DE102021109645A1

DE102021109645A1 - Energieversorgungsvorrichtung mit sicherheitsgerichteter Abschaltung sowie Verfahren zum Abschalten einer Energieversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021109645A1
Application number: DE102021109645.6A
Authority: DE
Inventors: Jochen Zeuch; Hartmut Henkel; Patrick Schweer
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Energieversorgungsvorrichtung, die einen Transformator mit einer ersten Wicklung, eine Leistungsschalteinrichtung (110), eine Rückkopplungseinrichtung (300) und eine Spannungsversorgungseinrichtung (111) zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung (310) für die Rückkopplungseinrichtung aufweist. Die Leistungsschalteinrichtung (110) ist mit der ersten Wicklung gekoppelt und ist periodisch durchschaltbar mittels eines Steuersignals (311) der Rückkopplungseinrichtung (300). Die Rückkopplungseinrichtung weist ein erstes Schaltelement (321) auf, das beim Auftreten eines Abschaltsignals, insbesondere eines Notaus-Signals, das Steuersignal (311) unterbricht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Abschalten einer Energieversorgungsvorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit Energie, wobei die Energieversorgungsvorrichtung eine sicherheitsgerichtete Abschaltung aufweist. Energieversorgungsvorrichtungen dieser Art sind beispielsweise Schaltnetzteile und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Abschalten einer Energieversorgungsvorrichtung.
Zum Schutz vor Schäden an Personen ist für den Betrieb einer Maschine eine sicherheitsgerichtete Abschaltung notwendig. Diese unterbricht dann im einfachsten Fall die Energieversorgung, z.B. von Motoren, oder bremst diese. Für die Gestaltung von Maschinen sind in der Normenreihe EN 13849 entsprechende Sicherheitsanforderungen definiert. Diese Anforderungen werden dann in einzelnen Komponenten, die auf funktionelle Sicherheit nach IEC 61508/IEC61511 mit einem Sicherheits-Integritätslevel SIL bewertet werden, umgesetzt.
Elektrische Verbraucher in Maschinen oder Anlagen werden entweder direkt aus der Netzspannung oder über eine vorgeschaltete Energieversorgungsvorrichtung, z.B. Stromversorgung, versorgt, die eine meistens geringere, geregelte Ausgangsspannung zur Verfügung stellt. Um die Energieversorgung eines Verbrauchers sicherheitsgerichtet abzuschalten, werden üblicherweise Leistungsschutzschalter, insbesondere Schütze oder Sicherheitsrelais, am Eingang und/oder Ausgang der Stromversorgung in Reihe geschaltet, die die Energieversorgung unterbrechen. Eine sicherheitsgerichtete Abschaltung wie z.B. eine Notaus-Funktion besteht im einfachsten Fall aus zwei unabhängigen, in Reihe geschalteten Schützen oder Relais, deren Kontakte ohne Ansteuerenergie geöffnet sind.
Ebenso werden Leistungsschutzschalter parallel zu den Eingängen oder Ausgängen verwendet. Hierbei wird die Energieversorgung kurzgeschlossen und Überspannungen werden reduziert. Ebenso wird durch einen ausgangsseitig erzeugten Kurzschluss der Energieversorgung ein nachgeschalteter Motor gebremst. Dadurch wird z.B. eine vorgeschaltete Sicherung ausgelöst und entsprechend werden diese als „crowbar“-Schaltungen (Brechstange) bezeichnet.
Wird eine geregelte Stromversorgung ausgangsseitig kurzgeschlossen, so begrenzt diese üblicherweise den Ausgangsstrom. Je nach Charakteristik der Stromversorgung liefert diese dann den Strom dauerhaft oder schaltet nach einer bestimmten Zeit den Ausgang ab. Bei sehr einfachen Stromversorgungen wird der Strom durch das Auslösen einer Sicherung begrenzt.
Die Arbeitsweise dieser Leistungsschutzschalter wird nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten Schaltungen erläutert. Eine Energieversorgungsvorrichtung nach der 1 weist ein symbolisch dargestelltes einphasiges Schaltnetzteil 51 und Eingangsklemmen 1, 2 auf, die mit Eingängen des Schaltnetzteils gekoppelt sind, und weist ausgangsseitig Ausgangsklemmen 10, 11 auf, die mit Ausgängen des Schaltnetzteils 51 gekoppelt sind. Eingangsseitig sind hierbei zwei Leistungsschutzschalter S1, S1n in Reihe geschaltet zwischen Eingangsklemme 1 und einem Eingang des Schaltnetzteils 51 und ausgangsseitig zwei Leistungsschutzschalter S10, S10n zwischen einem Ausgang des Schaltnetzteils 51 und Ausgangsklemme 10. Zudem sind eingangsseitig zwei Leistungsschutzschalter S2, S2n in Serie geschaltet, parallel zu den Eingängen des Schaltnetzteils 51. Eine Vorsicherung F1 ist eingangsseitig als eine Kurzschlusssicherung vor den zwei Leistungsschutzschaltern S1, S1n angeordnet.
