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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft Netzteile und insbesondere kostengünstige effiziente Netzteile, die eine Wechselstromredundanz („WS-Redundanz”) bereitstellen.
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HINTERGRUND
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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Ein Netzteil, das gelegentlich auch als Stromversorgungseinheit (SVE) bezeichnet wird, ist eine Einheit oder ein System, die/das eine Ausgangslast oder eine Gruppe von Lasten mit elektrischer Energie oder anderen Energiearten versorgt. Ein Netzteil kann bei manchen Ausführungsformen so konfiguriert sein, dass es Energie einer Form in eine andere Form umwandelt, z. B. bei der Umwandlung von Wechselstromenergie in Gleichstromenergie („GS-Energie”). Die Regelung von Netzteilen geschieht normalerweise durch Einbeziehung einer Schaltung, mit der die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom des Netzteils in engen Grenzen auf einen bestimmten Wert geregelt wird. Dieser bestimmte Wert wird ungeachtet von Schwankungen der Last, die auf den Ausgang des Netzteils wirken, und ungeachtet von mäßigen Spannungsschwankungen am Netzteileingang in engen Grenzen aufrechterhalten.
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Beispielsweise ist das Netzteil bei einer Elektronikeinheit wie z. B. einem Computer so ausgelegt, dass es eine Eingangswechselspannung, die üblicherweise durch eine herkömmliche Wandsteckdose bereitgestellt wird, in mehrere Niederspannungs-Ausgangsgleichspannungen umwandelt, die zu internen Komponenten der Elektronikeinheit übertragen werden. Die Umwandlung findet normalerweise in Stufen statt, z. B. in einer Gleichrichtungsstufe, einer Regelungsvorstufe wie z. B. in einem aktiven Oberwellenfilter, in einer Regler-/Zerhackerstufe usw. Bei den Stufen kann es sich um eine Aufwärtswandlerstufe, eine Abwärtswandlerstufe oder eine andere abgeleitete Topologie handeln.
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In manchen Fällen ist die Redundanz von Netzteilen gewünscht, um Elektronikeinheiten vor unvorhergesehenen Stromausfällen zu schützen. Beispielsweise können zwei oder mehr Netzteile verwendet werden, um redundante Gleichstromausgänge bereitzustellen, sodass bei Ausfall eines Netzteils ein zweites oder drittes Netzteil weiterhin den notwendigen Gleichstrom bereitstellt. Dies wird als Gleichstromredundanz bezeichnet.
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Außer der Gleichstromredundanz sind manche Netzteile auch so konfiguriert, dass sie eine Wechselstromredundanz bereitstellen, d. h., dass sie Eingangswechselstrom aus zwei oder mehr Stromquellen erhalten. Wie in 1 dargestellt erfordern manche herkömmlichen Systeme eine vollständige Redundanz von zwei oder mehr Netzteilen, um eine WS-Redundanz bereitzustellen. Das System 100 stellt ein erstes Netzteil 102 und ein zweites Netzteil 104 dar. Das erste Netzteil 102 erhält eine WS-Wellenform WS1 als Eingang, und das zweite Netzteil 104 erhält eine zweite WS-Wellenform WS2 als Eingang. Die Ausgänge der zwei Netzteile 102, 104 werden zusammengeführt, um den redundanten GS-Ausgang Vaus zu bilden. Wenn die dem ersten Netzteil 102 bereitgestellte WS-Wellenform WS1 aus irgendeinem Grund ausfällt, erhält das zweite Netzteil 104 weiterhin Wechselstrom von der zweiten WS-Wellenform WS2 und stellt dadurch einen WS-Redundanzschutz bereit.
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Bei manchen Ausführungsformen können das erste Netzteil 102 und das zweite Netzteil 104 in einem einzigen Gehäuse bereitgestellt sein. Beispielsweise kann eine einzige Gehäusebaugruppe mehr als einen WS-Eingangsverbinder für den Erhalt der WS-Wellenformen WS1, WS2 enthalten. In dem einen Gehäuse können die redundanten Netzteile 102 und 104 bereitgestellt sein, um die redundanten WS-Wellenformen WS1, WS2 zu erhalten und ein Ausgangssignal Vaus bereitzustellen. Eine derartige Realisierung ist wegen der Kosten der Bereitstellung von zwei vollständig redundanten Netzteilen 102, 104 jedoch relativ teuer.
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Des Weiteren entsteht noch ein Problem, wenn zwei WS-Wellenformen gleichzeitig an den Eingang desselben Netzteils 102 angelegt werden. In einem derartigen Fall können die beiden WS-Wellenformen phasenverschoben sein, wodurch möglicherweise eine höhere Gesamtspannung an das Netzteil 102 angelegt wird. Dies kann zu einer erheblichen Abnahme des Wirkungsgrades führen.
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KURZER ÜBERBLICK
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Anhand der vorstehenden Erörterung sollte ersichtlich werden, dass die Notwendigkeit einer Vorrichtung, eines System und Verfahrens besteht, die in einer effizienten und kostengünstigen Weise eine WS-Redundanz bereitstellen. Eine derartige Vorrichtung sowie ein derartiges System und Verfahren würden in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit beseitigen, vollständig redundante Netzteile bereitzustellen, und gleichzeitig den Wirkungsgrad eines Netzteils aufrechtzuerhalten, selbst wenn zwei redundante WS-Wellenformen phasenverschoben sind.
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Die vorliegende Erfindung ist das Ergebnis von Entwicklungsarbeiten als Reaktion auf den gegenwärtigen Stand der Technik und insbesondere als Reaktion auf die Probleme und Bedürfnisse in diesem Fachgebiet, für die mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Netzteilen bisher noch keine endgültige Lösung gefunden wurde. Daher wurde die vorliegende Erfindung entwickelt, um eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung eines Netzteils mit WS-Quellenredundanz bereitzustellen, mit dem viele bzw. alle der oben erörterten Schwächen des gegenwärtigen Stands der Technik überwunden werden.
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Die Vorrichtung zur Bereitstellung von WS-Quellenredundanz ist mit einer Vielzahl von Modulen versehen, die so konfiguriert sind, dass sie die funktionstechnisch notwendigen Schritte ausführen, um jeweils nur eine einzige WS-Quelle zu verwenden, wenn zwei redundante WS-Quellen am Eingang eines Netzteils anliegen. Diese Module bei den beschriebenen Ausführungsformen enthalten ein erstes Eingangsmodul, ein zweites Eingangsmodul und ein Schaltlogikmodul. Die Vorrichtung enthält außerdem einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter.
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Das erste Eingangsmodul kann so konfiguriert sein, dass es eine erste WS-Eingangswellenform von einer ersten Stromquelle erhält. Das erste Eingangsmodul ermittelt, ob die erste WS-Eingangswellenform vorhanden ist, indem es eine erste GS-Vorspannung misst, die aus der ersten WS-Eingangswellenform erzeugt wird. Das zweite Eingangsmodul kann so konfiguriert sein, dass es eine zweite WS-Eingangswellenform von einer zweiten Stromquelle erhält. Das zweite Eingangsmodul ermittelt, ob die zweite WS-Eingangswellenform vorhanden ist, indem es eine zweite GS-Vorspannung misst, die aus der zweiten WS-Eingangswellenform erzeugt wird.
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Der erste Schalter verbindet das erste Eingangsmodul mit einem gemeinsamen Knoten, und der zweite Schalter verbindet das zweite Eingangsmodul so mit dem gemeinsamen Knoten, dass eine Wellenform am gemeinsamen Knoten einem Ausgangsknoten Strom bereitstellt. Der Ausgangsstrom wird anschließend zu weiteren Umwandlungs- oder Regelstufen eines Netzteils geleitet.
