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Die Erfindung betrifft ein Speisegerät zur eigensicheren
Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern, die mit einer elektrisch
kurzen Leitung an das Speisegerät
angeschlossen werden.
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Bei dem Betrieb von elektrischen
Verbrauchern in explosionsgefährdeten
Bereichen muss die im Fehlerfall zugeführte Energie auf einen Wert
begrenzt werden, der unterhalb eines vorgegebenen Höchstwertes
liegt. Neben der Energie ist die Versorgungsspannung und der Versorgungsstrom
in dem explosionsgefährdeten
Bereich auf eine definierte Maximalspannung und einen definierten
Maximalstrom zu begrenzen, um eine Überschreitung der Zündgrenzwerte
sicher zu verhindern.
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Um einen sicheren Betrieb elektrischer
Verbraucher in einem explosionsgeschützten Umfeld zu gewährleisten,
müssen
die Verbraucher herkömmlicherweise
in aufwendigen Zündschutzarten,
wie z. B Vergußkapselung
oder druck feste Kapselung einschließlich der dazu erforderlichen
Verkabelung gefertigt sein. Diese sind dadurch sehr aufwendig und teuer.
Durch die Verwendung einer "eigensicheren" Lösung lassen
sich erhebliche Kosten sowohl für
die Fertigung als auch für
die Installation sparen.
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Die Energieversorgung erfolgt herkömmlicherweise
mit DC-Quellen, um sicherzustellen, dass definierte Zündspannungen
nicht überschritten
werden. Die übertragbare
mit einer DC-Quelle übertragbare
Leistung ist nachteilig auf wenige Watt (etwa 2 W) begrenzt. Zum
Betrieb beispielsweise von Magnetventilen, die höhere Schaltleistungen erfordern, muss
daher das Auftreten von Zündfunken
in die explosionsgefährdete
Umgebung durch Verwendung speziell geschirmter Zuleitungskabel und
einer Verkapselung der Magnetventile verhindert werden.
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In der
DE 195 08 415 A1 ist ein
Feldbussystem zur eigensicheren Versorgung von Teilnehmern mit Energie
beschrieben, bei dem die Energieversorgung nur für aktivierte Teilnehmer erfolgt.
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In der
EP 1 193 884 A2 ist ein eigensicheres Feldbussystem
beschrieben, das mit einem periodischen Wechselsignal versorgt wird.
Mit einer Reflexionsfaktorüberwachungsschaltung
wird die Leistung in Abhängigkeit
von einem Reflexionsfaktor geregelt, der von den zurückreflektierten
Wellen abhängig
ist.
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In der
DE 199 49 649 A1 ist ein
Energieversorgungssystem für
explosionsgeschützte
elektronische Funktionsmodule offenbart, die funkenfrei von einer
Wechselspannungsversorgung trennbar sind.
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Aufgabe der Erfindung war es, ein
verbessertes Speisegerät
zur eigensicheren Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern
zu schaffen, die mit einer elektrisch kurzen Leitung an das Speisegerät angeschlossen
werden.
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Die Aufgabe wird mit dem Speisegerät gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den darauf bezogenen
Unteransprüchen
enthalten.
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Im Unterschied zu Feldbus-Speisegeräten, bei
denen Überlagerungen
der sich auf den elektrisch langen Leitungen ausbildenden Wellen
zu berücksichtigen
sind und eine reflektionsabhängige
Regelung erfolgt, ist das erfindungsgemäße Speisegerät für den Betrieb
mit elektrisch kurzen Leitungen beschränkt ausgelegt.
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Weiterhin erfolgt im Unterschied
zu den herkömmlichen
eigensicheren Konstantspannungsversorgungen die Versorgung der Verbraucher
mit einer Konstantstromquelle in Verbindung mit einer Wechselspannungsspeisung.
Es hat sich bei einer Untersuchung des Funkenverhaltens überraschend
gezeigt, dass der Strom und nicht die Spannung entscheidend für die Begrenzung
des Zündfunkens
ist. Dabei hat sich herausgestellt, dass das Funkenverhalten durch
einen definiert begrenzten Konstantstrom kontrollierbar ist. In
diesem Zusammenhang wurde erkannt, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Wechselspannungsspeisungen
nunmehr erheblich höhere
Leistungen (bis etwa 30 W) an die Verbraucher übertragen werden können, ohne
dass die Versorgungskabel und die Verbraucher speziell geschirmt
werden müssen.
