DE2031744A1

DE2031744A1 - Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Speisung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie

Info

Publication number: DE2031744A1
Application number: DE19702031744
Authority: DE
Inventors: Alvin Murray San Jose Calif. Patlach (V.St.A.). P
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-06-30
Filing date: 1970-06-26
Publication date: 1971-01-28
Also published as: US3609386A; DE2031744B2; FR2052394A5; CH513542A; GB1272927A; JPS50500B1; CA922786A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maidiinen GaelUthaft mbH

Böblingen, 24. Juni 1970 ar-hl

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk/.N. Y. 10 504

Amtl. Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelder in:

Docket YO 9-68-085

Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Speisung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Speisung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie umfassend einen Netzteilblock, der in der Regel den Verbraucher mit einer vorgegebenen Speisespannung versorgt, und einer im Störungsfalle als Hilfsspannungsquelle dienenden Batterie, deren Spannung der vorgegebenen Speisespannung (E,) in vorgegebenen Grenzen gleich ist und die mit einem Pol mit einem Anschluß des Verbrauchers verbunden ist.

In der Technik gibt es Situationen, in denen der Betrieb bestimmter Geräte oder Anlagen unter keinen Umständen unterbrochen werden darf. Dies gilt unter anderem beispielsweise für Speicher von Elektronenrechnern. Eine Stromunterbrechung hätte möglicherweise den Verlust des gesamten Speicherinhaltes zur Folge. In solchen Anlagen sind deshalb Einrichtungen notwendig, welche die Fortführung des Betriebes sicherstellen trotz Schwankungen der Versorgungsspannung oder totalem Stromausfall.

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Im Laufe der Zeit sind viele solche Einrichtungen und Schaltungen bekannt geworden. Erwünschte Eigenschaften sind Einfachheit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit. Sind in der Einrichtung Batterien als Hilfstromquellen vorgesehen, so muß auch an das Wiederaufladen derselben gedacht werden. Die Verwendung gewöhnlicher elektrischer Schalter in Reihe mit einem Verbraucher und einer Stromquelle fällt wegen der meist großen zu schaltenden Ströme sowie wegen zu langer Schaltzeit außer Betracht.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Speisung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie zu schaffen, welche die vorgenannten Bedingungen erfüllt und die auch nachträglich noch an vorhandene Stromversorgungsanlagen von Datenverarbeitungsgeräten, Steuerungs- oder Regelanlagen oder Sicherheitsschaltungen usw. angebaut werden kann.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Schaltungsanordnung erste Schaltmittel vorgesehen sind, die mit dem anderen Pol der Batterie und. dem zweiten Anschluß des Verbrauchers verbunden sind zwecks Trennung derselben voneinander, wenn der Netzteilblock den Verbraucher speist, daß zum Erfassen der Schwankungen der vom Netzteilblock gelieferten Speisespannung mit dem Netzteilblock, der Batterie, und den ersten Schaltmitteln steuerbar verbundene Abfühlmittel vorgesehen sind, daß diese Abfühlmittel zweite Schaltmittel steuern, die mit den ersten Schaltmitteln verbunden sind, und daß die ersten Schaltmittel die Batterie an den Verbraucher schalten, wenn die vom Netzteilblock gelieferte Spannung unter den vorgegebenen Wert fällt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in der Lage_s alle die verschiedenen Bedingungen zu erfüllen, und kann zudem in einfachster Weise bestehenden Stromversorgungsanlagen beigefügt werden. Sie ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnung näher erläutert.

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Die Zeichnung zeigt ein Schaltschema, teils in Blockform, teils in detaillierter Aufzeichnung, der Anordnung zum Anschließen einer Hilfs speise quelle 4 an einen Verbraucher 7, wenn die Leistung der üblichen Stromversorgungsquelle ausfällt, die meistens das Drehstrom- oder Wechselstromnetz ist aber auch eine Gleichstromverteilungsanlage sein kann; oder wenn diese Stromversorgungsquelle Spannungseinbrüche oder starke unzulässige Schwankungen zeigt, welche diesen Verbraucher 7 in seinem Betrieb stören. Der Verbraucher 7 kann beispielsweise der Speicher eines Elektronenrechners oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Schaltungsanordnung 1 besitzt zwei Anschlußleitungen 8 und 9 und umfaßt eine Batterie 10, eine ™ Abfühlschaltung und erste und zweite Schaltmittel, welche die Batterie 10 an den Verbraucher 7 schalten können.