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Ein Schaltlogikmodul steuert den ersten Schalter und den zweiten Schalter, um festzulegen, welche Wellenform dem gemeinsamen Knoten bereitgestellt wird. Das Schaltlogikmodul hält als Reaktion auf das Vorhandensein der ersten GS-Vorspannung und das Nichtvorhandensein der zweiten GS-Vorspannung den ersten Schalter in einer geschlossenen Stellung und den zweiten Schalter in einer geöffneten Stellung. Dadurch kann Strom vom ersten Eingangsmodul zum gemeinsamen Knoten gelangen.
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Das Schaltlogikmodul hält als Reaktion auf das Vorhandensein der ersten GS-Vorspannung und das Vorhandensein der zweiten GS-Vorspannung den ersten Schalter in einer geschlossenen Stellung und den zweiten Schalter in einer geöffneten Stellung. Auch dadurch kann Strom vom ersten Eingangsmodul zum gemeinsamen Knoten gelangen.
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Das Schaltlogikmodul hält als Reaktion auf das Fehlen der ersten GS-Vorspannung und das Vorhandensein der zweiten GS-Vorspannung den ersten Schalter in einer geöffneten Stellung und den zweiten Schalter in einer geschlossenen Stellung. Dadurch kann Strom vom zweiten Eingangsmodul zum gemeinsamen Knoten gelangen. Auf diese Weise betätigt das Schaltlogikmodul anhand des Vorhandenseins der ersten und zweiten WS-Eingangswellenform die Schalter, um Strom von entweder einer ersten oder zweiten Quelle auszuwählen.
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Bei einer Ausführungsform enthält das erste Eingangsmodul einen ersten Gleichrichter, der die erste WS-Eingangswellenform gleichrichtet, und das zweite Eingangsmodul enthält einen zweiten Gleichrichter, der die zweite WS-Eingangswellenform gleichrichtet, sodass eine gleichgerichtete Wellenform am gemeinsamen Knoten und am Ausgangsknoten bereitgestellt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform misst das erste Eingangsmodul einen Ausgang des ersten Gleichrichters, um eine erste GS-Vorspannung zu erzeugen, und das zweite Eingangsmodul misst einen Ausgang des zweiten Gleichrichters, um die zweite GS-Vorspannung zu erzeugen. Bei manchen Ausführungsformen können die Gleichrichter Vollwellengleichrichter sein.
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Die Vorrichtung ist ferner bei einer Ausführung so konfiguriert, dass sie einen Gleichrichter enthält, der mit dem gemeinsamen Knoten und dem Ausgangsknoten verbunden ist, wobei die erste WS-Eingangswellenform oder die zweite WS-Eingangswellenform an den gemeinsamen Knoten angelegt wird und der Ausgang des Gleichrichters eine gleichgerichtete WS-Wellenform am Ausgangsknoten beinhaltet. Bei einer weiteren Ausführungsform misst das erste Eingangsmodul die erste WS-Eingangswellenform und wandelt die erste WS-Eingangswellenform in die erste GS-Vorspannung um, und das zweite Eingangsmodul misst die zweite WS-Eingangswellenform und wandelt die zweite WS-Eingangswellenform in die zweite GS-Vorspannung um.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine gleichgerichtete WS-Wellenform, die von der ersten WS-Eingangswellenform abgeleitet wird, an einen ersten Optokoppler angelegt, um dem Schaltlogikmodul die erste GS-Vorspannung bereitzustellen, und eine gleichgerichtete WS-Wellenform, die von der zweiten WS-Eingangswellenform abgeleitet wird, wird an einen zweiten Optokoppler angelegt, um dem Schaltmodul die zweite GS-Vorspannung bereitzustellen. Der erste und zweite Optokoppler trennen die erste und zweite WS-Eingangswellenform elektrisch vom Schaltlogikmodul. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält der erste Schalter ein erstes Relais, und der zweite Schalter enthält ein zweites Relais, wobei es sich beim ersten und zweiten Relais um elektromagnetische Relais handelt.
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Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung eine Gleichstromquelle, einen ersten Logikschalter, einen zweiten Logikschalter und einen dritten Logikschalter enthalten. Eine Spule des ersten Relais kann so mit der Gleichstromquelle und dem ersten Logikschalter verbunden sein, dass das Schließen des ersten Logikschalters das erste Relais schließt. Eine Spule des zweiten Relais kann so mit der Gleichstromquelle und dem zweiten Logikschalter verbunden sein, dass das Schließen des zweiten Logikschalters das zweite Relais schließt. Der dritte Logikschalter kann so mit einem Treibereingang des zweiten Logikschalters verbunden sein, dass das Schließen des dritten Logikschalters das Schließen des zweiten Logikschalters verhindert.
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Demzufolge schließt der erste Logikschalter als Reaktion auf das Vorhandensein der vom ersten Optokoppler kommenden ersten GS-Vorspannung. Der erste Logikschalter öffnet als Reaktion auf das Fehlen der vom ersten Optokoppler kommenden ersten GS-Vorspannung. Der zweite Logikschalter schließt als Reaktion darauf, dass die vom zweiten Optokoppler kommende zweite GS-Vorspannung vorhanden ist und die vom ersten Optokoppler kommende erste GS-Vorspannung an einem Treibereingang des dritten Logikschalters fehlt. Der zweite Logikschalter öffnet als Reaktion darauf, dass die vom ersten Optokoppler kommende, an einen Treibereingang des dritten Logikschalters angelegte erste GS-Vorspannung vorhanden ist, wobei der dritte Logikschalter schließt und das Schließen des zweiten Logikschalters verhindert, oder aber der zweite Logikschalter öffnet als Reaktion darauf, dass die vom zweiten Optokoppler kommende zweite GS-Vorspannung fehlt. Bei bestimmten Ausführungsformen sind der erste, zweite und dritte Logikschalter Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren („MOSFETs”).
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Bei einer Ausführungsform enthalten das erste Eingangsmodul, das zweite Eingangsmodul, der erste Schalter, der zweite Schalter und das Schaltlogikmodul eine Eingangsstufe eines Schaltnetzteils. Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung erhält das erste Eingangsmodul eine erste WS-Eingangswellenform, sofern sie vorhanden ist, von einer ersten Stromquelle und stellt eine erste gleichgerichtete WS-Wellenform bereit, wenn die erste WS-Eingangswellenform vorhanden ist. Bei dieser Ausführungsform erhält das zweite Eingangsmodul eine zweite WS-Eingangswellenform, sofern sie vorhanden ist, von einer zweiten Stromquelle und stellt eine zweite gleichgerichtete WS-Wellenform bereit, wenn die zweite WS-Eingangswellenform vorhanden ist.
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Die Vorrichtung kann ein erstes Relais enthalten, das das erste Eingangsmodul mit einem gemeinsamen Knoten verbindet, und ein zweites Relais, das das zweite Eingangsmodul mit dem gemeinsamen Knoten verbindet, sodass eine Wellenform am gemeinsamen Knoten einem Ausgangsknoten Strom bereitstellt. Die Vorrichtung kann ferner eine erste Trenneinheit enthalten, die als Eingang eine erste gleichgerichtete WS-Wellenform erhält und eine erste GS-Vorspannung bereitstellt, wenn die erste WS-Eingangswellenform vorhanden ist, sowie eine zweite Trenneinheit, die als Eingang die zweite gleichgerichtete WS-Wellenform erhält und eine zweite GS-Vorspannung bereitstellt, wenn die zweite WS-Eingangswellenform vorhanden ist. Die erste und zweite GS-Vorspannung sind von einer Masse der ersten WS-Eingangswellenform elektrisch getrennt.
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Die Vorrichtung kann ferner eine Gleichstromquelle, einen ersten Logikschalter, einen zweiten Logikschalter und einen dritten Logikschalter mit der oben beschriebenen Arbeitsweise enthalten.
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Ein System der vorliegenden Erfindung, das eine WS-Quellenredundanz bereitstellt, wird ebenfalls vorgestellt. Das System kann die verschiedenen Ausführungsformen der oben beschriebenen WS-Redundanzvorrichtung enthalten. Darüber hinaus enthält das System bei einer Ausführungsform ein Schaltnetzteil, bei dem die WS-Redundanzvorrichtung dem Schaltnetzteil Strom bereitstellt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das System eine Elektronikeinheit enthalten, die Strom von dem Schaltnetzteil erhält.