Der Aufwand und die Kosten bei der Installation einer eigensicheren
Anlage kann damit bei Verwendung des erfindungsgemäßen Speisegerätes erheblich
reduziert werden.
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Aufgrund der Besonderheiten des Funkenverhaltens
ist das Speisegerät
auch nicht einfach mit üblichen
Speisegeräten
vergleichbar, die nicht für den
eigensicheren Betrieb ausgelegt sind.
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Da die Konstantstromquelle in extremen Sonderfällen unter
Umständen
nicht im zulässigen Spannungsbereich
gefahren wird, muss für
eine Begrenzung der Ausgangsgrößen, insbesondere
der Ausgangsspannung, gesorgt werden. Hierzu sind Leistungsbegrenzungsmittel
vorgesehen.
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Die Leistungsbegrenzungsmittel haben
in einer Ausführungsform,
die insbesondere zur Versorgung von Magnetaktoren geeignet ist,
an den Ausgang des Speisegerätes
geschaltete Spannungsbegrenzungsmittel zur Begrenzung der Ausgangsspannung
des Speisegerätes
auf eine zulässige
Maximalspannung. Die Spannungsbegrenzungsmittel sind beispielsweise
gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden.
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Alternativ hierzu oder zusätzlich können die Leistungsbegrenzungsmittel
an den Ausgang des Speisegerätes
geschaltete Strombegrenzungsmittel haben, um die Strom-Zeitfläche im Fehlerfall
auf eine sicherheitstechnisch zulässige Stromzeitfläche zu begrenzen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch
ein Speisegerät
gemäß Patentanspruch
10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den darauf
bezogenen Unteransprüchen enthalten.
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Hierzu haben die Leistungsbegrenzungsmittel
Vergleichsmittel zur Ermittlung der Abweichung der Ausgangsgrößen des
Speisegerätes
von Referenz-Ausgangsgrößen des
bei zulässiger
Belastung betriebenen Speisegerätes
sowie Sicherheitsbegrenzermittel. Die Siecherheitsbegrenzermittel
werden von den Vergleichsmitteln angesteuert und sind mit der Konstantstromquelle
derart gekoppelt, dass die Konstantstromquelle zur Begrenzung der
von dem Speisegerät
abgegebenen Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der ermittelten
Abweichung geregelt wird. Die Vergleichsmittel haben Stromüberwachungsmittel,
um die Sicherheitsbegrenzermittel in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom
des Speisegerätes
und einem zulässigen
Maximalstrom anzusteuern. Ferner hat die Konstantstromquelle eine Leistungsquelle
zur Erzeugung einer periodischen Wechselspannung und einen an die
Leistungsquelle angeschlossenen regelbaren Spannungs-Strom- Wandler. Zur Regelung
des Potentials und des Ausgangsstroms des Spannungs-Strom-Wandlers sind
die Sicherheitsbegrenzermittel an den Spannungs-Strom-Wandler geklemmt.
Als Spannungs-Strom-Wandler wird vorzugsweise ein Umkehrungsvierpol,
wie beispielsweise ein Collins-Filter, eingesetzt. Die Sicherheitsbegrenzermittel
können
dann an einen T-Punkt eines als T-Glied ausgeführten Umkehrungsvierpols geklemmt
sein, wobei das Potential des T-Punktes von den Sicherheitsbegrenzermitteln
gesteuert wird. Der T-Punkt ist hierbei ein Kreuzungspunkt zwischen dem
Längszweig
und dem Querzweig des T-Gliedes.
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Die Referenz-Ausgangsgrößen können z.
B. Phasensignale sein.
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Vorzugsweise weisen die Vergleichsmittel Mittel
zur Erzeugung eines Referenzsignals auf, wobei die Differenz zwischen
dem Referenzsignal und dem Ausgangssignal des Speisegeräts bestimmt
und die Ausgangsleistung in Abhängigkeit
von der Differenz begrenzt wird. Mit den Mitteln wird ein Referenzsignal
erzeugt, das dem periodischen Wechselsignal entspricht, das bei
zulässiger
optimaler ohmscher Last durch das Speisegerät erzeugt wird. Vorzugsweise
erfolgt die Begrenzung in Abhängigkeit
von der Differenzspannung zwischen einem Referenzspannungssignal
und deer Ausgangsspannung.
