter Berücksichtigung der angegebenen Umgebungstemperatur, dass die Stromversorgung nicht wesentlich, z.B. um maximal 10%, mehr belastet wird als die Nenndaten.The µC calculates, for example, the average current load and taking into account the ambient temperature, component temperatures, input voltage and other variables, a maximum pulse duration for a current increase is calculated. Depending on the system structure, such as the wiring and the respective fuse characteristics, the user can specify the current levels and maximum times, which are exemplified in 6 Define the current limiting characteristic shown. Here, for example, a firmware checks, taking into account the specified ambient temperature, that the power supply is not significantly loaded, for example by a maximum of 10%, more than the nominal data.

Im Betrieb der Stromversorgungsvorrichtung 100 kann der pC z.B. die Bauteiletemperaturen oder Eingangsspannungshöhe überwachen. Dieser begrenzt rechtzeitig die Stromüberhöhungsdauer, um bei Erreichen eines Grenzwertes entsprechende niedrigere Stromimpulse abgeben zu können. Hierbei berücksichtigt die Firmware z.B. die Wärmekapazität der Bauteile oder Charakteristik die stromabhängigen Verluste.In operation of the power supply device 100 For example, the PC can monitor component temperatures or input voltage levels. This limits the current surge duration in good time so that corresponding lower current pulses can be emitted when a limit value is reached. The firmware takes into account, for example, the heat capacity of the components or the characteristics of the current-dependent losses.

Die Charakteristik der stromabhängigen Verluste ist z.B. an Dioden in erster Näherung bei konstantem Spannungsabfall linear der Strombelastung. An Widerständen steigen die Verluste quadratisch mit dem Strom. Bei Induktivitäten wie Transformatoren oder Spulen steigen die Verluste bei relativ hoher Aussteuerung mit dritter Potenz. Die Wärmekapazität steigt üblicherweise mit der Bauteilegröße, jedoch ist hier die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr z.B. innerhalb von Halbleitergehäusen zu berücksichtigen. Aufgrund der Komplexität sind relativ umfangreiche Daten z.B. durch Messungen oder Simulation zu ermitteln, die im Berechnungsprogramm für die Stromgrenzwerte als Gleichungen oder Tabellen hinterlegt werden können.The characteristic of the current-dependent losses is e.g. on diodes in a first approximation with a constant voltage drop linearly the current load. The losses at resistors increase quadratically with the current. In the case of inductors such as transformers or coils, the losses increase at a relatively high level with third power. The heat capacity usually increases with the size of the component, but here the speed of heat dissipation is e.g. to be taken into account within semiconductor packages. Due to the complexity, relatively extensive data is e.g. to be determined by measurements or simulation, which can be stored in the calculation program for the current limit values as equations or tables.

Ebenso kann die Firmware im Betrieb die jeweiligen Temperaturen messen und diese speichern. Die so gewonnenen Daten kann dann die Firmware selbstständig bei Berechnung der Stromgrenzwerte berücksichtigen.The firmware can also measure and save the respective temperatures during operation. The firmware can then independently take the data obtained in this way into account when calculating the current limit values.

Einige der Aspekte der Erfindung werden nachfolgend zusammengefasst.Some of the aspects of the invention are summarized below.

Es ist eine beispielhaft in 3 gezeigte Stromversorgungsvorrichtung 100 zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers R1-RN vorgesehen, die folgende Merkmale aufweisen kann:

  • eine Einrichtung 201, 202, Tr1 zur Umwandlung einer Eingangsspannung Vin in eine Ausgangsspannung Vout,
  • eine beispielhaft in 7 und 8 gezeigten Schaltungseinrichtung 500 bzw. 600, die zum Bereitstellen eines ersten Strombegrenzungswertes Il1 ausgebildet ist, und
  • eine Regelungseinrichtung 202, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des den von der Schaltungseinrichtung 500 oder 600 bereitgestellten ersten Strombegrenzungswerts den von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Ausgangsstrom für eine Zeitdauer t0 auf den ersten Strombegrenzungswert IL1 zu begrenzen,
  • wobei die Schaltungseinrichtung 500 oder 600 ferner dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert IL1 zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert IMAX insbesondere während einer vorzugsweise einstellbaren Gesamtzeitdauer von t0 bis tL3 abzusenken, wobei die Regelungseinrichtung 202 ferner dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung 500 oder 600 bereitgestellten Strombegrenzungswerte den von der Stromversorgungsvorrichtung bereitgestellten Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert IL1 bis zum zweiten Strombegrenzungswert IMAX insbesondere während einer vorzugsweise einstellbaren Gesamtzeitdauer von t0 bis tL3 abzusenken.
It is an example in 3rd shown power supply device 100 For the regulated power supply of at least one electrical consumer R1-RN, which can have the following features:
  • An institution 201 , 202 , Tr1 for converting an input voltage Vin into an output voltage Vout,
  • an example in 7 and 8th circuit device shown 500 or. 600 to provide a first current limit value Il1 is trained, and
  • a control device 202 , which is designed as a function of that of the circuit device 500 or 600 The first current limiting value provided provides the output current that can be supplied by the power supply device to the first current limiting value for a period of time t0 IL1 to limit,
  • the circuit device 500 or 600 is further configured to the first current limiting value IL1 Continuous in time and value or continuous in time and value-discrete up to a second current limit value IMAX, in particular during a preferably adjustable total time period from t0 to tL3 lower, the control device 202 is further configured in response to that from the circuit device 500 or 600 provided current limiting values the output current provided by the power supply device time-continuously and value-continuously or time-continuously and value-discretely from the first current limit value IL1 up to the second current limit value IMAX, in particular during a preferably adjustable total time period from t0 to tL3 lower.

Vorteilhafterweise liegt der erste Strombegrenzungswert IL1 zwischen dem 5-fachen und 10-fachen Wert des von der Stromversorgungsvorrichtung 100 lieferbaren Nennstroms, wobei der zweite Strombegrenzungswert IMAX größer als der Nennstrom und kleiner als der 2-fache Nennstrom ist.The first current limiting value is advantageously IL1 between 5 times and 10 times the value of the power supply device 100 available nominal current, the second current limit value IMAX being greater than the nominal current and smaller than twice the nominal current.

Zweckmäßigerweise kann die Stromversorgungsvorrichtung 100 als Schaltnetzteil und insbesondere als primär-getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet sein.The power supply device can expediently 100 be designed as a switching power supply and in particular as a primary clocked switching power supply.

Zudem wird ein Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers insbesondere mit Hilfe der Stromversorgungsvorrichtung 100 zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Ausgangsstroms; Begrenzen des Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf einen ersten Strombegrenzungswert; und anschließend Absenken des Ausgangsstroms zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert.In addition, a method for the regulated energy supply of at least one electrical consumer, in particular with the aid of the power supply device 100 provided, the method comprising the following steps: Providing an output current; Limiting the output current to a first current limit value for a period of time; and then lowering the output current continuously and value-continuously or time-continuously and value-discretely from the first current limit value to a second current limit value.

Der Ausgangsstrom der Stromversorgungsvorrichtung 100 wird vorzugsweise unter Ansprechen auf eine treppenförmige Strombegrenzungskennlinie zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert IL1 bis zum zweiten Strombegrenzungswert IMAX während einer einstellbaren Gesamtzeitdauer (tL1 bis tL3) abgesenkt. Das heißt, die Strombegrenzungskennlinie weißt einen Abschnitt mit negativer Steigung auf, der somit eine Treppenfunktion abgebildet werden kann.The output current of the power supply device 100 is preferably time-continuous and value-discrete from the first current limiting value in response to a step-shaped current limiting characteristic IL1 up to the second current limit value IMAX for an adjustable total period ( tL1 to tL3 ) lowered. This means that the current limiting characteristic has a section with a negative slope, which can therefore be used to represent a staircase function.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • WO 2015/082207 A1 [0008, 0009]WO 2015/082207 A1 [0008, 0009]