In der 2 ist eine Energieversorgungsvorrichtung mit einem dreiphasigen Schaltnetzteil 52 dargestellt, die eingangsseitig Eingangsklemmen 1-3 aufweist, die jeweils mit einem Eingang des Schaltnetzteils gekoppelt sind, und die ausgangsseitig Ausgangsklemmen 10, 11 aufweist, die jeweils mit einem Ausgang des Schaltnetzteils gekoppelt sind. Eingangsseitig ist hierbei jede der Eingangsklemmen 1-3 über zwei in Reihe geschaltete Leistungsschutzschalter S1, S1n mit einem entsprechenden Eingang des Schaltnetzteils 52 verbunden. Jedem der drei Leistungsschutzschalter S1 ist eine Vorsicherung F1, F2 bzw. F3 vorgeschaltet. Weiterhin sind drei Leistungsschutzschalter S2 vor den Eingängen des Schaltnetzteils 52 parallel geschaltet. Die ausgangsseitige Beschaltung der Energieversorgungsvorrichtung entspricht der der Schaltung der 1.
Durch die in Reihe geschalteten Leistungsschutzschalter S1, S1n wird beim Anlegen eines Notaus-Signals die Eingangsversorgung für die Energieversorgungsvorrichtung unterbrochen, und durch die Leistungsschutzschalter S10, S10n wird die Ausgangsspannung der Energieversorgungsvorrichtung von der Last getrennt. Die Leistungsschutzschalter sind dabei so ausgeführt, dass sie im spannungslosen Zustand geöffnet sind (normally open = no).
Um die Ausfallsicherheit der Unterbrechung z.B. gegen ein Verschweißen der Kontakte zu verhindern, werden zudem mehrere unabhängige Leistungsschutzschalter in Reihe geschaltet, für eine klassische Notausstrecke wenigstens zwei Leistungsschutzschalter. Durch die Leistungsschutzschalter S2, S2n wird hierbei die Eingangsversorgung kurzgeschlossen und die vorgeschaltete Sicherung F1 ausgelöst. Dies entspricht einer Crowbarschaltung wie sie in älteren Schaltnetzteilen z.B. mit einem sekundärseitigen Thyristor realisiert wurde.
Entsprechend kann mit den Leistungsschutzschaltern S11, S11n die Sekundärseite des Schaltnetzteils 51, bzw. 52, kurzgeschlossen werden. Bei Stromversorgungen mit einem Gleichspannungsausgang ist hierbei zu beachten, dass bei ausgangsseitigem Kurzschluss extrem hohe Ströme durch im Schaltnetzteil 51, bzw. 52, angeordnete Ausgangskondensatoren fließen können.
Die Verschaltung von Leistungsschutzschaltern dieser Art mit einer Energieversorgungsvorrichtung für eine sicherheitsgerichtete Abschaltung erfordert jedoch zusätzliche Schalteinrichtungen, Verdrahtungsaufwand und Kosten.
Die DE 31 12 377 C2 offenbart ein Sperrwandler-Schaltnetzteil mit einem erweiterten Regelbereich, das einen Transformator und einen Leistungsschalttransistor aufweist, wobei anstelle eines festen Strombegrenzungswiderstandes eine Konstantstromquelle in den Basisstromkreis des Leistungsschalttransistors eingeschaltet ist. Primärseitig ist das Schaltnetzteil mit einem Abschaltthyristor ausgestattet für eine lastabhängige Regelung des Tastverhältnisses.
Aus der DE 41 15 295 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung und Überwachung eines in einem Laststromkreis fließenden Laststromes angegeben, die eine Überlastsicherung aufweist, die nicht nur im Überlastfall Einfluss auf den Laststrom nimmt, sondern auch in einem Kurzschlussfall deren Abschaltung bewirkt. Weiterhin kann zusätzlich ein Kurzschlussdetektor verwendet werden, der im Kurzschlussfall eine schnelle Abschaltung des Laststromes bewirkt.
Die KR 100653858 B1 betrifft eine Schutzschaltung für ein Schaltnetzteil, wobei die Schutzschaltung eine Notabschaltung auslöst. Die Notabschaltung überwacht Versorgungsspannungen und bewirkt eine Abschaltung der integrierten Ansteuerschaltung des Schaltnetzteiles, wenn ein Fehler erkannt wurde.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Energieversorgungsvorrichtung für einen Verbraucher anzugeben, die eine verbesserte Notabschaltung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Abschalten einer Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 13 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung.
Die Energieversorgungsvorrichtung weist einen Transformator mit einer ersten Wicklung, eine Leistungsschalteinrichtung, eine Rückkopplungseinrichtung und eine Spannungsversorgungseinrichtung zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die Rückkopplungseinrichtung auf. Die Leistungsschalteinrichtung ist mit der Wicklung gekoppelt und periodisch durchschaltbar mittels eines Steuersignals, das von der Rückkopplungseinrichtung erzeugt wird zur Energieversorgung eines Verbrauchers. Die Rückkopplungseinrichtung weist hierbei ein erstes Schaltelement auf, das beim Auftreten eines Abschaltsignals das Steuersignal unterbricht. Das Abschaltsignal kann in einer Variante dem Notaus-Signal entsprechen. Dieses wird z.B. von einer Person durch Betätigung eines Notaus-Schalters erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Variante weist die Energieversorgungsvorrichtung einen Transformator mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einer galvanischen Trennung auf, und die Rückkopplungseinrichtung eine primärseitige Regelschaltung, in der das Schaltelement angeordnet ist. Die Energieversorgungsvorrichtung ist hierbei vorzugsweise als ein Schaltnetzteil implementiert. Das Schaltnetzteil kann hierbei sowohl als Sperrwandler als auch als Flusswandler konfiguriert sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante enthält die Rückkopplungseinrichtung ein zweites Schaltelement, das beim Anlegen des Abschaltsignals die Versorgungsspannung für die Rückkopplungseinrichtung unterbricht. Die Spannungsversorgungseinrichtung ist hierbei vorzugsweise eingangsseitig mit einem ersten Anschluss mit einer Eingangsspannung der Energieversorgungsvorrichtung und ausgangsseitig mit einem zweiten Anschluss mit einem Stromeingang des zweiten Schaltelements gekoppelt.