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Das Speisegerät hat vorzugsweise zusätzliche
Spannungsüberwachungsmittel,
um die Sicherheitsbegrenzermittel in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung
des Speisegerätes
und einer zulässigen
Maximalspannung anzusteuern und die Ausgangsspannung des Speisegeräts zu begrenzen. Damit
weist das Speisegerät
eine Spannungsüberwachung,
eine Stromüberwachung
und/oder eine Referenzgrößenüberwachung
auf, die jeweils einen Betrieb der im eigensicheren Bereich an das
Speisegerät
angeschlossenen Verbrauchers gewährleisten.
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Die Vergleichsmittel sind vorzugsweise
an die Primärseite
eines Übertragers
geschaltet. Die Sicherheitsbegrenzermittel werden dann von der Sekundärseite des Übertragers
angesteuert. Eine Differenz zwischen Ausgangs- und Referenzsignal, ein Überschreiten
der zulässigen
Maximalspannung und/oder ein Überschreiten
des zulässigen
Maximalstroms führen
jeweils zu einem Strom durch den Übertrager, der sekundärseitig
ausgekoppelt wird und die Sicherheitsbegrenzermittel schaltet. Die
Sicherheitsbegrenzermittel sind vorzugsweise als elektronischer
Schalter ausgebildet, der an den T-Punkt des Spannungs-Strom-Wandlers
geklemmt ist und das Potential des T-Punktes im geschalteten Zustand absenkt.
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Für
den Vergleich zwischen Ausgangs- und Referenzsignal ist vorzugsweise
der Ausgang des Speisegeräts
an einen Abgriff des Übertragers
und das Referenz-Ausgangssignal
an einen anderen Abgriff des Übertragers
geklemmt. Sobald sich das Ausgangssignal von dem Referenz-Ausgangssignal
unterscheidet, tritt eine Potentialdifferenz zwischen den beiden
Abgriffen des Übertragers
auf und es fließt
ein Strom, der auf der Sekundärseite
des Übertragers zur
Steuerung der Sicherheitsbegrenzermittel ausgekoppelt wird.
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Das Speisegerät ist für elektrisch kurze Leitungen
vorgesehen, die vorzugsweise eine Länge von weniger als etwa 1
zu 50 der Betriebswellenlänge
im Ausbreitungsmedium des von dem Speisegerät abgegebenen Ausgangssignals
hat.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 – Blockdiagramm
des erfindungsgemäßen Speisegerätes;
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2 – Diagramm
des Stroms und der Spannung am Ausgang des Speisegerätes aus 1 in Abhängigkeit von der an dem Ausgang
des Speisegerätes
vorliegenden Impedanz;
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3 – Blockdiagramm
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Speisegerätes mit
lose gekoppelten Schwingkreis als Stromquelle;
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4 – Blockdiagramm
des Speisegerätes aus 3 mit Vergleichsmitteln
und Sicherheitsbegrenzermitteln;
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5 – Schaltbild
einer Ausführungsform des
weiteren erfindungsgemäßen Speisegerätes mit Spannungsüberwachungs-,
Stromüberwachungs- und
Phasenüberwachungsmitteln;
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6 – Diagramm
des Stroms und der Spannung am Ausgang des Speisegerätes aus 5 in Abhängigkeit von der an dem Ausgang
des Speisegerätes
vorliegenden Impedanz.
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Die 1 lässt ein
Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Speisegerätes 1 erkennen,
an dessen Ausgangsklemmen 2a, 2b ein Verbraucher
geschaltet werden kann. Das Speisegerät 1 hat eine Leistungsversorgung 3 mit
einer Konstantstromquelle 4, die mit einer periodischen
Wechselspannung aus einer Leistungsquelle 5 (AC-Spannungsquelle)
gespeist ist.
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Die Konstantstromquelle 4 ist
als an eine Wechselspannungsquelle lose gekoppelter Schwingkreis
ausgeführt.
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An den Ausgang der Leistungsversorgung 3 sind
Leistungsbegrenzungsmittel 6 geschaltet, die beispielsweise
zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden sind.