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Ein Verfahren der vorliegenden Erfindung, das eine WS-Quellenredundanz bereitstellt, wird ebenfalls vorgestellt. Das Verfahren in den beschriebenen Ausführungsformen beinhaltet im Wesentlichen die Schritte, die notwendig sind, um die oben im Hinblick auf den Betrieb der beschriebenen Vorrichtung und des beschriebenen Systems vorgestellten Funktionen auszuführen. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Empfangen einer ersten WS-Eingangswellenform von einer ersten Stromquelle und das Ermitteln, ob die erste WS-Eingangswellenform vorhanden ist, indem eine erste GS-Vorspannung gemessen wird, die aus der ersten WS-Eingangswellenform erzeugt wird. Das Verfahren kann auch das Empfangen einer zweiten WS-Eingangswellenform von einer zweiten Stromquelle und das Ermitteln beinhalten, ob die zweite WS-Eingangswellenform vorhanden ist, indem eine zweite GS-Vorspannung gemessen wird, die aus der zweiten WS-Eingangswellenform erzeugt wird.
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Das Verfahren kann außerdem das Steuern eines ersten Schalters und eines zweiten Schalters beinhalten. Der erste Schalter verbindet einen gemeinsamen Knoten mit der ersten WS-Eingangswellenform, und der zweite Schalter verbindet den gemeinsamen Knoten mit der zweiten WS-Eingangswellenform. Eine Wellenform am gemeinsamen Knoten stellt einem Ausgangsknoten Strom bereit. Der Strom am Ausgangsknoten wird normalerweise einer weiteren Netzteilstufe bereitgestellt.
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Der erste und zweite Schalter werden gesteuert, indem als Reaktion auf das Vorhandensein der ersten GS-Vorspannung und das Nichtvorhandensein der zweiten GS-Vorspannung der erste Schalter in einer geschlossenen Stellung und der zweite Schalter in einer geöffneten gehalten werden, indem als Reaktion auf das Vorhandensein der ersten GS-Vorspannung und das Vorhandensein der zweiten GS-Vorspannung der erste Schalter in einer geschlossenen Stellung und der zweite Schalter in einer offenen Stellung gehalten wird, und in dem als Reaktion auf das Fehlen der ersten GS-Vorspannung und das Vorhandensein der zweiten GS-Vorspannung der erste Schalter in einer geöffneten Stellung und der zweite Schalter in einer geschlossenen Stellung gehalten werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Gleichrichten der ersten WS-Eingangswellenform und der zweiten WS-Eingangswellenform, sodass am gemeinsamen Knoten und am Ausgangsknoten eine gleichgerichtete Wellenform bereitgestellt wird. Bei einer noch weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Messen der gleichgerichteten ersten WS-Eingangswellenform, um eine erste GS-Vorspannung zu erzeugen, und das Messen der gleichgerichteten zweiten WS-Eingangswellenform, um die zweite GS-Vorspannung zu erzeugen. Bei der Gleichrichtung handelt es sich vorzugsweise um die Vollwellengleichrichtung.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird die erste WS-Eingangswellenform oder die zweite WS-Eingangswellenform an den gemeinsamen Knoten angelegt, oder die an den gemeinsamen Knoten angelegte Wellenform wird gleichgerichtet und zum Ausgangsknoten geleitet, sodass eine gleichgerichtete WS-Wellenform am Ausgangsknoten bereitgestellt wird. Bei einer noch weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Umwandeln der ersten WS-Eingangswellenform in die erste GS-Vorspannung und das Umwandeln der zweiten WS-Eingangswellenform in die zweite GS-Vorspannung.
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In der vorliegenden Beschreibung schließt die Bezugnahme auf Merkmale und Vorteile bzw. die Verwendung ähnlicher Formulierungen nicht ein, dass alle Merkmale und Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung realisiert werden können, in einer einzigen Ausführungsform der Erfindung auftreten müssen oder auftreten. Stattdessen bedeuten Formulierungen, die sich auf die Merkmale und Vorteile beziehen, dass ein bestimmtes Merkmal, ein bestimmter Vorteil bzw. eine bestimmte Eigenschaft, das bzw. der bzw. die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wird, in zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich, müssen es aber nicht notwendigerweise, die Erörterung der Merkmale und Vorteile und die Verwendung ähnlicher Formulierungen in der vorliegenden Spezifikation auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
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Des Weiteren können die beschriebenen Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert sein. Dem Fachmann ist klar, dass die Erfindung ohne eines oder mehrere der jeweiligen Merkmale oder Vorteile einer bestimmten Ausführungsform in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen können weitere Merkmale und Vorteile in bestimmten Ausführungsformen festzustellen sein, die nicht in allen Ausführungsformen der Erfindung vorhanden sein können.
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Diese Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche klarer, oder die Merkmale und Vorteile werden durch die praktische Umsetzung der Erfindung anhand der folgenden Ausführungen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum leichteren Verständnis der Vorteile der Erfindung folgt nun eine eingehendere Beschreibung der oben kurz beschriebenen Erfindung, wobei in der folgenden Beschreibung auf bestimmte Ausführungsformen Bezug genommen wird, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Geltungsbereichs der Erfindung zu betrachten sind, wird die Erfindung unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben und erläutert, wobei:
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1 ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsform eines Systems mit redundanten WS-Quellen und redundanten Netzteilen ist;
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2 ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer Ausführungsform eines Systems mit redundanten WS-Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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3 ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Realisierung eines kostengünstigen effizienten Systems mit redundanten WS-Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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4 ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer detaillierten Ausführungsform eines Netzteils mit redundanten WS-Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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5 ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer weiteren detaillierten Ausführungsform eines Netzteils mit redundanten WS-Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
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6 ein schematischer Ablaufplan mit der Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Bereitstellung redundanter WS-Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Dem Fachmann ist klar, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung in Form eines Systems, Verfahrens oder Computerprogrammprodukts verkörpert sein können. Demzufolge können Aspekte der vorliegenden Erfindung die Form einer vollständig in Hardware realisierten Ausführungsform, einer vollständig in Software realisierten Ausführungsform (darunter Firmware, residente Software, Mikrocode usw.) oder einer Ausführungsform annehmen, in der Software- und Hardwareaspekte kombiniert sind, die im vorliegenden Dokument allgemein als „Schaltung”, „Modul” oder „System” bezeichnet werden. Ferner können Aspekte der vorliegenden Erfindung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das in einem oder mehreren computerlesbaren Medien verkörpert ist, auf denen computerlesbarer Programmcode verkörpert ist.
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Viele der in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Funktionseinheiten werden als Module bezeichnet, um insbesondere ihre voneinander unabhängige Realisierung zu unterstreichen. Beispielsweise kann ein Modul als Hardwareschaltung realisiert sein, die kundenspezifische VLSI-Schaltungen oder Gate-Arrays, handelsübliche Halbleiter wie z. B. Logikschaltkreise, Transistoren oder andere diskrete Bauteile umfasst. Ein Modul kann auch in Form von programmierbaren Hardwareeinheiten realisiert sein, z. B. als FPGA (Field Programmable Gate Array), PAL (Programmable Array Logic), programmierbare Logikeinheiten oder dgl.
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Module können außerdem zwecks Durchführung auf verschiedenen Arten von Prozessoren in Software realisiert sein. Ein bezeichnetes Modul mit ausführbarem Code kann z. B. einen oder mehrere physische oder logische Blöcke von Computeranweisungen umfassen, die z. B. als Objekt, Prozedur oder Funktion organisiert sein können. Ungeachtet dessen müssen die ausführbaren Bestandteile eines bezeichneten Moduls physisch nicht zusammen angeordnet sein, sondern können ganz verschiedene Anweisungen umfassen, die an unterschiedlichen Stellen gespeichert sind und, wenn sie zusammengefügt werden, dass Modul umfassen und den festgelegten Zweck des Moduls erreichen.