Gemäß der gezeigten Figur umfaßt die Stromversorgungsanlage 1 ein Netzteil 2, das Gleichrichter und Filter enthält, einen Spannungsregler 3 und eine Hufsspeisequelle 4, die im Schaltbild gestrichelt umrandet ist. Der Netzteil-Block 2 mit dem Gleichrichter und Filter wird wie üblich aus dem Wechselstromnetz gespeist, was am Eingang durch ein entsprechendes Wechselstromsymbol angedeutet ist. Am Ausgang des Netzteils 2 erscheint über den Anschlußklemmen 5 und 6 die benötigte Gleichspannung als Speisespannung E . An die Art des Netzteiles 2 sind keinerlei Bedingungen ^

gebunden. Es kann beliebig, in jeder üblichen und bekannten Art gewählt werden. So kann der Gleichrichter im Netzteil 2 eine einfache Zweiweg-Brückenschaltung sein, die an einen elektrolytischen Ladekondensator angeschlossen ist, der seinerseits gleichzeitig ein Teil des Filters ist. Der Ausgang des Netzteil-Blocks 2 ist,wie bereits erwähnt wurde, mit dem Spannungsregler 3 verbunden, der eine konstante Gleichspannung an den Verbraucher 7 abgibt, der hier lediglich als Widerstand dargestellt ist. Auch die Reglerschaltung 3 kann beliebig und bekannt sein.

Der Block 4, der als Hilfsspeisequelle dient, ist über die Leitungen 8 und 9 an die Klemmen 5 bzw. 6 angeschlossen. Wenn der Eingangswechsel-

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strom ausfällt oder schwankt, oder wenn die Gleichspannung E₁ aus irgendeinem Grund unter den Wert der Gleichspannung E einer als Hilfsspeisequelle dienenden Batterie 10 fällt, dann liefert diese Batterie 10 der Hilfsspeisequelle die nötige Energie, damit der Spannungsregler 3 ohne Unterbrechung weiterarbeiten kann.

Die gesamte Hilfsspeisequelle in Block 4 besteht aus der aufladbaren Batterie 10, einem sättigbaren Schalttransistor 11 als erste Schaltmittel, einem Abfühltransistor 12, einem gesteuerten Silizium-Gleichrichter 13 als zweite Schaltmittel, der auf Spannungsänderungen des Abfühltransistors 12 anspricht, so daß die Batterie 10 an die Klemmen 5 und 6 geschlossen wird, ohne daß der Verbraucher 7 einer SpannungsSchwankung ausgesetzt wird.

Der negative Pol der Batterie 10 ist über die Leitung 9 mit der Anschlußklemme 6 verbunden. Der positive Pol der Batterie 10 liegt am Emitter des sättigbaren Schalttransistors 11, welcher in der gezeigten Schaltung vom PNP-Typ ist. Der Kollektor des Schalttransistors 11 ist über die Leitung 8 an die Klemme 5 gelegt und gleichzeitig über einen normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 14 mit der Basis des Abfühltransistors 12 verbunden. Auch dieser ist in der abgebildeten Schaltung vom PNP-Typ. Der Emitter des Abfühltransistors 12 steht in direkter Verbindung mit jenem des Transistors 11. Die Basis des Schalttransistors 11 ist nun über einen Widerstand 15 an den Emitter desselben gelegt, worüber noch folgendes zu sagen ist. Die Basis des Schalttransistors 11 liegt auch am gesteuerten Silizium-Gleichrichter 13, dessen anderer Anschluß über einen Widerstand 16 und einen normalerweise ebenfalls geschlossenen Schaltkontakt 17 mit dem negativen Pol der Batterie 10 verbunden ist. Die Steuerelektrode des Silizium-Gleichrichters ist an einen Widerstand 18 und dessen anderes Ende an den Kollektor des Abfühltransistors 12 geschlossen.

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Wenn nun der Netzteil 2 eine Speisespannung E₁ an die Anschlußklemmen 5 und 6 liefert, dann steht der positive Anschluß 5 über Leitung 8 und Schaltkontakt 14 auch mit der Basis des Abfühltransistors 12 in Verbindung. Dessen Emitter liegt aber über Leitung 19 am positiven Pol der Batterie 10. Die Spannung E der letzteren wird unter normalen Bedingungen kleiner