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Die 2 lässt ein
Diagramm des Stroms I und der Spannung U am Ausgang des in der 1 skizzierten Speisegerätes in Abhängigkeit
von der Impedanz an den Ausgängen 2a, 2b des
Speisegerätes 1 erkennen.
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In einem ersten Konstantstrombereich,
in dem die Impedanz kleiner als eine Optimal-Impedanz Zoptimal ist,
liefert das Speisegerät 1 einen
konstanten Maximalstrom Imax, der so festgelegt
ist, dass eine Funkenbildung sicher vermieden werden kann. Die Ausgangsspannung
Uout des Speisegeräts 1 steigt linear
mit der Verbraucherimpedanz ZV der Verbraucher
am Ausgang 2a, 2b des Speisegeräts 1 an. Hierdurch
ist die Leistung derart reduziert, dass das Auftreten von Zündfunken
in der explosionsgefährdeten
Umgebung sicher verhindert wird.
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Sobald die Verbraucherimpedanz ZV am Ausgang 2a, 2b des
Speisegeräts 1 die
optimale Impedanz Zoptimal überschreitet,
verhält
sich die Konstantstromquelle 4 wie eine Konstantspannungsquelle,
wobei die Ausgangsspannung Uout auf eine
maximal zulässige
Maximalspannung Umax begrenzt wird. Diese
Begrenzung erfolgt durch die Leistungsbegrenzungsmittel 6,
welche vorzugsweise zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden
sind.
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Bei einer Erhöhung der Verbraucherimpedanz
ZV am Ausgang 2a, 2b des
Speisegeräts
reduziert sich folglich bei der erzwungenen konstanten Spannung
Umax der Ausgangsstrom Iout des
Speisegeräts 1.
Auf diese Weise wird auch in diesem Bereich das Auftreten von Zündfunken
verhindert.
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Diese Schaltung ist insbesondere
zur Speisung von Verbrauchern geeignet, deren Impedanz wesentlich
größer als
die Zündfunkenimpedanz
ZF ist. Die optimale Impedanz Zopt sollte
hierbei größer als
das Zehnfache der Zündfunkenimpedanz
ZF sein.
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Die
3 lässt eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Speisegerätes
1 erkennen,
bei dem ein Schwingkreis lose mit der Leistungsquelle
5 (AC-Spannungsquelle)
zur Generierung einer periodischen Wechselspannung gekoppelt ist.
Der Koppelfaktor k ist sehr viel kleiner als eins, so dass durch den
lose gekoppelten Schwingkreis
7 eine Stromquelle realisiert
ist. Diese Stromquelle speist ihrerseits wieder einen Spannungs-Strom-Wandler
8 in Form
eines als Collins-Filters ausgeführten
Umkehrvierpols mit zwei Spulen L
1 und L
2 im Längszweig
und der Kapazität
C
C im Querzweig. Der Umkehrvierpol
8 hat
die Transformationsfunktion
wobei Z
V die
am Ausgang
2a,
2b des Speisegerätes
1 anliegende
Verbraucherimpedanz mindestens eines Verbrauchers
9, Z
out die Impedanz am Ausgang des Schwingkreises
7 und
Z
trans die Impedanz des Umkehrvierpols ist.
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Im Kurzschlussfall, d. h. bei ZV gleich Null, geht die Impedanz Zout am Ausgang des Schwingkreises gegen unendlich.
Der durch eine parallel geschaltete Spule und einen Kondensator
gebildete Schwingkreis 7 würde, da er als Stromquelle
arbeitet, eine ins Unendliche gehende Spannung am Ausgang generieren.
Dies wird durch die Leistungsbegrenzungsmittel 6 mit zwei
antiseriell geschalteten Zenerdioden Z1,
Z2 verhindert. Für den Fall, dass die Leistungsbegrenzungsmittel 6 ansprechen
und die Ausgangsspannung US des Schwingkreises
größer als die
Schaltspannung UZ der Zenerdioden ist, wandelt sich
der Schwingkreis 7 von einer Stromquelle in eine Spannungsquelle
um. Durch den nachfolgenden Umkehrvierpol 8 wird diese
Spannungsquelle jedoch wieder in eine Stromquelle überführt, so
dass der Kurzschlussstrom IK für den Fall
US größer UZ konstant ist.