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Tatsächlich kann ein Modul mit ausführbarem Code eine einzige Anweisung oder viele Anweisungen umfassen, und kann sogar auf mehrere unterschiedliche Codesegmente, auf verschiedene Programme und auf mehrere Speichereinheiten aufgeteilt sein.
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Ebenso können Betriebdaten im vorliegenden Dokument innerhalb von Modulen bezeichnet und dargestellt sein, und sie können in einer beliebigen Art von Datenstruktur in beliebiger geeigneter Form verkörpert und organisiert sein. Die Betriebsdaten können als ein Datensatz erfasst werden, oder sie können auf unterschiedliche Stellen, auch auf unterschiedlichen Speichereinheiten, verteilt sein, und können zumindest teilweise als elektronische Signale auf einem System oder Netzwerk vorhanden sein. Wenn ein Modul oder Teile eines Moduls in Software realisiert sind, sind die Softwareteile auf einem oder mehreren computerlesbaren Speichermedien abgelegt.
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In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Begriff „eine Ausführungsform” bzw. ähnliche Formulierungen, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur bzw. eine bestimmte Eigenschaft, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher kann sich, muss es aber nicht notwendigerweise, in der vorliegenden Beschreibung das Auftreten der Formulierung „bei einer Ausführungsform” bzw. ähnlicher Formulierungen auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
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Des Weiteren können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften der Erfindung in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert sein. In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche konkrete Details aufgeführt, z. B. Programmierbeispiele, Softwaremodule, Benutzerauswahlen, Hardwaremodule, Hardwareschaltungen, Hardwareschaltkreise usw., um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass die Erfindung ohne eines oder mehrere der konkreten Details oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen sind allgemein bekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht im Detail gezeigt oder beschrieben, um die Deutlichkeit von Aspekten der Erfindung nicht zu beeinträchtigen.
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Die schematischen Ablaufpläne und/oder schematischen Blockschaltbilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Funktionsweise möglicher Realisierungsformen von Vorrichtungen, Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In dieser Hinsicht kann jeder einzelne Block in den schematischen Ablaufplänen und/oder schematischen Blockschaltbildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil des Codes darstellen, der eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Realisierung der angegebenen Logikfunktion bzw. Logikfunktionen umfasst.
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Außerdem ist anzumerken, dass bei einigen alternativen Realisierungsformen die im Block angegebenen Funktionen außerhalb der in den Figuren angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden können. Beispielsweise können zwei hintereinander aufgeführte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können je nach der mit den Blöcken verbundenen Funktionalität manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es können andere Schritte und Verfahren entworfen werden, die in Funktion, Logik oder Auswirkung einem oder mehreren in den Figuren dargestellten Blöcken oder Teilen davon gleichen.
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Obwohl im Ablaufplan und/oder in den Blockschaltbildern verschiedene Pfeil- und Linienarten verwendet sein können, versteht es sich, dass diese den Geltungsbereich der entsprechenden Ausführungsformen nicht einschränken. Vielmehr können manche Pfeile und andere Konnektoren verwendet werden, um nur den logischen Fluss der dargestellten Ausführungsform anzugeben. Beispielsweise kann ein Pfeil eine Warte- oder Überwachungszeit mit nicht festgelegter Dauer zwischen nummerierten Schritten der dargestellten Ausführungsform angeben. Außerdem ist anzumerken, dass jeder einzelne Block der Blockschaltbilder und/oder der Ablaufpläne sowie Kombinationen von Blöcken in den Blockschaltbildern und/oder in den Ablaufplänen mithilfe von zweckgebundenen Systemen auf der Grundlage von Hardware oder mithilfe von Kombinationen aus spezieller zweckgebundener Hardware und Computeranweisungen realisiert sein kann, um die angegebenen Funktionen bzw. Aktionen durchzuführen.
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2 ist ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer Ausführungsform eines Systems 200 mit redundanten WS-Quellen WS1, WS2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System 100 enthält ein oder mehrere Netzteile 202, 204, mindestens zwei redundante WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 und eine Elektronikeinheit 206.
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Wie dargestellt erhalten die Netzteile 202, 204 redundanten Strom über die erste und zweite WS-Eingangswellenform WS1, WS2 und stellen der Elektronikeinheit 206 Strom bereit. Vorzugsweise werden die erste und zweite WS-Wellenform durch zwei unterschiedliche WS-Quellen bereitgestellt, z. B. durch eine Wandsteckdose und eine Stützbatterie, die einen Umrichter oder einen Generator speist. Bei der dargestellten Ausführungsform erhält die Elektronikeinheit 206 über ein Ausgangssignal Vaus Strom von einer Vielzahl von Netzteilen 202, 204. Bei anderen Ausführungsformen kann die Elektronikeinheit 206 Strom von einem einzigen Netzteil 202 erhalten.
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Bei der dargestellten Ausführungsform stellt das Netzteil 202 der Elektronikeinheit 206 geregelten Strom bereit, mit dem verschiedene elektronische Systeme und Teilsysteme in der Elektronikeinheit 206 versorgt werden. Das Netzteil 202, 204 ist normalerweise über einen geregelten Bus oder eine ähnliche Einheit mit der Elektronikeinheit 206 verbunden. Der geregelte Bus und das Netzteil 202, 204 können so konfiguriert sein, dass der Elektronikeinheit 206 eine oder mehrere unterschiedliche Spannungen und Ströme bereitgestellt werden. Beispielsweise werden bei einem typischen Netzteil üblicherweise Spannungen von +12 V, +5 V, +3,3 V und –12 V bereitgestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Netzteil 202, 204 um ein Schaltnetzteil. Für den Fachmann ist klar, dass ein Schaltnetzteil (Switched-Mode Power Supply, SMPS) einen Schaltregler beinhaltet. Ein Schaltregler regelt die Spannung, indem er einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor („MOSFET”) oder einen anderen Schalter mit einem variablen Schaltzyklus ein- und ausschaltet, um ein gewünschtes Ausgangssignal zu erzeugen.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronikeinheit 206 ein Computersystem, z. B. ein Desktop-Computer, Notebook oder Server, sein, und das Netzteil 202 kann so konfiguriert sein, dass es die verschiedenen Komponenten des Computersystems mit Strom versorgt. Für den Fachmann ist klar, dass die Elektronikeinheit 206 bei anderen Ausführungsformen Einheiten wie z. B. einen Blade-Server, eine PCI-Karte (Peripheral Component Interconnect, PCI), Router, PDAs (Personal Digital Assistant, PDA), Switches, Geräte, digitale Media-Player, Anzeigen oder andere Elektronikeinheiten enthalten kann. Bei einer Ausführungsform kann das Netzteil 202, 204 im selben Gehäuse wie die Elektronikeinheit 206 realisiert sein, z. B. im Tower-Gehäuse eines Computers. Bei anderen Ausführungsformen kann das Netzteil 202, 204 außerhalb der Elektronikeinheit 206 realisiert sein, und es kann mit der Elektronikeinheit 104 über Verbindungsmittel verbunden sein, z. B. über ein Netzkabel, ein Kabel oder über einen Bus wie z. B. bei einem Blade-Center.
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Die Elektronikeinheit 206 stellt für das Netzteil 202, 204 eine Last dar. Die Größe der Last kann das Betriebsverhalten das Netzteils 202, 204 beeinträchtigen. Das Netzteil 202, 204 ist vorzugsweise so konfiguriert, dass es in Verbindung mit einer vorgegebenen Last effizient arbeitet. Bei einer Ausführungsform kann die Last je nach den Betriebseigenschaften der Elektronikeinheit 204 schwanken, und das Netzteil 202, 204 kann so konfiguriert sein, dass es sich entsprechend anpasst. Beispielsweise kann das Netzteil 202, 204 ein Rückmeldesignal beinhalten, um die Stromausgangseigenschaften des Netzteils 202, 204 als Reaktion auf Laständerungen anzupassen. Normalerweise regelt das Netzteil 202, 204 die Spannung auf dem geregelten Bus so, dass der Elektronikeinheit 206 bei schwankenden Lastbedingungen im Wesentlichen konstante Spannungspegel bereitgestellt werden.