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oder gleich E. gewählt. Unter diesen umständen ist der Abfühltransistor 12 gesperrt, denn seine Basis ist positiver als der Emitter, so daß kein Kollektor strom fließen kann. Fällt jedoch die vom Netzteilblock 2 gelieferte Spannung aus irgendeinem Grunde unter den Wert der Spannung E₀, auf welchem der Emitter des Abfühltransistors 12 von der Batterie 10 über die Leitung 19 gehalten ist, dann ist der Emitter des Abfühltransistors 12 positiver als die Basis und der Abfühltransistor 12 führt Strom. Dieser Kollektorstrom wird durch Widerstand 18 auf einen erwünschten Wert begrenzt und fließt zur Steuerelektrode 20 des Si-Gleichrichters 13. Dieser Steuerstrom schaltet den Si-Gleichrichter 13 ein, wodurch ein geschlossener Strompfad von der Basis des Schalttransistors 11 zum negativen Pol der Batterie 10 über den Widerstand 16 und den normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 17 geschaffen wird. Der Wert des Widerstandes 16 ist derart gewählt, daß der Gleichrichterstrom begrenzt ist, jedoch im Schalttransistor 11 Sättigung hervorruft und dennoch übermässigen Leistungsverlust und Erhitzung vermeidet.

Sobald der Si-Gleichrichter 13 Strom führt, wird der Emitter des Schalttransistors 11, welcher direkt mit dem positiven Pol der Batterie 10 verbunden ist, sehr viel positiver als die Basis, die über den Si-Gleichrichter 13 und Widerstand 16 mit dem negativen Pol derselben Batterie 10 in Verbindung steht. Der Sättigungsstrom, der durch den Schalttransistor '1 fließt/ entspricht im wesentlichen einem Kurzschluß auf dieser Strecke, unter diesen Umständen wird der positive Pol der Eiatterie 10 über den gesättigten. Schalttransistor IL und Leitung ö wirksam.an die KLemmu F> geschlossen, Der negative IlatteriepoL liegt ja bereit,¹· Iibcv Lüiturtg f) an der ÄnsehluöHklemmH 6.
Jockei YO.Ό-βΒ-Οβδ 009005/1493 . BAD ORIGINAL

Wenn nun aber die Speisespannung E erneut vom Netzteilblock 2 geliefert wird, oder wenn die Hilfsspeisequelle 4 abgeschaltet werden soll, dann werden die normalerweise geschlossenen Schalter 14 und 17 geöffnet. Dadurch wird die Spannung von der Basis des Abfühltransistors 12 weggenommen, dieser schaltet aus und unterbricht gleichzeitig den Pfad, über welchen der Sättigungsstrom des Schalttransistors 11 floß. Der Schaltkontakt 17 führt nur den Basisstrom des Schalttransistors 11 und könnte je nach den an die Anordnung gestellten Anforderungen durch weitere Verstärkerstufen so abgeschirmt werden, daß er noch geringere Stromwerte schaltet. Schalter 14, der übrigens mit Schalter 17 gekoppelt werden kann, unterbricht also den Leitungsweg von der Batterie 10 zum Verbraucher 7, wenn die Hilfsspeisequelle 4 abgeschaltet wird.

Bisher ist der Widerstand 15 nicht erwähnt worden, der zwischen Basis und Emitter des Schalttransistors 11 liegt. Durch das Vorhandensein des Widerstandes 15 werden zusätzlich folgende Betriebsbedingungen geschaffen. Wenn die Speisespannung E₁ aus dem Netzteilblock 2 die Spannung der Batterie 10 um 1 Volt oder mehr übersteigt, dann wirkt der Schalttransistor 11 wie ein PNP-Halbleiter nach der verkehrten Richtung. Wegen des Widerstandes 15 wird jetzt die bisherige Kollektor-Basisstrecke zur neuen Emitter-Basisstrecke mit Vorspannung in Durchlaßrichtung. Von da an wirkt der Schalttransistor 11"als Konstantstromquelle, welche die Batterie 10 auflädt. Der Betrag des fließenden Aufladestromes hängt von der Verstärkung in der umgekehrten Richtung und vom Wert des Widerstandes 15 ab. Außerdem bewirkt der Widerstand 15 auch eine Verminderung des Kollektorstromes im Abschaltpunkt, wenn die gesamte Anordnung außer Betrieb gesetzt wird.

Aus dom Vorstehenden wird ersichtlich, daß diese Hilfseinrichtung 4 in der Lage bit, extrem rasch zu schalten. Das Abfühlen, sowie die Energiezufuhr erfolgt nur übet¹ zwei Anschludpunkte. 'Zudem wird die Batterie

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nachgeladen, wenn deren Spannung E unter jene des Netzteilblocks 2 fällt und schließlich sind Mittel vorgesehen, welche wirksam abschalten und so eine weit bessere Trennung der Batterie 10 im Vergleich zu einer solchen Schaltung bewirken, in der nur eine Diode zur Trenn-Isolierung der Batterie benützt wird.