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Für
den Fall, dass die Verbraucherimpedanz ZV am
Ausgang 2a, 2b des Speisegerätes 1 größer als
eine optimale Impedanz Zopt ist, verhält sich
der Schwingkreis 7 wieder wie eine Stromquelle, die durch
den Umkehrvierpol 8 in eine Spannungsquelle umgewandelt
wird. In diesem Falle wird die Spannung konstant gehalten und der
Strom bei zunehmender Impedanz Zin am Ausgang 2a, 2b des
Speisegeräts 1 begrenzt.
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Die 4 lässt das
Speisegerät
aus der 3 erkennen,
welches Vergleichsmittel 10 und Sicherheitsbegrenzermittel 11 hat.
Die Vergleichsmittel 10 sind an den Umkehrvierpol 8 geschaltet
und weisen Strombegrenzungsmittel 10a, Mittel 10b zur
Erzeugung eines Referenzsignals zur Begrenzung der Ausgangsspannung
und/oder des Ausgangsstroms des Speisegerätes 1 in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem Ausgangssignal
sowie Spannungsbegrenzungsmittel 10c auf.
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Die Sicherheitsbegrenzermittel 11 haben
einen Übertrager 12 sowie
eine an die Sekundärseite des Übertragers
geklemmte elektrische Schalteinheit 13.
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Die Strombegrenzermittel 10a bestehen
aus zwei antiparallelen, d.h. gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden
ZD1, die zwischen einen T-Punkt als Kreuzungspunkt
zwischen Längszweig und
Querzweig des Umkehrvierpols 8 und einen Anschluss an der
Primärseite
des Übertragers 12 geklemmt
sind. Ein zweiter primärseitiger
Anschluss des Übertragers 12 ist
an den Ausgang 2a des Umkehrvierpols 8 geschaltet,
so dass die Strombegrenzungsmittel 10a parallel zu der
Spule L2 des Umkehrvierpols 8 liegen.
Bei kurzzeitigen Ausgangsüberströmen sprechen
die Strombegrenzungsmittel 10a an, wobei die Spannung über der
Spule L2 auf eine durch die Zenerdioden
ZD1 definierte Spannung UZ begrenzt wird.
Dabei fließt
ein Strom durch den Übertrager 12,
so dass auf der Sekundärseite
des Übertragers 12 ein
Begrenzer 13 (z.B. ein Schalter, Regler o.ä.) ausgelöst wird
und das Potential im T-Punkt des Umkehrvierpols 8 auf das
Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegerätes 1 herunterzieht.
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Die Mittel 10b zur Erzeugung
eines Referenzsignals weisen einen Phasenschieber beispielsweise
in Form eines RC-Tiefpassfilters auf, der in seinem Längszweig
zwischen dem T-Punkt und dem dritten primärseitigen Anschluss des Übertragers 12 geklemmt
ist. Die Kapazität
C des RC-Tiefpassfilters ist seinerseits an das Potential am zweiten
Ausgang 2b des Speisegeräts 1 geklemmt.
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Zwischen der zweiten Klemme an der
Primärseite
des Übertragers,
die an den ersten Ausgang 2a des Speisegeräts geschaltet
ist, und der dritten Klemme des Übertragers 12,
die mit dem Ausgang des Phasenschiebers verbunden ist, wird die Differenzspannung
zwischen der Ausgangsspannung des Speisegeräts 1 und einer bei
optimaler Belastung vorliegenden Referenzspannung abgegriffen. Sobald
die Ausgangsspannung und die Referenzspannung voneinander abweichen,
wird auf der Sekundärseite
des Übertragers 12 ein
Strom induziert und bei Überschreiten
eines Schwellwerts des Begrenzers 13 ausgelöst. Wiederum
wird das Potential am T-Punkt des Umkehrvierpols 8 auf
das Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegeräts 1,
beispielsweise auf Massepotential, gezogen.
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Die Spannungsbegrenzungsmittel 10c sind aus
zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Zenerdioden ZDU gebildet,
die zwischen dem ersten Ausgang 2a des Speisegeräts 1 über zwei
primärseitige Anschlüsse des Übertragers 12 an
das Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegeräts 1 geschaltet sind.
