DE2657167B2

DE2657167B2 - Schaltung zum selbsttätigen Umschalten der Stromversorgung einer Last von einer Primärstromquelle auf eine Sekundärstromquelle

Info

Publication number: DE2657167B2
Application number: DE2657167A
Authority: DE
Inventors: Charles E. Ladewood Coleman; Ronald O. Englewood Hammel
Original assignee: Gates Rubber Co
Current assignee: Gates Rubber Co
Priority date: 1976-01-05
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1980-05-08
Also published as: JPS5285341A; SE419593B; CA1093669A; GB1568408A; SE7613781L; DE2657167C3; BR7608714A; FR2337457A1; DE2657167A1; US4044268A; IT1064638B; FR2337457B3; BE850079A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum selbsttätigen Umschalten der Stromversorgung einer Last von einer Primärstromquelle auf eine Sekundärstromquelle, mit einer auf die Spannung der Primärstromquelle reagierenden Steuerschaltung, die bei Absinken der Spannung unter einen vorgegebenen Wert eine Schalteinrichtung betätigt und damit die Last an die Sekundärstromquelle anschließt, und mit einer auf die Spannung der Sekundärstromquelle reagierenden Abschaltvorrichtung, die bei Absinken dieser Spannung unter einen zulässigen Wert die Last von der Sekundärstromquelle abschaltet.

Bei einer bekannten Schaltung dieser Art (DE-OS 853) ist die Primärstromquelle über eine Hemmungsschaltung und einen Inverter an die Last angeschlossen. Reicht ihre Spannung aus, dann sind die in dem Inverter enthaltenen Transistoren gesperrt, so daß die Selbstschwingneigung des Inverters, der eine Oszillatorschaltung darstellt, unterdrückt wird. Die Spannung wird daher in diesem Zustand direkt von der Primiirstromquclle auf die Last übertragen. Bei einem Auslall der Primärstromquelle wird die Blokkierung des Inverters durch die Hemmungsschaltung aufgehoben. Der Inverter ist jetzt an die Batterie angeschlossen und bildet das Kopplungsgut zwischen der Ratteric und der Last. Wenn die Snannune an der Batterie den zulässigen Wert unterschreitet, tritt eine Ausrastschaltung in Funktion, die eine Beendigung der Funktion des Inverters bewirkt. Diese Schaltung arbeitet bei einem Ausfall der Primärstromquelle in-^Γ· terminierend. Dies bedeutet, daß zunächst die Batterie bis auf den zulässigen Wert entladen wird, um abgeschaltet zu werden, und daß nach Erholung der Batterie eine erneute Entladung erfolgt. Wenn die Primärstromquelle über längere Zeit nicht funktions-

lu fähig ist, erfolgt also in Intervallen ein dauerndes Erholen und Entladen der Batterie. Diese Betriebsart kann für Batterien, insbesondere für Bleibatterien, schädlich sein. Die bekannte Schaltung benötigt zur Erzielung der Abschaltfunktionen relativ viele unter-

i) schisdliche Baugruppen, die ihrerseits wieder viele Bauelemente enthalten.

Ferner ist eine Einrichtung zur Wechselstromspcisungeines Verbrauchers bekannt (DE-OS 2 250437), bei der ein normalerweise geschlossener Schalter ge-

.?(> öffnet wird, sobald die Spannung der Primärstromquelle unter den zulässigen Wert absinkt. Der Verbraucher wird dann direkt von der Sekundärstromquelle versorgt. Eine Überwachung der Spannung der Sekuiidärstromquelle findet nicht statt, so daß bei

_'■> Verwendung einer Batterie als Sekundärstromquelle eine Tiefentladung der Batterie erfolgen kann, die eine Zerstörung der Batterie zur Folge haben kann.