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Eine oder mehrere Stromquellen (nicht dargestellt) sind so konfiguriert, dass sie die Netzteile 202, 204 mit Eingangsstrom in der Form von WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 versorgen. Bei den Stromquellen handelt es sich normalerweise um ein öffentliches Stromnetz oder eine Stützbatterie, die mit einem Umrichter oder dgl. verbunden ist, das bzw. die über Stromleitungen Strom für Privathäuser bzw. Wohnungen und Unternehmen bereitstellt. Anschließend gelangt der Strom über eine herkömmliche Wandsteckdose oder mithilfe anderer, dem Fachmann bekannten Mittel zum Netzteil 202, 204. Bei manchen Ausführungsformen kann die Stromquelle einen Generator, eine Notstromquelle, ein Netzteil oder eine andere Stromversorgungskomponente beinhalten. Die Netzteile 202, 204 sind so konfiguriert, dass sie redundante WS-Wellenformen WS1, WS2 erhalten und die erhaltenen WS-Wellenformen WS1, WS2 zur Erzeugung und Regelung einer oder mehrerer Wellenformen verwenden, die von der Elektronikeinheit 206 verwendet werden.
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Vorzugsweise enthält jedes Netzteil 202, 204 eine WS-Redundanzvorrichtung 208, die die Schaltung und Logik bereitstellt, um in effizienter und kostengünstiger Weise nur eine der ersten und zweiten WS-Eingangswellenform WS1, WS2 zu nutzen. Die WS-Redundanzvorrichtung 208 steuert einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2, um eine der WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 auszuwählen, die zu den weiteren Stufen 210 des Netzteils 202, 204 geleitet wird. Durch die Auswahl nur einer der redundanten WS-Eingangswellenform WS1, WS2 zur Verwendung durch das Netzteil 202, 204 wird die WS-Redundanz aufrechterhalten, aber Probleme, die aus der gleichzeitigen Verwendung von zwei WS-Wellenformen WS1, WS2 entstehen können, werden beseitigt. Beispielsweise werden Probleme im Zusammenhang mit phasenverschobenen WS-Wellenformen beseitigt.
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Im Allgemeinen funktioniert die WS-Redundanzvorrichtung 208 so, dass sie das Vorhandensein der ersten und zweiten WS-Eingangswellenform WS1, WS2 erkennt und anhand des festgestellten Vorhandenseins eine der Wellenformen zur Verwendung auswählt. Wenn z. B. nur die erste WS-Eingangswellenform WS1 vorhanden ist, oder wenn beide WS-Wellenformen WS1, WS2 vorhanden sind, kann die WS-Redundanzvorrichtung 208 den ersten Schalter S1 schließen und den zweiten Schalter S2 öffnen, sodass die erste WS-Eingangswellenform WS1 oder eine davon abgeleitete Wellenform dem Ausgangsknoten WS4 bereitgestellt wird. Wenn nur die zweite WS-Eingangswellenform WS2 vorhanden ist (z. B. bei einem Ausfall der Quelle der ersten WS-Wellenform WS1), wird der erste Schalter S1 geöffnet, und der zweite Schalter S2 wird geschlossen, sodass die zweite WS-Eingangswellenform WS2 oder eine davon abgeleitete Wellenform dem Ausgangsknoten WS4 bereitgestellt wird.
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Darüber hinaus kann die Gleichrichtung der WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 von der Redundanzvorrichtung 208 durchgeführt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die WS-Eingangswellenform verwendet werden, um die Logikschaltung mit Strom zu versorgen, und sie kann in gleichgerichteter Form zu den anderen Stufen 210 des Netzteils 202 geleitet werden. Ein typisches Schaltnetzteil 202 kann eine Umwandlungsstufe zur Umwandlung der WS-Wellenform in ein Gleichstromsignal („GS-Signal”) und eine weitere Regelstufe zur Regelung des GS-Signals auf eine bevorzugte Spannung, z. B. 12 Volt, enthalten. Normalerweise wird eine geregelte Gleichspannung an die Elektronikeinheit 206 geleitet.
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3 ist ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer Ausführungsform einer WS-Redundanzvorrichtung 208 zur Realisierung eines kostengünstigen effizienten WS-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält die WS-Redundanzvorrichtung 208 ein erstes Eingangsmodul 302, ein zweites Eingangsmodul 304 und ein Schaltlogikmodul 306.
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Das erste Eingangsmodul 302 ist vorzugsweise so konfiguriert, dass es eine erste WS-Eingangswellenform WS1 von einer ersten Stromquelle erhält. Das erste Eingangsmodul 302 kann einen ersten Verbinder oder dgl. zum Anschluss der WS-Redundanzvorrichtung 208 an eine erste Stromquelle enthalten. Das erste Eingangsmodul 302 ermittelt, ob die erste WS-Eingangswellenform WS1 vorhanden ist, indem es eine erste GS-Vorspannung misst, die aus der ersten WS-Eingangswellenform WS1 erzeugt wird. Ebenso ist das zweite Eingangsmodul 304 so konfiguriert, dass es eine zweite WS-Eingangswellenform WS2 von einer zweiten Stromquelle erhält. Das zweite Eingangsmodul 304 ermittelt, ob die zweite WS-Eingangswellenform WS2 vorhanden ist, indem es eine zweite GS-Vorspannung misst, die aus der zweiten WS-Eingangswellenform WS2 erzeugt wird.
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Das Messen einer GS-Vorspannung bedeutet normalerweise, dass eine Schaltung oder andere Computermittel verwendet werden, um die WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 oder eine gleichgerichtete Version davon zu empfangen, wobei die Schaltung eine GS-Vorspannung bereitstellt, um den ersten und zweiten Schalter S1, S2 als Reaktion auf das Vorhandensein oder Fehlen der WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 zu steuern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können ein Optokoppler oder eine ähnliche Trenneinheit verwendet werden, um eine gleichgerichtete WS-Eingangswellenform zu empfangen, wobei die gleichgerichtete Wellenform den Optokoppler veranlasst, ein GS-Signal zu einem oder mehreren Logikschaltern weiterzuleiten, die den Betrieb der Stromversorgungsschalter S1, S2 steuern. Ein Optokoppler ist eine Einheit, bei der ein kurzer optischer Übertragungspfad verwendet wird, um ein elektrisches Signal zwischen Elementen einer Schaltung zu übertragen und gleichzeitig die Signale elektronisch voneinander getrennt zu halten. Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Transformator verwendet, um die Trennung wie bei einer Trenneinheit vorzunehmen. Der Fachmann kennt weitere Trenneinheiten und Trennschaltungen.
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Bei einer Ausführungsform kann das erste Eingangsmodul 302 einen ersten Leistungsgleichrichter enthalten, der die erste WS-Eingangswellenform WS1 gleichrichtet, und das zweite Eingangsmodul 304 kann einen zweiten Leistungsgleichrichter enthalten, der die zweite WS-Eingangswellenform WS2 gleichrichtet, sodass eine gleichgerichtete Wellenform am gemeinsamen Knoten WS3 und am Ausgangsknoten WS4 bereitgestellt wird. Bei den Leistungsgleichrichtern handelt es sich vorzugsweise um Vollwellengleichrichter, aber bei manchen Ausführungsformen können auch Halbwellengleichrichter in Betracht gezogen werden. Bei einem im vorliegenden Dokument verwendeten „gemeinsamen Knoten” handelt es sich um einen Knoten, der den Ausgang des ersten Schalters S1 mit dem Ausgang des zweiten Schalters S2 verbindet. Der Ausgangsknoten WS4 ist der Knoten, der die Ausgangswellenform der WS-Redundanzvorrichtung 208 bereitstellt. Bei der Ausführungsform, bei der das erste und zweite Eingangsmodul 302, 304 jeweils einen Leistungsgleichrichter enthält, kann der gemeinsame Knoten WS3 direkt mit dem Ausgangsknoten WS4 verbunden sein, oder der gemeinsame Knoten WS3 kann dem Ausgangsknoten WS4 eine gleichgerichtete WS-Wellenform bereitstellen. Wie nachfolgend erörtert können jedoch weitere Stromumwandlungen, z. B. die Gleichrichtung, zwischen dem gemeinsamen Knoten WS3 und dem Ausgangsknoten WS4 stattfinden.