Sobald die Ausgangsspannung des Speisegeräts 1, die durch die
Spannungsbegrenzungsmittel 10c festgelegte Maximalspannung
Umax überschreitet,
fließt
ein Strom durch die Primärwicklung
des Übertragers 12,
der sekundärseitig
einen Strom induziert, so dass bei Überschreiten eines Schwellwerts der
Begrenzer 13 ausgelöst
und das Potential am ersten Ausgang 2a des Speisegeräts 1 auf
das Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegeräts 1 gezogen
wird.
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Die 5 lässt das
erfindungsgemäße Speisegerät 1 zur
eigensicheren Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern als
Blockschaltbild erkennen. Die nicht dargestellten Verbraucher werden
mit einer elektrischen kurzen Leitung mit einer Länge von weniger
als 1/50 der Betriebs-Wellenlänge
im Ausbreitungsmedium des an den Ausgangsklemmen 2a, 2b des
Speisegerätes 1 anliegenden
periodischen Wechselsignals an das Speisegerät 1 angeschlossen.
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Das Speisegerät 1 hat eine Leistungsquelle 5,
um das periodische Wechselsignal zu generieren. An die Leistungsquelle 5 ist
ein Spannungs-Strom-Wandler 8 in Form eines Collins-Filters geklemmt.
Der Spannungs-Strom-Wandler 8 ist als T-Glied mit einer ersten Spule L1 und
einer zweiten Spule L2 im Längszweig
und einem Kondensator CC im Querzweig ausgeführt, wobei
der Kondensator CC an einen T-Punkt T im
Querzweig zwischen den beiden Spulen L1 und
L2 geklemmt ist.
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Der Querzweig des Spannungs-Strom-Wandlers 8 ist
mit der zweiten Ausgangsklemme 2b und der Leistungsquelle 5 verbunden,
die das Massepotential des Speisegerätes 1 bilden. Der
andere Ausgang des Spannungs-Strom-Wandlers 8, d. h. der
freie Anschluss der zweiten Spule L2, ist
mit der ersten Ausgangsklemme 2a des Speisegerätes 1 verbunden.
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An einen T-Punkt T im Querzweig des
Spannungs-Strom-Wandlers 8 sind Sicherheitsbegrenzermittel 11 mit
einem elektronischen Begrenzer 13 geklemmt, um diesen T-Punkt
T in Richtung Massepotential herunterzuregeln, wenn der elektronische
Begrenzer 13 ausgesteuert ist. Zur Steuerung der Leistungsbegrenzungsmittel
sind diese sekundärseitig
an einen Übertrager 12 geklemmt.
Die Primärseite
des Übertragers 12 ist
mit Spannungsbegrenzungsmitteln 10c, Strombegrenzungsmitteln 10a und
Mitteln (10b) zur Referenzgrößengenerierung verbunden.
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Die Spannungsbegrenzungsmittel 10c sind aus
zwei gegeneinander in Reihe geschalteten Z-Dioden ZDU gebildet,
die einerseits an einen primärseitigen
Abgriff des Übertragers 12 und
andererseits an Masse geklemmt sind. Die erste Ausgangsklemme 2a des
Speisegeräts 1 ist
zudem an einen weiteren primärseitigen
Abgriff des Übertragers 12 geschaltet. Wenn
die Ausgangsspannung UA des Speisegeräts 1 die
durch die Z-Dioden ZDU voreingestellte Maximalspannung
Umax übersteigt,
fließt
ein Strom durch diese Z-Dioden ZDU. Der
dabei auch durch die Primärwicklung
des Übertragers 12 fließende Strom
erzeugt einen sekundärseitigen
Stromfluss. Dieser bewirkt, dass der Begrenzer 13 das Potential
am T-Punkt T des
Collins-Filters in Richtung Masse zieht. Dies führt zu einer Reduzierung der
Ausgangsspannung UA des Speisegeräts 1.
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Die Strombegrenzungsmittel 10a sind
ebenfalls aus zwei gegeneinander in Reihe geschaltete Z-Dioden ZDS gebildet, die einerseits an den T-Punkt T
des Collins-Filters
und andererseits an einen anderen primärseitigen Abgriff des Übertragers 12 geklemmt
sind. Mit den Strombegrenzungsmitteln 10a wird die Spannung über der
Induktivität
L2 überwacht. Übersteigt
die Spannung über
der Induktivität L2
den durch die Z-Dioden ZDS festgelegten
Maximalstrom Imax, so fließt ein Strom
durch die Primärwicklung
des Übertragers 12.