Be'cannt ist schließlich ein Unterspannungsschutz

(Kasanski »Relaisschutz«, Seiten 5 und 6), bei dem

in an Versorgungsleitungen eines elektrischen Verbrauchers ein Unterspannungsrelais angeschlossen ist, das einen Relaiskontakt öffnet, wenn die Spannung unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der

Γι eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Steuerschaltung mit weniger Bauteilen auskommt als die bekannten Steuerschaltungen und bei der ein einziges Bauteil sowohl die Abschaltung der Sekundärstromquelle bei zu geringer Ausgangsspannung als auch die

4(i Umschaltung der Last von der Primärstromquelle auf <!ie Sekundärstromquelle im Falle eines Versagens der Primärsiromquelle übernimmt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Schalteinrichtung ein zwischen

i> der Sekundärstromquelle und der Last liegender Relaiskontakt eines Unterspannungsrelais ist, dessen Spule in Reihe mit einem Transistor an die Primärstromquelle angeschlossen ist, und daß die Basis des Transistors mit einem Abgriff der Primärstromquelle

κι derart verbunden ist, daß der Transistor leitend wird, wenn die Spannung der Primärstromquelle unter den vorgegebenen Wert abfällt.

Bei Normalbetrieb, wenn die Spannung der Primärstromquelle ausreicht, um die Last zu versorgen,

γ·, ist der Relaiskontakt des Unterspannungsrelais geöffnet und die Sekundärstromquelle ist somit von der Last abgeschaltet. Sinkt die Spannung der Primärstromquelle unter einen bestimmten Grenzwert, dann wird der Transistor, der vorher gesperrt war, leitend,

ho so daß die Spule des Unterspannungsrelais stromdurchflossen wird. Durch die Erregung des Unterspannungsrelais wird dessen Relaiskontakt geschlossen und die Versorgung der Last erfolgt von der Sekundärstromquelle aus. Nur dann, wenn die Pri-

h^r> märstromquelle sich wieder erholt, wird dei Transistor wieder gesperrt und der Relaiskontakt des Unterspannungsrelais geöffnet. Dieser Vorgang ist also reversibel.

Erst wenn nach einem Ausfall der Primärstromquelle auch die Spannung der Sekundärstromquelle unter einen bestimmten Grenzwert abgesunken ist, öffnet das Unterspannungsrelais den Relaiskontakt, weil sein Strom zum Halten nicht ausreicht. Ist der Relaiskontakt abgefallen, wird er bei Erholung der Sekundärstromquelle nicht wieder geschlossen. Dieser Vorgang ist nicht reversibel. Die Sekundärstromquelle wird also bei einem Ausfall der Primärstromquelle vor wiederholten Aufladungen und Entladungen geschützt.

Das Unterspannungsrelais hat, wie oben dargelegt, eine Doppelfunkticn. Im Normalzustand, also bei funktionierender Primärstromquelle, ist der Relaiskontakt geöffnet. Dieses unterscheidet die Schaltung von den üblichen Schaltungen mit Unterspannungsrelais, bei denen bei ordnungsgemäßer Funktion aller Komponenten das Unterspannungsrelais stets angezogen und der betreffende Schalter geschlossen ist.

Damit nach einem Zusammenbruch eier Spannung der Primärstromquelle die für das Anziehen des Unterspannungsrelais erforderliche Energie geliefert wird, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Reihenschaltung aus dem Transistor und der Spule durch einen Kondensator überbrückt ist, dessen Kapazität ausreicht, um bei Entladung über die Reihenschaltung das Untersp nnungsrelais zum Ansprechen zu bringen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Schaltung einer Ausführungsform der Erfindung mit einer an eine Gleichspannungsprimärquelle und eine Gleichspannungssekundärquelle anschaltbaren Last;

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Schaltung wie Fig. 1, wobei jedoch entweder die Primärquelle oder die Sekundärquelle jeweils als Wechselspannungs- oder Gleichspannungsquelle ausgebildet sein können; und

Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. I modifizierte Schaltung, wobei der geänderte Schaltungsteil rechts von der Linie 3-3 dargestellt ist.