In einer weiteren bevorzugten Variante weist die Rückkopplungseinrichtung eine integrierte Schaltung mit einem Freigabeeingang und ein drittes Schaltelement auf, wobei das dritte Schaltelement ein an dem Freigabeeingang anliegendes Freigabesignal beim Auftreten des Abschaltsignals unterbricht.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das oder die Schaltelemente als Bipolartransistoren implementiert, deren Steuereingänge während des Betriebs der Energieversorgungsvorrichtung mit einem Referenzpotential gekoppelt sind und wobei die Bipolartransistoren beim Anlegen des Referenzpotentials durchschalten und somit einen Strom leiten. Bei Betätigung des Notaus-Schalters wird das Referenzpotential abgeschaltet und damit das Abschaltsignal an die Steuereingänge der Bipolartransistoren angelegt, so dass der Strom durch die Bipolartransistoren unterbrochen wird.
In einem alternativen, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das oder die Schaltelemente als selbstsperrende Feldeffekttransistoren implementiert, deren Steuereingänge während des Betriebs der Energieversorgungsvorrichtung mit einer Hilfsspannung versorgt werden und somit einen Strom leiten. Bei Betätigung des Notaus-Schalters wird die Hilfsspannung abgeschaltet, so dass die Feldeffekttransistoren selbstständig sperren und hierdurch den Strom unterbrechen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Energieversorgungsvorrichtung eine Notausschaltung auf mit einem Koppelelement, vorzugsweise einem Optokoppler, und mit einem Schalter zur Abschaltung, bzw. dem Notausschalter, der einen oder mehrere in Reihe geschaltete Kontakte aufweist, die bei Betätigung öffnen. Die Schaltkontakte sind in Reihe geschaltet mit der Eingangsseite des Koppelelementes. Bei geschlossenem, nicht betätigtem Schalter wird die Eingangsseite des Koppelelements angesteuert und damit die Ausgangsseite geschlossen. Bei Betätigung des Schalters wird eine Gleichspannung auf der Eingangsseite des Koppelelements unterbrochen und ein Abschaltsignal erzeugt, wodurch die Ausgangsseite des Koppelelements, die mit der Rückkopplungseinrichtung gekoppelt ist, zur Übertragung des Abschaltsignals, öffnet.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Leistungsschalteinrichtung einen Steuereingang auf, und das erste Schaltelement ist räumlich direkt vor dem Steuereingang der Leistungsschalteinrichtung angeordnet.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Energieversorgungsvorrichtung eine Temperaturüberwachungsschaltung für die Energieversorgungsvorrichtung auf, die bei Detektion einer Übertemperatur ein Fehlersignal erzeugt, das als ein Abschaltsignal an dem oder den Steuereingängen des oder der Schaltelemente anliegt zur Sperrung der Schaltelemente.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Energieversorgungsvorrichtung eine zweite Ausgangsspannungsüberwachungsschaltung für die Energieversorgungsvorrichtung auf, die bei Detektion einer ausgangsseitigen Überspannung ein Fehlersignal erzeugt, das über eine Rückkopplung auf die Primärseite als ein Abschaltsignal an dem oder den Steuereingängen des oder der Schaltelemente anliegt zur Sperrung der Schaltelemente.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Abschalten der Energieversorgungsvorrichtung, wobei die Energieversorgungseinrichtung eine Leistungsschalteinrichtung, einen Notaus-Schalter, eine Rückkopplungseinrichtung und eine Spannungsversorgungseinrichtung zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die Rückkopplungseinrichtung enthält, und wobei die Leistungsschalteinrichtung mittels eines von der Rückkopplungseinrichtung erzeugten Steuersignals periodisch durchgeschaltet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Betätigung des Notaus-Schalters eine oder mehrere in der Rückkopplungseinrichtung angeordnete Schaltelemente geöffnet werden und hierdurch die Erzeugung des Steuersignals verhindert bzw. das Steuersignal blockiert wird.
Weitere entsprechende vorteilhafte Maßnahmen sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen genannt.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein einphasiges Schaltnetzteil nach dem Stand der Technik;
2 ein dreiphasiges Schaltnetzteil nach dem Stand der Technik;
3 eine Energieversorgungsvorrichtung mit einer Regelschaltung, die eine primärseitige Ansteuerung eines Leistungsschalters aufweist;
4 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Regelschaltung der 3;
5 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Regelschaltung der 3; und
6 ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Regelschaltung der 3.

Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Ausführungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.
Eine erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung, insbesondere Schaltnetzteil, mit einer sicherheitsgerichteten Abschaltung ist in der 3 dargestellt. Das Schaltnetzteil weist einen Transformator 150 mit einer Primärwicklung 160, einer Sekundärwicklung 170 und einer galvanischen Trennung 180 auf. Durch die galvanische Trennung 180 ist ein mit dem Netz verbundener primärseitiger Leistungspfad 100 und ein galvanisch getrennter sekundärseitiger Leistungspfad 200 definiert. Das Schaltnetzteil weist zudem einen Eingang und einen Ausgang auf, welche jeweils zwei Eingangsklemmen 1, 2, bzw. zwei Ausgangsklemmen 10, 11 enthalten. An die Eingangsklemmen 1, 2 wird eine Gleichspannung angelegt. An die Ausgangsklemmen 10, 11 kann ein Verbraucher, insbesondere eine Last, beispielsweise ein Motor (nicht dargestellt), angeschlossen werden.
Zwischen der Primärwicklung 160 und einer der Eingangsklemmen, in diesem Ausführungsbeispiel Eingangsklemme 2, ist eine Leistungsschalteinrichtung 110 mit ihren stromführenden Anschlüssen in Serie geschaltet. Die Leistungsschalteinrichtung 110 weist einen Steuereingang auf, an dem ein Steuersignal 311 während des Betriebs des Schaltnetzteils anliegt. Die Leistungsschalteinrichtung 110 wird während des Betriebs des Schaltnetzteils fortlaufend geöffnet und geschlossen. Hierdurch fließt ein Wechselstrom durch die Primärwicklung 160, wodurch der Transformator 150 magnetisiert wird und eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung 170 induziert wird, die durch ein Gleichrichterelement 210 gleichgerichtet wird und einen Glättungskondensator 211 auflädt, so dass an den Ausgangsklemmen 10, 11 eine geglättete Gleichspannung, Ausgangsspannung 312, anliegt. Die Leistungsschalteinrichtung 110 weist beispielsweise einen oder mehrere Schalttransistoren auf. Als Schalttransistoren werden insbesondere niederohmige Feldeffekttransistoren (MOS-FET, SiC-JFET, GaN-FET) oder Bipolartransistoren wie zum Beispiel Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) verwendet.
Zur Regelung der Ausgangsspannung weist das Schaltnetzteil eine Rückkopplungseinrichtung 300 mit einer primärseitigen Regelschaltung 301, einer sekundärseitigen Regelschaltung 302 und einem Koppelelement 303, beispielsweise einem Optokoppler, auf. Die primärseitige Regelschaltung 301 erzeugt das Steuersignal 311 für die Leistungsschalteinrichtung 110.
Das Koppelelement 303 verbindet die sekundärseitige Regelschaltung 302 mit der primärseitigen Regelschaltung 301, so dass über eine Rückkopplung üblicherweise die Ausgangsspannung 312 des Schaltnetzteils durch die Rückkopplungseinrichtung 300 während des Betriebs des Schaltnetzteils geregelt wird. Die sekundärseitige Regelschaltung 302 misst hierzu die Ausgangsspannung 312 und mittels einer Strommesseinrichtung 212, beispielsweise unter Verwendung eines Widerstands, einen Ausgangsstrom 313 des Schaltnetzteils, und vergleicht diese mit Maximalwerten. Wird einer der Maximalwerte überschritten, so signalisiert die Rückkopplungseinrichtung 300 dies als Fehler und überträgt ein Fehlersignal über das Koppelelement 30 an die primärseitige Regelung 301. Die primärseitige Regelung 301 reduziert nachfolgend die über den Transformator 150 übertragene Energie, z.B. bei Pulsweitenmodulation (PWM) durch Reduzierung des Tastverhältnisses, solange bis sowohl die Ausgangsspannung 312 als auch der Ausgangsstrom die Maximalwerte wieder unterschreiten. Darauf wird die Energieübertragung z.B. durch Vergrößerung des Tastverhältnisses wieder erhöht bis zur Überschreitung einer der maximalen Ausgangsgrößen. Diese Erhöhung und Absenkung der übertragenen Energie wird fortlaufend während des Betriebs des Schaltnetzteils wiederholt, um z.B. auch auf Änderungen der Last zu reagieren. Wird der Transformator 150 nicht getaktet, so wird keine Energie über den Transformator 150 auf die Sekundärseite übertragen.
Eine zur Energieversorgung der primärseitigen Regelschaltung 301 erforderliche gleichgerichtete Versorgungsspannung 310 wird durch eine Spannungsversorgungseinrichtung 111 erzeugt, die eingangsseitig mit einem ersten Anschluss mit einer Eingangsspannung der Energieversorgungsvorrichtung gekoppelt ist. Die Spannungsversorgungseinrichtung 111 ist im einfachsten Fall durch einen Widerstand realisiert, welcher in diesem Ausführungsbeispiel an die Eingangsklemme 1 angeschlossen ist und eine im Vergleich zur Eingangsspannung reduzierte Gleichspannung 310 erzeugt.