Wiederum wird ein sekundärseitiger
Stromfluss in dem Übertrager 12 erzeugt, der
durch den elektronischen Begrenzer 13 eine Reduzierung
des Potentials im T-Punkt T des Collins-Filters bewirkt.
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Weiterhin haben die Vergleichsmittel 10 einen
Phasenschieber, der aus einem RC-Tiefpassfilter gebildet ist. Im
Längszweig
ist ein Widerstand RP zwischen den T-Punkt
T des Collins-Filters und einem primärseitigem Abgriff des Übertragers 12 geschaltet.
Im Querzweig hinter dem Widerstand RP ist ein
Kondensator CP an die zweite Ausgangsklemme 2b des
Speisegeräts 1 bzw.
auf Massepotential geklemmt.
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Im ungestörten Betriebsfall ergibt sich
bei optimaler (ohmscher) Belastung des Speisegeräts 1 über die
Induktivität
L2 des Collins-Filters (Spannungs-Strom-Wandler 8) eine Phasenverschiebung von
ca. 45° zwischen
dem T-Punkt T des Collins-Filters und der ersten Anschlussklemme 2a des
Speisegeräts 1 bzw.
dem zweiten primärseitigen
Abgriff des Übertragers 12.
Ein phasengleiches Referenzsignal wird durch das RC-Glied der Mittel 10b am
ersten primärseitigen
Abgriff des Übertragers 12 erzeugt.
Im ungestörten
Betrieb tritt keine Signaldifferenz und somit auch keine Potentialdifferenz
zwischen den primärseitigen
Abgriffen des Übertragers 12 auf.
Nur der gestörte
bzw. nicht optimale Betrieb verursacht eine Differenz, in deren
Folge der elektronische Begrenzer 13 betätigt und
das Potential im T-Punkt T des Collins-Filters abgesenkt wird.
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Die 6 lässt ein
Diagramm des Stroms und der Spannung am Ausgang des Speisegerätes 1 aus
der 5 in Abhängigkeit
von der Verbraucherimpedanz ZV erkennen,
die am Ausgang 2 des Speisegeräts 1 vorliegt.
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In einem Fehlerbereich, bei dem die
Impedanz Zin am Ausgang des Speisegeräts 1 kleiner
als eine Funkenimpedanz ZF ist, sind die
Ausgangsspannung Uout und die Ausgangsspannung
Iout des Speisegeräts 1 auf relativ geringem
Niveau. Dieser Fehlerbereich entspricht nahezu einem Kurzschluss
des Speisegeräts 1.
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In einem definierten Betriebsbereich
verhält sich
das Speisegerät
1 wie
eine Konstantstromquelle, sofern die Impedanz Z
V am
Ausgang des Speisegeräts
1 kleiner
als eine optimale Impedanz Z
opt ist. Der
Strom wird auf einen zulässigen
Maximalstrom
konstant gehalten, wobei
U
max eine zulässige Maximalspannung ist.
Die Ausgangsspannung U
out am Ausgang des
Speisegeräts
1 verhält sich
bei dem konstanten Ausgangsstrom I
out linear
zu der Verbraucherimpedanz Z
V am Ausgang
des Speisegerätes
1.
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Sobald die Verbraucherimpedanz Z
V größer als
die optimale Impedanz Z
opt ist, verhält sich
das Speisegerät
1 wie
eine Konstantspannungsquelle, da die Spannungsbegrenzungsmittel
10c ansprechen und
die Ausgangsspannung U
out auf der Maximalspannung
U
max halten. Der Ausgangsstrom des Speisegeräts
1 wird
nach der Gleichung
begrenzt.
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In einem Abregelungsbereich wird
auch die Spannung Uout abgeregelt, sobald
die Verbraucherimpedanz ZV größer als
eine definierte Abregelimpedanz ZAbregel ist.
Hierzu greift, wie mit der gestrichelten Linie in der 5 angedeutet, der elektronische
Begrenzer 13 in die AC-Spannungsquelle 5 ein,
so dass die Versorgungsspannung bereits in der Quelle reduziert
wird.