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Die gleichgerichteten WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 werden nicht nur als Ausgangswellenform bereitgestellt, sondern können auch zur Erzeugung einer Gleichspannungsquelle verwendet werden, um die Logikschaltung des Schaltlogikmoduls 306 mit Strom zu versorgen, und eine GS-Komponente der gleichgerichteten WS-Eingangswellenformen kann verwendet werden, um das Vorhandensein der ersten und zweiten WS-Eingangswellenform WS1, WS2 zu ermitteln. Beispielsweise kann das erste Eingangsmodul 302 einen Ausgang des ersten Leistungsgleichrichters messen bzw. nutzen, um eine erste GS-Vorspannung zu erzeugen, und das zweite Eingangsmodul 304 kann einen Ausgang des zweiten Leistungsgleichrichters messen, um eine zweite GS-Vorspannung zu erzeugen. Die erste und zweite GS-Vorspannung kann dann verwendet werden, um den Stromversorgungsschaltern S1, S2 Steuersignale bereitzustellen, sodass dem Ausgangsknoten WS4 selektiv eine Wellenform bereitgestellt wird.
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Bei einer Ausführungsform misst das erste Eingangsmodul 302 die erste WS-Eingangswellenform WS1, sofern vorhanden, und wandelt die erste WS-Eingangswellenform WS1 in eine erste GS-Vorspannung um. Ebenso misst das zweite Eingangsmodul 304 die zweite WS-Eingangswellenform WS2, sofern vorhanden, und wandelt die zweite WS-Eingangswellenform WS2 in eine zweite GS-Vorspannung um. Die Erzeugung der GS-Vorspannungen beinhaltet normalerweise die Gleichrichtung und in einigen Fällen das Glätten der gleichgerichteten Wellenform.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine gleichgerichtete WS-Wellenform, die von der ersten WS-Eingangswellenform WS1 abgeleitet wird, an einen ersten Optokoppler angelegt werden, um dem Schaltlogikmodul 306 eine erste GS-Vorspannung bereitzustellen, und eine gleichgerichtete WS-Wellenform, die von der zweiten WS-Eingangswellenform WS1 abgeleitet wird, kann an einen zweiten Optokoppler angelegt werden, um dem Schaltmodul 304 eine zweite GS-Vorspannung bereitzustellen.
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In einigen Fällen können, wie oben angemerkt, weitere Operationen, z. B. die Gleichrichtung, zwischen dem gemeinsamen Knoten WS3 und dem Ausgangsknoten WS4 durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein Leistungsgleichrichter zwischen dem gemeinsamen Knoten WS3 und dem Ausgangsknoten WS4 angeschlossen sein, sodass je nach gewählter WS-Eingangswellenform die erste WS-Eingangswellenform WS1 oder die zweite WS-Eingangswellenform WS2 an den gemeinsamen Knoten WS3 angelegt wird. Anschließend kann das Signal gleichgerichtet und zum Ausgangsknoten WS4 geleitet werden, sodass der Ausgang des Leistungsgleichrichters eine gleichgerichtete WS-Wellenform beinhaltet. Bei einer derartigen Ausführungsform kann nach wie vor eine weitere, aus der ersten und zweiten WS-Wellenform WS1, WS2 abgeleitete gleichgerichtete Wellenform genutzt werden, um die erste und zweite GS-Vorspannung zu erzeugen und das Schaltlogikmodul 304 mit Strom zu versorgen, obwohl die nicht gleichgerichteten WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 über die Stromversorgungsschalter S1, S2 zum gemeinsamen Knoten WS3 geleitet werden können. Beispielsweise kann die erste und zweite WS-Eingangswellenform WS1, WS2 bis zum ersten bzw. zweiten Schalter S1, S2 gelangen, aber die Messschaltung im ersten und zweiten Eingangsmodul 302, 304 kann die erste und zweite WS-Eingangswellenform WS1, WS2 messen und gleichrichten, und die Messschaltung kann eine erste und eine zweite GS-Vorspannung erzeugen.
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Das Schaltlogikmodul 306 steuert den Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters S1, S2, um festzulegen, welche Wellenform WS1, WS2 oder davon abgeleitete Version dem gemeinsamen Knoten WS3, bereitgestellt wird. Im Betriebszustand hält das Schaltlogikmodul 306 als Reaktion auf das Vorhandensein der ersten GS-Vorspannung und das Nichtvorhandensein der zweiten GS-Vorspannung den ersten Schalter S1 in einer geschlossenen Stellung und den zweiten Schalter S2 in einer geöffneten Stellung. Das Vorhandensein der ersten GS-Vorspannung zeigt das Vorhandensein der ersten WS-Eingangswellenform WS1 am ersten Eingangsmodul 304 an, und das Vorhandensein der zweiten GS-Vorspannung zeigt das Vorhandensein der zweiten WS-Eingangswellenform WS2 am zweiten Eingangsmodul 304 an. Das Schließen des ersten Schalters S1 und das Öffnen des zweiten Schalters S2 führt dazu, dass der am ersten Eingangsmodul 302 vorhandene Wechselstrom vom ersten Eingangsmodul 302 zum gemeinsamen Knoten WS3 gelangt. Daher wird die erste WS-Eingangswellenform WS1 zur Verwendung durch das Netzteil 202, 204 ausgewählt, wenn nur diese Wellenform vorhanden ist.
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Als Nächstes hält das Schaltlogikmodul 306 als Reaktion auf das Vorhandensein der ersten GS-Vorspannung und das Vorhandensein der zweiten GS-Vorspannung den ersten Schalter S2 in einer geschlossenen Stellung und den zweiten Schalter S2 in einer geöffneten Stellung. Dies führt wiederum dazu, dass der am ersten Eingangsmodul 302 vorhandene Wechselstrom WS1 vom ersten Eingangsmodul 302 zum gemeinsamen Knoten 304 gelangt und verhindert, dass der am zweiten Eingangsmodul 304 vorhandene Wechselstrom WS2 zum gemeinsamen Knoten WS3 gelangt, obwohl beide WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 vorhanden sind. Daher wird die erste WS-Eingangswellenform WS1 zur Verwendung durch das Netzteil 202, 204 ausgewählt, wenn beide WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 vorhanden sind.
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Schließlich hält das Schaltlogikmodul 306 als Reaktion auf das Nichtvorhandensein der ersten GS-Vorspannung und das Vorhandensein der zweiten GS-Vorspannung den ersten Schalter S1 in einer geöffneten Stellung und den zweiten Schalter S2 in einer geschlossenen Stellung. Das führt dazu, dass der am zweiten Eingangsmodul 304 vorhandene Wechselstrom vom zweiten Eingangsmodul 304 zum gemeinsamen Knoten WS3 gelangt. Daher wird die zweite WS-Eingangswellenform WS2 zur Verwendung durch das Netzteil 202, 204 ausgewählt, wenn die erste WS-Eingangswellenform WS1 nicht vorhanden ist. Auf diese Weise betätigt das Schaltlogikmodul 306 anhand des Vorhandenseins der ersten und zweiten WS-Eingangswellenform WS1, WS2 die Schalter S1, S2, um Strom von einer ersten oder zweiten Quelle auszuwählen. Dadurch wird WS-Redundanz bereitgestellt und gleichzeitig der Wirkungsgrad des Systems 200 erhöht.