Das Schaltnetzteil kann verschiedene Topologien aufweisen und beispielsweise als Sperrwandler oder Flusswandler beschaltet sein mit einer Ein- oder Zwei-Transistor-Schaltung oder als Halbbrücke oder Vollbrücke. Diese können hartschaltend z. B. mit Pulsweitenmodulation (PWM) oder resonant schaltend mit Frequenzmodulation (PFM) geregelt bzw. angesteuert werden.
Bei einem Sperrwandler ist die Polung der Sekundärwicklung 170 und des Gleichrichterelements 210 derart, dass der Transformator 150 beim Durchschalten der Leistungsschalteinrichtung 110 magnetisiert wird und hierbei als Energiespeicher fungiert, und dessen Energie über die Sekundärwicklung 170 auf die Sekundärseite abgegeben wird, wenn die Leistungsschalteinrichtung 110 gesperrt ist. Bei einem Flusswandler ist die Polung der Sekundärwicklung 170 und des Gleichrichterelements 210 derart, dass die Energie beim Durchschalten der Leistungsschalteinrichtung 110 auf die Sekundärseite übertragen wird.
Ein Ausführungsbeispiel der primärseitigen Regelschaltung 301 ist schematisch in der 4 dargestellt. Die primärseitige Regelschaltung 301 enthält eine integrierte Schaltung 400, die einen Eingang Vcc für die primärseitige Versorgungsspannung 310, einen Eingang IN für das von dem ersten Koppelelement 303 übertragenen Rückkoppelsignal und einen Ausgang OUT für das Steuersignal 311 aufweist. Die primärseitige Regelschaltung 301 enthält außerdem ein erstes Schaltelement 321, mit dem das Steuersignal 311 unterbrochen werden kann, und ein zweites Schaltelement 322, mit dem die primärseitige Versorgungsspannung 310 unterbrochen werden kann. Mit einem dritten Schaltelement 323 kann die Freigabe der integrierten Schaltung 400 abgeschaltet werden. Die Schaltelemente werden vorteilhafterweise mit Transistoren realisiert.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Schaltelemente 321, 322 und 323 geöffnet, wenn keine Spannung an ihrem Steuereingang anliegt. Werden die Steuereingänge mit einem Referenzpotential, beispielsweise mit Masse, verbunden, dann schließen die Schaltelemente 321, 322, 323.
Die primärseitige Regelschaltung 301 besitzt weiterhin Anschlussklemmen 5, 6 für ein Abschaltsignal, insbesondere ein Notaus-Signal, an denen ein Notaus-Schalter 20 angeschlossen ist. Wird der Notaus-Schalter 20 durch eine Person betätigt und geöffnet, so wird das Abschaltsignal an die Steuereingänge der Schaltelemente 321, 322 und 323 angelegt. Hierdurch werden die Verbindungsleitungen zu den Anschlussklemmen 5, 6 unterbrochen und die Schaltelemente 321, 322, 323 öffnen, so dass das Schaltnetzteil nachfolgend sofort seinen Betrieb stoppt, ohne einen weiteren Schaltzyklus zuzulassen. Wird das Notaus-Signal zu einem späteren Zeitpunkt abgeschaltet, indem der Notaus-Schalter 20 von Hand zurückgestellt wird, so schließen nachfolgend die Schaltelemente 321, 322, 323 und das Schaltnetzteil geht wieder in Betrieb.
Ist das Schaltnetzteil in Betrieb, so sind die Schaltelemente 321, 322 und 323 geschlossen und die integrierte Schaltung 400 wird über das Schaltelement 322 mit der primärseitigen Versorgungsspannung 310 versorgt und erzeugt das Steuersignal 311 für den Betrieb der Leistungsschalteinrichtung 110. Wird nun über den Notaus-Schalter 20 das Notaus-Signal an die Anschlussklemmen 5, 6 angelegt, beispielsweise indem der Notaus-Schalter 20 geöffnet wird, so unterbricht das Schaltelement 322 die primärseitige Versorgungsspannung 310, das Schaltelement 321 das Steuersignal 311 und das Schaltelement 323 ein an einem Freigabeeingang EN der integrierten Schaltung 400 anliegendes Freigabesignal, so dass durch das Schaltnetzteil keine Energie mehr auf die Sekundärseite übertragen wird. Das Schaltnetzteil ist hierdurch sicher ausgeschaltet, da zeitgleich die für den Betrieb des Schaltnetzteils notwendigen Spannungen 310, 311 sowie der Freigabeeingang EN blockiert sind.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der primärseitigen Regelschaltung 301 ist in der 5 dargestellt. Die Schaltelemente 321-323 sind hier durch Bipolartransistoren 321-323, insbesondere PNP-Bipolartransistoren, realisiert, deren Steuereingänge über einen oder mehrere Widerstände derart beschaltet sind, dass die Bipolartransistoren 321-323 während des Betriebs des Schaltnetzteils leiten.