Bezüglich der verwendeten Transistoren sei hier noch festgestellt, daß die PNP-Typen auch gegen NPN-Typen ausgewechselt werden können. Jedenfalls ändert sich praktisch nichts an der Funktion des Abfühltransistors 12 und der Funktion des Schalttransistors 11. Die nachfolgende Aufstellung gibt Aufsciiluß über Einzelteile und deren Werte, die mit Erfolg in einer Versuchsanordnung verwendet^swurden.

10 Batterie, SpannungsSollwert 10 Volt

11 Schalttransistor, Solitron DA3F3

12 Abfühltransistor, 2N3644

13 gesteuerter Si-Gleichrichter, GE C-15 '

15 Widerstand, 47 Ohm 1/2 Watt

16 Widerstand, 10 Ohm 20 Watt
18 Widerstand, 470 Ohm 1/2 Watt

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Claims

- 8 PATENTANSPRÜCHE

Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Speisung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie, umfassend einen Netzteilblock, der in der Regel den Verbraucher mit einer vorgegebenen Speisespannung versorgt und einer im Störungsfalle als HilfsSpannungsquelle dienenden Batterie, deren Spannung der vorgegebenen Speisespannung E in vorgegebenen Grenzen gleich ist und die mit einem Pol mit einem Anschluß des Verbrauchers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß erste Schaltmittel (11) vorgesehen sind, die mit dem anderen Pol der Batterie (10) und dem zweiten Anschluß (5) des Verbrauchers (7) verbunden sind z\secks Trennung derselben voneinander, wenn der Netzteilblock (2) den Verbraucher (7) speist, daß zum Erfassen der Schwankungen der vom Netzteilblock gelieferten Speisespannung (E.) mit dem Netzteilblock, der Batterie, und den ersten Schaltmitteln steuerbar verbundene Abfühlmittel (12) vorgesehen sind, daß diese Abfühlmittel zweite Schaltmittel (13) steuern, die mit den ersten Schaltmitteln verbunden sind, und daß die ersten Schaltmittel die Batterie an den Verbraucher schalten, wenn die vom Netzteilblock gelieferte Spannung unter den vorgegebenen Wert fällt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten Schaltmittel (11) wenigstens aus einem sättigbaren, elektronischen Schaltelement bestehen, das leitend ist, wenn das Netzteil (2) nicht die vorgegebene Spannung liefert.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühlmittel (12) aus einem bipolaren Transistor bestehen, dessen Emitter mit dem anderen Pol der Batterie (10) und dessen Basis mit dem Netzteil (2) verbunden ist und der nur leitend ist, wenn das Netzteil eine kleinere als die vorgegebene Speisespannung

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(E ) liefert.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 3,. dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltmittel (13) ein gesteuertes Gleichrichterelement sind, dessen Steuerelektrode (20) mit dem Kollektor des Abfühltransistors (12) in Verbindung steht und das gleichzeitig mit letzterem leitend oder nichtleitend ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch (J gekennzeichnet, daß das erste Schaltmittel (11) mit einem Widerstand

(15) verbunden und derart gepolt ist, daß ein Ladestrom in die Batterie (10) fließt, wenn die vom Netzteil (2) gelieferte Speisespannung (E ) die Batteriespannung (E₀) übersteigt. 1 ^
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltmittel (11) ein Transistor ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltmittel (11) mit der

Batterie (10), dem Verbraucher (3, 7) und dem Widerstand (15) %

derart verbunden ist, daß der Ladestrom wenigstens einen Teil des ersten Schaltmittels (11) durchfließt.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dei* vom Ladestrom durchflossene Teil des ersten Schaltmittels (11) ein in Durchlassrichtung vorgespannter PN-Übergang ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Schaltmittel (14, 17) vorgesehen und derart schaltbar sind, daß die elektrische Verbindung zwischen der

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Batterie (10) und dem Verbraucher (3, 7) abschaltbar ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Schaltmittel elektrische Schalter (14, 17) sind, von denen einer (14) in die Verbindung zwischen Netzteil (2) und Abfühlmittel (12) der andere jedoch in eine Verbindung zwischen der Batterie (10) und den zweiten Schaltmitteln (13) geschaltet ist, und daß die zweiten Schaltmittel in der Regel beide geschlossen sind.

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