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Bei einer Ausführungsform ermitteln das erste und zweite Eingangsmodul 302, 304, ob die erste und zweite WS-Eingangswellenform vorhanden sind, indem sie ermitteln, ob eine Wechselspannung höher als ein Schwellenwert ist. Beispielsweise kann das erste Eingangsmodul 302 ermitteln, ob die erste WS-Eingangswellenform vorhanden ist, wenn sie über 70 Volt liegt. Bei einer Ausführungsform kann eine WS-Eingangswellenform unter einem Schwellenwert liegen, sodass die Steuerschaltung in den Eingangsmodulen 302, 304 und/oder das Schaltlogikmodul 306 nicht funktionieren können, keinen Schalter schließen können usw. Bei einer anderen Ausführungsform können Stromkreise in den Eingangsmodulen 302, 304 und/oder im Schaltlogikmodul 306 abschalten, ein Signal auf Low-Pegel ziehen usw., wenn eine WS-Eingangswellenform unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegt. Fachleuten ist klar, dass es noch andere Möglichkeiten gibt, um festzustellen, ob eine WS-Eingangswellenform WS1, WS2 vorhanden ist oder nicht, wenn sie nur teilweise vorhanden ist.
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4 ist ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer detaillierten Ausführungsform eines Netzteils 402 mit redundanten WS-Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der dargestellten Ausführungsform sind das erste Eingangsmodul 302, das zweite Eingangsmodul 304 und das Schaltlogikmodul 306 im abgebildeten Schaltungsaufbau realisiert. Beispielsweise können das erste und zweite Eingangsmodul 302, 304, einen Verbinder (nicht dargestellt), einen ersten Leistungsgleichrichter 404, einen zweiten Leistungsgleichrichter 406, Widerstände R1, R3 sowie einen ersten und zweiten Optokoppler U1, U2 enthalten. Der erste Leistungsgleichrichter 404 ist mit einem ersten Relais K1 verbunden, das mit dem gemeinsamen Knoten WS3 verbunden ist. Der zweite Leistungsgleichrichter 406 ist mit einem zweiten Relais K2 verbunden, das mit dem gemeinsamen Knoten WS3 verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der gemeinsame Knoten WS3 mit dem Ausgangsknoten WS4 verbunden, der mit den Netzteilstufen 210 verbunden ist, die eine geregelte Gleichspannung Vaus abgeben. Das Schaltlogikmodul 306 kann Widerstände R2, R4 und Logikschalter Q1, Q2, Q3 enthalten. Die +12-Volt-Gleichspannung wird vorzugsweise von einer oder beiden WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 abgeleitet. Die Logikschalter Q1, Q2, Q3 sind vorzugsweise MOSFETs.
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Im Betriebszustand erhält das Netzteil 402 die erste und zweite WS-Eingangswellenform WS1, WS2, als Eingänge. Die erste und zweite WS-Eingangswellenform WS1, WS2 werden durch den ersten und zweiten Leistungsgleichrichter 404 bzw. 406 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete erste WS-Eingangswellenform wird zum ersten Relais K1 geleitet. Wenn das erste Relais K1 geschlossen ist, gelangt die gleichgerichtete erste WS-Eingangswellenform durch das erste Relais K1 zum gemeinsamen Knoten WS3. Die gleichgerichtete zweite WS-Eingangswellenform wird zum zweiten Relais K2 geleitet. Wenn das zweite Relais K2 geschlossen ist, gelangt die gleichgerichtete zweite WS-Eingangswellenform durch das zweite Relais K2 zum gemeinsamen Knoten WS3. Die gleichgerichtete erste WS-Eingangswellenform wird im Widerstand R1 gemessen und zum Eingang des ersten Optokopplers U1 geleitet. Eine erste GS-Vorspannung GS1 ist am Ausgang des ersten Optokopplers U1 vorhanden, wenn die erste WS-Eingangswellenform WS1 vorhanden ist. Die gleichgerichtete zweite WS-Eingangswellenform wird im Widerstand R3 gemessen und zum Eingang des zweiten Optokopplers U2 geleitet. Eine zweite GS-Vorspannung GS2 ist am Ausgang des zweiten Optokopplers U2 vorhanden, wenn die zweite WS-Eingangswellenform WS2 vorhanden ist. Je nachdem, ob die gleichgerichteten Wellenformen vorhanden sind, bewirken die Optokoppler U1, U2, dass eine GS-Vorspannung GS1, GS2 an den Eingang eines oder mehrerer des ersten, zweiten und dritten Logikschalters Q1, Q2, Q3 angelegt wird.
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Eine Spule des ersten Relais K1 ist so mit der +12-Volt-Gleichstromquelle und mit dem ersten Logikschalter Q1 verbunden, dass das Schließen des ersten Logikschalters Q1 das erste Relais K1 schließt. Ebenso ist eine Spule des zweiten Relais K2 so mit der +12-Volt-Gleichstromquelle und mit dem zweiten Logikschalter Q2 verbunden, dass das Schließen des zweiten Logikschalters Q2 das zweite Relais K2 schließt. Bei den Relais K1, K2 handelt es sich vorzugsweise um elektromagnetische Relais, die als Reaktion auf einen durch eine Spule der Relais K1, K2 fließenden Strom öffnen und schließen. Der dritte Logikschalter Q3 ist mit einem Treibereingang des zweiten logischen Schalters Q2 so verbunden, dass das Schließen des dritten Logikschalters Q3 den Treibereingang (d. h. das Gate) des zweiten Logikschalters Q2 auf Masse zieht, wodurch verhindert wird, dass der zweite Logikschalter Q2 schließt, selbst wenn die zweite WS-Eingangswellenform WS2 vorhanden ist. Zu beachten ist, dass die Schalter Q1, Q2 und Q3 als MOSFETs dargestellt sind, es sich hierbei aber um andere Arten von Schaltern oder Halbleiterschaltern handeln kann.
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Daher schließt der erste Logikschalter Q1 als Reaktion auf das Vorhandensein der ersten GS-Vorspannung GS1 vom ersten Optokoppler U1, und der erste Logikschalter Q1 öffnet als Reaktion auf das Fehlen der ersten GS-Vorspannung GS1 vom ersten Optokoppler U1. Der zweite Logikschalter Q2 schließt als Reaktion darauf, dass die vom zweiten Optokoppler U2 kommende zweite GS-Vorspannung GS2 vorhanden ist und die vom ersten Optokoppler U1 kommende erste GS-Vorspannung GS1 an einem Treibereingang des dritten Logikschalters Q3 fehlt. Der zweite Logikschalter Q2 öffnet als Reaktion darauf, dass die vom ersten Optokoppler U1 kommende, an einen Treibereingang des dritten Logikschalters Q3 angelegte erste GS-Vorspannung GS1 vorhanden ist (wobei der dritte Logikschalter schließt und das Schließen des zweiten Logikschalters verhindert), oder aber der zweite Logikschalter Q2 öffnet als Reaktion darauf, dass die vom zweiten Optokoppler U2 kommende zweite GS-Vorspannung GS2 fehlt. Auf diese Weise wird die erste WS-Wellenform WS1 oder die zweite WS-Wellenform WS2 zur Verwendung durch das Netzteil 402 ausgewählt, und eine gleichgerichtete Ableitung der ausgewählten Wellenform wird zu den weiteren Stufen des Netzteils 210 geleitet.
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5 ist ein schematisches Blockschaltbild mit der Darstellung einer weiteren detaillierten Ausführungsform eines Netzteils 502 mit redundanten WS-Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Ausführungsform ähnelt der in 4 dargestellten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass die WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 ohne Gleichrichtung direkt dem ersten und zweiten Relais K1, K2 bereitgestellt werden. Stattdessen sind ein erster und zweiter Gleichrichter 504, 506 im Optokopplerzweig vorgesehen. Daher wird die ausgewählte erste oder zweite WS-Eingangswellenform WS1, WS2 in nicht gleichgerichteter Form durch das entsprechende erste oder zweite Relais K1, K2 geleitet.