Für die in den Figuren dargestellten Zeichnungen gibt es die verschiedensten Anwendungsfällc. Beispielsweise kann die Schaltung zur Versorgung einer »Ausgang«-Leuchte (Last) oder der Notbeleuchtung in öffentlichen Sälen dienen, die von einer Batterie (Sekundärquelle) versorgt werden, wenn Jas Versorgungsnetz ausfällt. Ein anderes Anwendungsgebiet sind Schutzsysteme für Halbleiterspeicher und Raumschutz-Alarmsysteme. Die Erfindung bezieht sich daher generell auf die Strom versoigung der verschiedensten Lasten oder Verbraucher durch mehrere Versorgungsquellen, deren Spannungen vorzugsweise einander im wesentlichen angepaßt sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind die Ausgangsanschlüsse 10, 12 der Primärstromquelle normalerweise an die Last abgeschaltet, 'n der Zuführungsleitung kann eine Sicherung zum Schutz gegen Kurzschluß- und Ausgleichsströme liegen. Die Primärstromquelle ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Gleichstromquelle, beispielsweise in Form einer Batterie oder eines Netzgerätes, das eine Gleichrichtung der 220 V-Versorgungsspannung vornimmt. Die geerdete Klemme der Last ist mit dem einen Anschluß der Sekundärstromquelle verbunden, die bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Gleichstromquelle ist und eine Spannung liefert, die im wesentlichen in demselben Bereich liegt wie die Ausgangsspannung der Primärstromquelle im Betriebszustand. Die Sekundärstromquelle weist Ausgangsanschlüsse 16, 18 und evtl. Eingangsanschlüsse 29, 22 auf. Wenn die Sekundärstromquelle eine wiederaufladbare Batterie ist, kann die Aufladung über die genannten Eingangsanschlüsse in bekannter Weise erfolgen. Die Ladeenergie kann von der Primäxstro.Tiquelle (wenn diese in Betrieb ist) oder von einer anderen geeigneten Stromquelle bezogen werden.

Die Schaltung zum automatischen und selektiven Umschalten der Last von der Primärstromquelle auf die Sekundärquelle (und umgekehrt) enthält einen Schalter 24 mit einem Unterspannungsrelais K₁, das aus einer Magnetspule 26, einem federgespannten Schalthebel 28 und dem Relaiskontakt 30 besteht, der in seiner Öffnungsstellung, die dem Ruhezustand entspricht, dargestellt ist, sowie dem Kontakt 32.

Das Öffnen und Schließen des Schalters 24 wird davon bestimmt, ob der ParalJeltransistor Q₁ der Steuerschaltung, dessen Kollektor mit dem nicht geerdeten Anschluß 15 des Relais verbunden ist, im leitenden Zustand (z. B. in Sättigung) oder im nicht-leitenden Zustand ist. Der leitende Zustand des Transistors Q₁ wird weitgehend von dem an der Basis 34 dieses Transistors auftretenden Signal bestimmt. Die Basis ist über die Diode D, mit dem Abgriff 36 der Primärstromquelle verbunden. Die an dem Abgriff 36 abgenommene Spannung ist vorzugsweise der Ausgangsspannung der Primärstromquelle direkt proportional, kann jedoch auch größer als 100% dieser Spannung sein.

Die Antwortzeit der Schaltfunktion wird durch den Kondensator C₁ bestimmt, der zwischen Masse und den Verbindungspunkt des Emitters des Transistors Q! mit der Diode D, geschaltet ist, und von der Parallelschaltung aus dem Widerstand R_] und dem Kondensator C₁, die zwischen dem Anschlußpunkt 34 und Masse liegt. Wenn die Primärstromquelle eine oberwellenfreie reine Gleichstromquelle ist, kann C, auch fortgelassen werden. Generell enthält die Steuerschaltung denjenigen Teil der Schaltung, der auf die Spannung am Abgriff 36 anspricht und veranlaßt, daß der Schalter in Abhängigkeit von dem von der Primärstromquelle gelieferten Spannungsniveau öffnet oder schließt. In Fig. 1 enthält die Steuerschaltung zusätzlich zu R₁ und C₂ die Elemente D₁, D₂, C₁ und Q₁.

Unter normalen Betriebsbedingungen versorgt die Primärstromquelle die Last bzw. den Verbraucher, wobei der Kondensator C₁ über die Diode D₁ aufgeladen ist. Wenn an der Basis 34 des Transistors Q₁ eine positive Spannung liegt, ist der Transistor gesperrt, so daß das Unterspannungsrelais K₁ nicht erregt wird und der Relaiskontakt 30 geöffnet bleibt. Die Spannung an der Basis 34 von Q, muß gegenüber der Sekundärstromquelle durch Dioden oder andere Mittel (die in der Primärstromquelle gemäß Fig. 1 enthalten sein können) abgeblockt werden, so daß der Transistor Q₁ nur von der Prirr.ärstromquelle gesperrt werden kann, nicht aber von der Sekundärstromquelle. Während des Normalbetriebes muß die am Punkt 34 anstehende Spannung genügend groß sein, um den Transistor Q₁ im Sperrzustand zu halten. Ein Beispiel für eine solche Diodenabblockung unter Verwendung einer Gleichspannungsprimärquelle (ohne Oberwellen) ist in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 dargestellt. Die Sekundärstromquelle ist von der Basis 34 durch die Diode D₁ getrennt. Die Bau-

teile C₂ und D₁ sind in diesem Falle fortgelassen und die am Eingang der Steuerschaltung liegende Spannung ist in diesem Falle die volle Ausgangsspannung der Primärstromquelle.