Das Notaus-Signal wird in diesem Ausführungsbeispiel über ein zweites Koppelelement 403, insbesondere einen Optokoppler, an die primärseitige Regelschaltung 301 angelegt, da die primärseitige Regelschaltung 301 auf der Primärseite und dadurch auf der heißen Seite des Schaltnetzteils liegt. Während des Betriebs des Schaltnetzteils liegt eine Gleichspannung Vaux an Anschlussklemmen 401, 402 an, die über eine Eingangsdiode des zweiten Koppelelements 403 an dem Notaus-Schalter 20 anliegt, so dass bei geschlossenem Notaus-Schalter 20 ein Strom durch diese Diode fließt und der Ausgangstransistor des zweiten Koppelelements 403 hierdurch durchschaltet. Die Eingangsdiode liegt hierbei auf einer kalten Seite des Koppelelements 403 und der Ausgangstransistor auf der heißen Seite des Koppelelements 403.
Der Ausgangstransistor des zweiten Koppelelements 403 ist mit der Regelschaltung 301, insbesondere den Steuereingängen der Bipolartransistoren 321-323, gekoppelt, derart, dass während des Betriebs des Schaltnetzteils die Steuereingänge der Bipolartransistoren 321-323 auf einem Referenzpotential, in diesem Ausführungsbeispiel Masse, liegen, da der Ausgangstransistor des zweiten Koppelelements 403 in diesem Falle leitet und hierdurch die Steuereingänge der Bipolartransistoren 321-323 an Masse koppelt. Die Steuereingänge der Bipolartransistoren 321-323 sind in diesem Ausführungsbeispiel zudem über einen Widerstand 324 mit der Versorgungsspannung 310 gekoppelt, der während des Betriebs des Schaltnetzteils jedoch keinen Einfluss auf die Funktion der Bipolartransistoren 321-323 hat.
Bei Betätigung des Notaus-Schalters 20 wird die Gleichspannung Vaux, die an der Eingangsdiode des zweiten Koppelelements 403 anliegt, unterbrochen, so dass der Ausgangstransistor des Koppelelements 403 sperrt. Über den Widerstand 324 liegt an den Steuereingängen der Bipolartransistoren 321-323 nun die Versorgungsspannung 310 an, so dass jeder der Bipolartransistoren 321-323 sperrt und hierdurch der Stromfluss durch die Bipolartransistoren 321-323 sofort blockiert ist, wodurch das Schaltnetzteil nachfolgend seinen Betrieb einstellt für eine zuverlässige Notabschaltung.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, in der 6 dargestellt, sind die Schaltelemente 321-323 durch Feldeffekttransistoren 321-323, realisiert. Das Notaus-Signal wird hier wie in dem Ausführungsbeispiel der 5 über das zweite Koppelelement 403 an die primärseitige Regelschaltung 301 angelegt. An den Anschlussklemmen 401, 402 liegt die Gleichspannung Vaux an. Der Notaus-Schalter 20 ist während des Betriebs des Schaltnetzteils geschlossen, so dass der Ausgangstransistor des zweiten Koppelelements 403 leitet. Über eine Zenerdiode 327 wird eine positive Hilfsspannung aus der Versorgungsspannung 310 erzeugt, die während des Betriebs des Schaltnetzteils durch den Ausgangstransistor des zweiten Koppelelements 403 an die Steuereingänge der Feldeffekttransistoren 321-323 durchgeschaltet ist, so dass die Feldeffekttransistoren 321-323 während des Betriebs des Schaltnetzteils einen Stromfluss leiten. Die Steuereingänge der Feldeffekttransistoren 321-323 sind in diesem Ausführungsbeispiel zudem über einen Widerstand 325 mit einem Referenzpotential, in diesem Ausführungsbeispiel mit Masse, verbunden, wobei der Widerstand 325 während des Betriebs des Schaltnetzteils jedoch keinen Einfluss auf die Funktion der Feldeffekttransistoren 321-323 hat.
Bei Betätigung des Notaus-Schalters 20 wird die Gleichspannung Vaux blockiert, wodurch der Ausgangstransistor des zweiten Koppelelements 403 sperrt.
Die Steuereingänge der Feldeffekttransistoren 321-323 liegen nun über dem Widerstand 325 auf dem Referenzpotential, so dass die Feldeffekttransistoren 321-323 den Stromfluss blockieren und das Schaltnetzteil nachfolgend seinen Betrieb einstellt für eine zuverlässige Notabschaltung.
In weiteren Ausführungsbeispielen können auch NPN-Bipolartransistoren oder N-Kanal-Feldeffekttransistoren für die Schaltelemente 321-323 verwendet werden, wenn die Anschlüsse des Ausgangstransistors des zweiten Koppelelements 403 vertauscht werden und mit einem positiven Bezugspotenzial versorgt werden. Der Widerstand 324 ist dann mit Masse zu verbinden.
Weiterhin kann eine Diode 326 parallel zu den Stromanschlüssen des Schaltelements 321 geschaltet werden, die derart gepolt ist, dass sie das Steuersignal 311 blockiert. Diese Diode unterstützt ein schnelleres Abschalten der Leistungsschalteinrichtung 110 und verhindert ein versehentliches Einschalten bei Spannungssprüngen der Leistungsschalteinrichtung 110.
Die Energieversorgungsvorrichtung nach der Erfindung offenbart daher eine kostengünstige Implementierung für eine sicherheitsgerichtete Abschaltung. Sie ist insbesondere anwendbar für Schaltnetzteile oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). Ein Schaltnetzteil wird beispielsweise nur um wenige kostengünstige Bauteile erweitert, um einen Verbraucher, zum Beispiel einen Motor, sicherheitsgerichtet abzuschalten, wenn ein Notaus-Schalter betätigt wird.