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Bei einer Ausführungsform kann ein zusätzlicher Gleichrichter 508 zwischen dem gemeinsamen Knoten WS3 und dem Ausgangsknoten WS4 vorgesehen sein, sodass den zusätzlichen Netzteilstufen 210 eine gleichgerichtete Wellenform bereitgestellt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Gleichrichter 508 zwischen dem gemeinsamen Knoten WS3 und dem Ausgangsknoten WS4 weggelassen sein, sodass die nicht gleichgerichtete WS-Eingangswellenform WS1, WS2 direkt zu den Netzteilstufen 210 geleitet wird. In einigen Fällen kann die Gleichrichtung der WS-Eingangswellenform WS1, WS2 in den zusätzlichen Netzteilstufen 210 stattfinden, oder wenn eine Gleichrichtung nicht erforderlich ist.
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Bei einer Ausführungsform sind der erste und zweite Gleichrichter 504, 506 Vollwellengleichrichter. Bei einer anderen Ausführungsform sind der erste und zweite Gleichrichter 504, 506 Halbwellengleichrichter. Bei weiteren Ausführungsformen können der erste und zweite Gleichrichter 504, 506 die Widerstände R1, R3 und die Eingangsstufen des ersten und zweiten Optokopplers U1, U2 sein, wobei sich bei den Optokopplern U1, U2 als Eingang eine Diodenfunktion befindet. Für den Fachmann ist klar, dass es andere Möglichkeiten zur Messung von Gleichstrom oder Gleichspannung und zur Ableitung eines GS-Vorspannungssignals aus der Gleichspannung bzw. aus dem Gleichstrom gibt. Die Erfindung schließt beliebige erste oder zweite Eingangsmodule 302, 304 ein, die eine WS-Wellenform messen und bei Vorhandensein der WS-Wellenform ein GS-Vorspannungssignal bereitstellen.
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Bei den in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsformen sind die Stromkreise normalerweise so ausgelegt, dass sie vollwellengleichgerichtete WS-Wellenformen oder halbwellengleichgerichtete WS-Wellenformen messen und nicht auf eine WS-Wellenform reagieren, die sich zwischen einer Spitzenspannung und einer Nullspannung ändert. Beispielsweise sind die Zeitkonstanten in den Eingangsmodulen 302, 304 und im Schaltmodul 306 normalerweise lang genug, um das erste und zweite Relais U1, U2 bei Schwankungen der Periode der WS-Wellenform in einer gewünschten Stellung zu halten. Bei einer Ausführungsform für ein 60-Hz-System können die Eingangsmodule 302, 304 und/oder das Schaltlogikmodul 306 Zeitkonstanten haben, die mindestens 2 Perioden bzw. ca. 33 Millisekunden lang sind. Dem Fachmann ist klar, wie er das unerwünschte Schalten des ersten und zweiten Schalters K1, K2 verhindert.
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6 ist ein schematischer Ablaufplan mit der Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens 600 zur Bereitstellung redundanter WS-Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 600 kann sich von der abgebildeten Ausführungsform dadurch unterscheiden, dass es zusätzliche Schritte enthält oder die Schritte in anderer Reihenfolge angeordnet sind, um die oben unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen zu beinhalten.
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Das Verfahren 600 beginnt, und das erste Eingangsmodul ermittelt 602, ob die erste WS-Eingangswellenform WS1 vorhanden ist, indem es eine erste GS-Vorspannung GS1 misst, die aus der ersten WS-Eingangswellenform WS1 erzeugt wird. Normalerweise wird dies erreicht, indem eine gleichgerichtete Form der ersten WS-Eingangswellenform WS1 an einen Optokoppler angelegt wird, um einem oder mehreren Logikschaltern Q1, Q2, Q3 ein Steuersignal bereitzustellen.
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Als Nächstes ermittelt in 604 das zweite Eingangsmodul 304, ob die zweite WS-Eingangswellenform WS2 vorhanden ist, indem es eine zweite GS-Vorspannung misst, die aus der zweiten WS-Eingangswellenform WS2 erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform werden die erste und zweite WS-Eingangswellenform WS1, WS2 durch einen ersten und zweiten Leistungsgleichrichter 404, 406 gleichgerichtet 606, und eine erste und zweite GS-Vorspannung GS1, GS2 wird aus den gleichgerichteten Wellenformen erzeugt 608. Bei einer weiteren Ausführungsform werden die erste und zweite WS-Eingangswellenform WS1, WS2 durch einen ersten und zweiten Gleichrichter 504, 506 gleichgerichtet 606, und eine erste und zweite GS-Vorspannung GS1, GS2 wird aus den gleichgerichteten Wellenformen erzeugt 608, während eine der ersten oder zweiten WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 zu einem Leistungsgleichrichter 508 zwischen dem gemeinsamen Knoten WS3 und dem Ausgangsknoten WS4 geleitet wird.
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Ein erster Schalter K1 und ein zweiter Schalter K2 werden durch ein Schaltlogikmodul 306 gesteuert 610 bis 620, um eine der WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 oder eine Ableitung davon zur Weiterleitung zu einem Ausgangsknoten WS4 auszuwählen. Der erste Schalter K1 verbindet einen gemeinsamen Knoten WS3 mit der ersten WS-Eingangswellenform WS1, und der zweite Schalter verbindet den gemeinsamen Knoten WS3 mit der zweiten WS-Eingangswellenform WS2. Die Schalter K1 und K2 werden anhand der Feststellung des Vorhandenseins der ersten und zweiten WS-Eingangswellenformen WS1, WS2 gesteuert.
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Das Schaltlogikmodul 306 ermittelt in 610, ob die erste WS-Eingangswellenform vorhanden ist, und es ermittelt 612, 616, ob die zweite WS-Eingangswellenform WS2 vorhanden ist. Wenn das Schaltlogikmodul 306 feststellt 610, dass die erste WS-Eingangswellenform WS1 vorhanden ist, hält 614 das Schaltlogikmodul 306 unabhängig davon, ob die zweite WS-Eingangswellenform WS2 in 612, 616 als vorhanden ermittelt wird oder nicht, den ersten Schalter K1 in einer geschlossenen Stellung und den zweiten Schalter in einer geöffneten Stellung. Daher wird Strom aus der ersten WS-Eingangswellenform zum Ausgangsknoten WS4 geleitet.
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Wenn das Schaltlogikmodul 306 feststellt 610, dass die erste WS-Eingangswellenform WS1 nicht vorhanden ist, und das Schaltlogikmodul 306 feststellt 616, dass die zweite WS-Eingangswellenform WS2 vorhanden ist, hält 618 das Schaltlogikmodul 306 den ersten Schalter K1 in einer geöffneten Stellung und den zweiten Schalter K2 in einer geschlossenen Stellung. Daher wird Strom aus der zweiten WS-Eingangswellenform WS2 zum Ausgangsknoten WS4 geleitet.
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Wenn das Schaltlogikmodul 306 feststellt 610, dass die erste WS-Eingangswellenform WS1 nicht vorhanden ist, und das Schaltlogikmodul 306 feststellt 616, dass die zweite WS-Eingangswellenform WS2 auch nicht vorhanden ist, hält 620 das Schaltlogikmodul 306 bei einer Ausführungsform den ersten Schalter K1 in einer geöffneten Stellung und den zweiten Schalter K2 in einer geöffneten Stellung 620, und dem Netzteil 402 steht kein Wechselstrom zur Verfügung.
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Die beschriebenen Ausführungsformen sind in dieser Hinsicht lediglich als beschreibend und nicht als einschränkend zu verstehen. Der Geltungsbereich der Erfindung wird daher durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die sich aus der Bedeutung und dem Umfang der Gleichwertigkeit der Ansprüche ergeben, sind als in ihren Geltungsbereich fallend anzusehen.