Bei einem Ausfall der Primärstromquelle, d. h. wenn entweder die Spannung der Primärstromquelle vollständig zusammenfällt oder unter einen vorbestimmten Schwellenwert absinkt, verschwindet die positive Vorspannung der Basis 34 des Transistors Q,, so daß über den Widerstand R₁ die Basis des Transistors Q₁ an Masse gelegt wird. Hierdurch wird der Transistor Q, in den Leitzustand gebracht. Der Kondensator C, entlädt sich daraufhin über den Transistor Q₁ und die Relaisspule K₁. Dadurch wird die Relaisspuie erregt und die Reiaiskontakte 30, 32 werden geschlossen, so daß nunmehr die Last von der Sekundärstromquelle versorgt wird.

Der Kondensator C₁ sollte so ausgelegt sein, daß er genügend Energie zur Erregung der Spule 26 speichert, um bei Ausfall der Primärenergie das Relais zum Anziehen zu bringen. Wenn die Relaiskontakte 30,32 des Relais K₁ schließen, wird die Spule 26 des Relais von der Sekundärstromquelle versorgt, wodurch die Spule im Erregungszustand gehalten wird, so daß sichergestellt ist, daß die Last an die Sekundärstromquelle angeschlossen bleibt. Wenn die Primärstromquelle sich wieder erholt hat und ihr Spannungsniveau über den genannten Schwellenwert angestiegen ist, reicht die positive Vorspannung an der Basis 34 aus, um den Transistor Q₁ wieder in den Sperrzustand zu versetzen, wodurch die Relaisspule 26 aberregt wird und die Kontakte 30, 32 sich wieder öffnen.

Wenn die Sekundärspannungsquelle eine vviederaufladbare Batterie ist. kann es häufig kritisch sein, die Last von der Batterie abzunehmen, wenn die Batterie nahezu entladen ist. Es kann beispielsweise gewünscht werden, die Batterie abzuschalten (und Schalter 24 zu öffnen), wenn die Batterie ihr 90%-Entladeniveau erreicht hat, was durch einen bestimmten Abfall ihrer Ausgangsspannung angezeigt wird. Eine Weiterentladung unter dieses Niveau kann bekanntlich zu einer irreparablen Beschädigung der Batterie führen. Die erfindungsgemäße automatische Abschaltung erfolgt daher, wenn die Spannung der Sekundärstromquelle unter dieses vorbestimmte Abschaltniveau, das einem bestimmten Entladezustand entspricht, absinkt, wodurch die Spule 26 des Relais K aberregt wird, und die Spannung noch ausreicht, um die Kontakte 30, 32 zu öffnen und die Sekundärstromquelle von der Last abzuschalten. Bei der abgebildeten Schaltung wird die Stromversorgung nicht wieder an die Last angeschaltet, bis die Ausgangsspannung der Primärquelle wieder über den Schwellenwert angestiegen ist. Die Batterie kann dann wieder aufgeladen und die gesamte Schaltvorrichtung wieder für einen neuen Zyklus vorbereitet werden.

Das Spannungsniveau, bei dem die Sekundärstromquelle abgeschaltet werden muß, kann ausgewählt werden und die Abschaltung erfolgt durch geeignete Wahl des Relais K₁ und des Spannungsabfalls zwischen den Punkten 13 und 15 an der Diode und der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors. Dieser Spannungsabfall kann natürlich auch durch Einschaltung zusätzlicher Dioden, Zenerdioden oder Widerstände oder anderer Schaltelemente willkürlich verändert werden, um die Abschaltspannung zwischen den Anschlüssen 16,18 (und damit die Spannung an ■"> der Spule 26) zu bestimmen.