Für eine sicherheitsgerichtete Abschaltung wird im einfachsten Fall lediglich die Ansteuerung des oder der Leistungsschalteinrichtungen unterbrochen. Um eine bevorzugte sicherheitsgerichtete Abschaltung der Energieversorgungsvorrichtung zu erreichen, wird diese so ausgeführt, dass die Taktung der Leistungsschalteinrichtung innerhalb der Rückkopplungseinrichtung an mehreren Stellen unabhängig voneinander unterbrochen ist. Bei Aktivierung der Energieversorgungsvorrichtung wird erst wieder Energie übertragen, wenn alle diese Unterbrechungen aufgehoben bzw. überbrückt sind.
Ist die Energieversorgungsvorrichtung als Schaltnetzteil implementiert, so ist die erfindungsgemäße Realisierung einer Notaus-Abschaltung unabhängig von der Schaltnetzteilausführung. Wird das Schaltnetzteil mit einer Wechselspannung versorgt, wird dem eigentlich umsetzenden Wandler ein Gleichrichter und eine Glättung vorgeschaltet, um das Schaltnetzteil mit einer Gleichspannung zu versorgen. Ein Schaltnetzteil hat den Vorteil, dass es mit einer deutlich über der Netzfrequenz getakteten Frequenz arbeitet und insbesondere der Transformator eine wesentlich geringere Größe hat und deutlich leichter ist als ein 50-Hz-Transformator.
Das erste Schaltelement ist vorteilhafterweise räumlich direkt vor dem Steuereingang der Leistungsschalteinrichtung angeordnet, so dass die Taktung des Schaltnetzteils möglichst effizient unterbrochen wird. Hierdurch wird berücksichtigt, dass bei dem Enable-Eingang EN der integrierten Schaltung 400 dieser Eingang z.B. durch chipinterne Fehler oder Unterbrechungen in Leiterbahnen außer Funktion gesetzt werden kann und die Leistungsschalteinrichtung weiter getaktet wird. Um eine Taktung sicher zu verhindern, ist daher insbesondere die Energieversorgung der integrierten Schaltung 400 abgeschaltet.
Ebenso kann die Abschaltung mit weiteren Fehlersignalen verbunden werden. Beispielsweise kann durch eine zweite Ausgangsspannungsüberwachungsschaltung und Rückkopplung auf die Primärseite bei einer ausgangsseitigen Überspannung die Energieübertragung unterbrochen werden, oder durch eine Temperaturüberwachungsschaltung das Schaltnetzteil vor Überhitzung und Ausfall geschützt werden. Hierdurch ist die Energieversorgungsvorrichtung so ausgelegt, dass erst bei korrekter Funktion aller Komponenten eine Energieversorgung des Verbrauchers möglich ist.
Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.
Bezugszeichenliste

1, 2, 3: Eingangsklemmen
10, 11: Ausgangsklemmen
F1, F2, F3: Vorsicherungen
S1, S1n, S2, S2n: Eingangsseitige Leistungsschutzschalter
S10, S10n, S11, S11n: Ausgangsseitige Leistungsschutzschalter
51: Einphasiges Schaltnetzteil
52: Dreiphasiges Schaltnetzteil
100: Primärseitiger Leistungspfad
110: Leistungsschalteinrichtung
111: Spannungsversorgungseinrichtung
150: Transformator
160: Primärwicklung
170: Sekundärwicklung
180: Galvanische Trennung
200: Sekundärseitiger Leistungspfad
210: Gleichrichterelement
211: Glättungskondensator
212: Strommesseinrichtung
300: Rückkopplungseinrichtung
301: Primärseitige Regelschaltung
302: Sekundärseitige Regelschaltung
303: Erstes Koppelelement
310: Primärseitige Versorgungsspannung
311: Steuersignal
312: Ausgangsspannung
313: Ausgangsstrom
5, 6: Anschlussklemmen für Notaus-Signal
20: Notaus-Schalter
321: Erstes Schaltelement
322: Zweites Schaltelement
323: Drittes Schaltelement
324, 325: Widerstände
326: Diode
327: Zenerdiode
400: Integrierte Schaltung
401, 402: Anschlussklemmen für eine Gleichspannung
403: Zweites Koppelelement
Vaux: Gleichspannung
Vcc: Versorgungsspannungseingang der integrierten Schaltung
EN: Freigabeeingang der integrierten Schaltung
OUT: Ausgang der integrierten Schaltung
IN: Regeleingang der integrierten Schaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 3112377 C2 [0012]
DE 4115295 A1 [0013]
KR 100653858 B1 [0014]

Claims

Energieversorgungsvorrichtung, aufweisend einen Transformator (150) mit einer ersten Wicklung (160), eine Leistungsschalteinrichtung (110), eine Rückkopplungseinrichtung (300) und eine Spannungsversorgungseinrichtung (111) zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung (310) für die Rückkopplungseinrichtung (300), wobei die Leistungsschalteinrichtung (110) mit der ersten Wicklung (160) gekoppelt ist und periodisch durchschaltbar ist mittels eines Steuersignals (311), das die Rückkopplungseinrichtung (300) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungseinrichtung (300) ein erstes Schaltelement (321) aufweist, das beim Auftreten eines Abschaltsignals das Steuersignal (311) unterbricht.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungseinrichtung (300) ein zweites Schaltelement (322) aufweist, das beim Auftreten des Abschaltsignals die Versorgungsspannung (310) für die Rückkopplungseinrichtung (300) unterbricht.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Spannungsversorgungseinrichtung (111) eingangsseitig mit einer Eingangsspannung der Energieversorgungsvorrichtung und ausgangsseitig mit einem Stromeingang des zweiten Schaltelements (322) gekoppelt ist.