Claims (5)

Stromversorgungsvorrichtung (100) zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers R1-RN), aufweisend eine Einrichtung (201, 202, Tr1)zur Umwandlung einer Eingangsspannung (Vin) in eine Ausgangsspannung (Vout), eine Schaltungseinrichtung (500, 600), die zum Bereitstellen eines ersten Strombegrenzungswertes ausgebildet ist, und eine Regelungseinrichtung (202), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des den von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten ersten Strombegrenzungswerts den von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf den ersten Strombegrenzungswert zu begrenzen, wobei die Schaltungseinrichtung (500, 600) ferner dazu ausgebildet ist, den ersten Strombegrenzungswert zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert abzusenken, wobei die Regelungseinrichtung (202) ferner dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf die von der Schaltungseinrichtung (500, 600) bereitgestellten Strombegrenzungswerte den von der Stromversorgungsvorrichtung bereitgestellten Ausgangsstrom zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zum zweiten Strombegrenzungswert abzusenken. Power supply device (100) for the regulated energy supply of at least one electrical consumer R1-RN), comprising a device (201, 202, Tr1) for converting an input voltage (Vin) into an output voltage (Vout), a circuit device (500, 600) which is designed to provide a first current limiting value, and a control device (202) which is designed to limit the output current that can be supplied by the power supply device to the first current limit value for a period of time as a function of the first current limit value provided by the circuit device (500, 600), wherein the circuit device (500, 600) is further configured to reduce the first current limiting value continuously and value continuously or time continuously and value-discretely to a second current limiting value, wherein the control device (202) is further configured, in response to that from the circuit device ( 500, 600) provided current limiting values to lower the output current provided by the power supply device continuously and value continuously or time continuously and value-discretely from the first current limiting value to the second current limiting value. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strombegrenzungswert zwischen dem 5-fachen und 10-fachen Wert des von der Stromversorgungsvorrichtung lieferbaren Nennstroms liegt, und dass der zweite Strombegrenzungswert größer als der Nennstrom und kleiner als der 2-fache Nennstrom ist.Power supply device after Claim 1 , characterized in that the first current limiting value is between 5 times and 10 times the value of the nominal current available from the power supply device, and that the second current limiting value is greater than the nominal current and less than twice the nominal current. Stromversorgungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsvorrichtung als Schaltnetzteil und insbesondere als primär-getaktetes Schaltnetzteil ausgebildet ist.Power supply device according to one of the preceding claims, characterized in that the power supply device is designed as a switching power supply and in particular as a primary clocked switching power supply. Verfahren zur geregelten Energieversorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers insbesondere mit Hilfe einer Stromversorgungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Ausgangsstroms; b) Begrenzen des Ausgangsstrom für eine Zeitdauer auf einen ersten Strombegrenzungswert; und c) anschließend Absenken des Ausgangsstroms zeit- und wertkontinuierlich oder zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zu einem zweiten Strombegrenzungswert.Method for regulated energy supply of at least one electrical consumer, in particular with the aid of a power supply device (100) according to one of the Claims 1 to 3rd The method comprising the following steps: a) providing an output current; b) limiting the output current to a first current limiting value for a period of time; and c) then lowering the output current continuously and value-continuously or time-continuously and value-discretely from the first current limit value to a second current limit value. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom der Stromversorgungsvorrichtung (100) unter Ansprechen auf eine treppenförmige Strombegrenzungskennlinie zeitkontinuierlich und wertdiskret vom ersten Strombegrenzungswert bis zum zweiten Strombegrenzungswert während einer einstellbaren Gesamtzeitdauer (tL1 bis tL3) abgesenkt wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the output current of the power supply device (100) in response to a step-shaped current limiting characteristic is reduced continuously and value-discretely from the first current limiting value to the second current limiting value during an adjustable total period (tL1 to tL3).
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