Wenn Wert auf eine kontinuierliche Versorgung der Last gelegt wird, selbst wenn die Sekundärstromquelle automatisch abgeschaltet ist und die Primärstromquelle noch nicht wieder ihre volle Spannung

i" angenommen hat, kann der Schalter 24 auch dazu verwendet werden, in bekannter Weise ein Diesel-Notstromaggregat od. dgl. einzuschalten, dessen Ausgangsspannung an die Klemmen 10.12 der Last gelegt wird. Natürlich können auch andere Arten tertiärer

i> Notstromaggregate oder zusätzlicher Vcrsorgungsquellen verwendet werden.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 gleicht im Aufbau und Wirkungsweise im wesentlichen demjenigen der Fig. 1, mit der Ausnahme, daß ein anderes

jo Relais verwendet wird, so daß die Primärstromquelle nicht immer an die Last angeschaltet ist, und daß die Schaltzeit etwas kürzer ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein einpoliges Doppelkontaktrelais des Typs C verwandt. In der Schaltung können entweder

Ji Wechselstrom- oder Gleichstrom-Primär- oder Sekundärstromquellen verwendet werden, so daß dieses System bei beliebigen Kombinationen von Gleichstrom- und Wechselstromquellen eingesetzt werden kann. Unter Normalbedingungen liefert die Primär-

K) stromquelle Strom an die Last. Die Spule 26 des Relais K₁ ist aberregt und der Kontaktarm 30 liegt am Kontakt 33. Wie bei der Schaltung nach Fig. 1 wird das Relais 26 erregt, wenn das Potential am Abgriff 34 hinreichend abgefallen ist, um den Transistor Q, leitend zu machen. Dadurch wird der Schalter umgeschaltet, so daß der Kontaktarm 30 an Kontakt 32 anliegt und die Sekundärstromquelle einschaltet. Gleichzeitig wird die Primärstromquelle von der Last abgeschaltet.

-κι In der Praxis haben sich für die Bauteile der Schaltung nach Fig. 1 die folgenden Werte als günstig erwiesen, wenn als Sekundärstromquelle eine wiederaufladbare Bleibatterie mit einer Nennspannung vor 6 V verwendet wird, und wenn die Primärstromquelle j ein an eine Wechselspannung von 115 V angeschlossener Stufentransformator ist, dessen Sekundärwindung einen Mittelabgriff aufweist und dem ein Doppelwellengleichrichter nachgeschaltet ist. Die Primärstromquelle liefert beispielsweise eine Gleichspannung von 6,3 V an die Last und über eine Tertiärwindung eine Gleichspannung von 12 V an der Abgriff 36.

Q₁ - 2N5227

K. - Relais - Electronic Applications Co.
Nr. 1A6AHH Form A

C, - 33 mF. 15WVDC

C₂ - .68 mF. 20WVDC

R - 33,000 Ohm

D₁, D₂ - 1N4001

^b0 Last - 4 ♦ 44 Glühbirnen parallel

Die Abschaltspannung für die Batterie betrug 2 V was einem Entladezustand von etwa 90% entspricht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zum selbsttätigen Umschalten der Stromversorgung einer Last von einer Primärstromquelle auf eine Sekundärstromquelle, mit einer auf die Spannung der Primärstromquelle reagierenden Steuerschaltung, die bei Absinken der Spannung unter einen vorgegebenen Wert eine Schalteinrichtung betätigt und damit die Last an die Sekundärstromquelle anschließt, und mit einer auf die Spannung der Sekundärstromquelle reagierenden Abschalteinrichtung, die bei Absinken dieser Spannung unter einen zulässigen Wert die Last von der Sekundärstromquelle abschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein zwischen der Sekundärstromquelle und der Last liegender Relaiskontakt (30) eines Unterspannungsrelais (K₁) ist, dessen Spule (26) in Reihe mit einem Transistor (Q₁) an die Primärstromquelle angeschlossen ist, und daß die Basis des Transistors (Q₁) mit einem Abgriff (36) der Primärstromquelle derart verbunden ist, daß der Transistor leitend wird, wenn die Spannung der Primärstromquelle unter den vorgegebenen Wert abfällt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus dem Transistor (Q₁) und der Spule (26) durch einen Kondensator (C₁) überbrückt ist, dessen Kapazität ausreicht, um bei Entladung über die Reihenschaltung das Unterspannungsrelais (K₁) zum Ansprechen zu bringen.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Transistor (Q₁) und einen Anschluß der Sekundärstromquelle ein Spannungsreferenzelement (D₁) geschaltet ist.