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Transformator (150) eine Primärwicklung (160), eine Sekundärwicklung (170) und eine galvanische Trennung (180) aufweist, und wobei die Rückkopplungseinrichtung (300) eine primärseitige Regelschaltung (301) aufweist, in der das oder die Schaltelemente (321, 322) angeordnet sind.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Energieversorgungsvorrichtung als ein Schaltnetzteil ausgebildet ist.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungseinrichtung (300) ein drittes Schaltelement (323) und eine integrierte Schaltung (400) mit einem Freigabeeingang (EN) aufweist, und wobei das dritte Schaltelement (322) ein an dem Freigabeeingang (EN) anliegendes Schaltsignal beim Auftreten des Abschaltsignals unterbricht.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das oder die Schaltelemente (321-323) als Bipolartransistoren ausgebildet sind, deren Steuereingänge während des Betriebs der Energieversorgungsvorrichtung mit einem Referenzpotential gekoppelt sind und die Bipolartransistoren beim Anlegen des Referenzpotentials durchschalten und somit einen Stromfluss ermöglichen, und wobei die Bipolartransistoren beim Auftreten des Abschaltsignals an deren Steuereingängen den Stromfluss unterbinden.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei das oder die Schaltelemente (321-323) als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind, deren Steuereingänge während des Betriebs der Energieversorgungsvorrichtung mit einer Hilfsspannung versorgt werden und somit einen Stromfluss ermöglichen, und wobei die Feldeffekttransistoren beim Auftreten des Abschaltsignals an deren Steuereingängen den Stromfluss unterbinden.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungsvorrichtung eine Notaus-Schaltung aufweist mit einem Koppelelement (403), vorzugsweise einem Optokoppler, und mit einem Schalter (20), der bei Betätigung eine Gleichspannung (Vaux) auf einer Eingangsseite des Koppelelements (403) unterbricht zur Erzeugung des Abschaltsignals, und wobei eine Ausgangsseite des Koppelelements (403) mit der Rückkopplungseinrichtung (300) gekoppelt ist zur Übertragung des Abschaltsignals.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leistungsschalteinrichtung (110) einen Steuereingang aufweist, und wobei das erste Schaltelement (321) räumlich direkt vor dem Steuereingang der Leistungsschalteinrichtung (110) angeordnet ist.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungsvorrichtung eine Temperaturüberwachungsschaltung für die Energieversorgungsvorrichtung aufweist, die bei Detektion einer Übertemperatur ein Fehlersignal erzeugt, das als ein weiteres Abschaltsignal an den oder die Steuereingänge des oder der Schaltelemente (321-323) geführt ist zur Sperrung des oder der Schaltelemente (321-323).
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungsvorrichtung eine Ausgangsspannungsüberwachungsschaltung für die Energieversorgungsvorrichtung aufweist, die bei Detektion einer ausgangsseitigen Überspannung ein Fehlersignal erzeugt, das über eine Rückkopplung auf die Primärseite als ein weiteres Abschaltsignal an den oder die Steuereingänge des oder der Schaltelemente (321-323) geführt ist zur Sperrung des oder der Schaltelemente (321-323).
Verfahren zum Abschalten einer Energieversorgungsvorrichtung, wobei die Energieversorgungseinrichtung eine Leistungsschalteinrichtung (110), einen Notaus-Schalter (20), eine Rückkopplungseinrichtung (300) und eine Spannungsversorgungseinrichtung (111) zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung (310) für die Rückkopplungseinrichtung (300) enthält, und wobei die Leistungsschalteinrichtung (110) mittels eines von der Rückkopplungseinrichtung (300) erzeugten Steuersignals (311) periodisch durchgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betätigung des Notaus-Schalters (20) eine oder mehrere in der Rückkopplungseinrichtung (300) angeordnete Schaltelemente (321-323) geöffnet werden und hierdurch die Erzeugung des Steuersignals (311) verhindert wird bzw. das Steuersignal (311) blockiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem der Schaltelemente (321-323) beim Auftreten eines vom Notaus-Schalter (20) erzeugten Abschaltsignals das Steuersignal (311) blockiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem anderen der Schaltelemente (321-323) beim Auftreten eines vom Notaus-Schalter (20) erzeugten Abschaltsignals die Versorgungsspannung (310) für die Rückkopplungseinrichtung (300) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungseinrichtung (300) eine integrierte Schaltung (400) mit einem Freigabeeingang (EN) aufweist, und mit einem weiteren der Schaltelemente (321-323) beim Auftreten eines vom Notaus-Schalter (20) erzeugten Abschaltsignals ein an dem Freigabeeingang (EN) anliegendes Freigabesignal unterbrochen wird.