DE2724176B2 - Gleichstromversorgungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleichstromversorgungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Ein derartiges Gleichstromversorgungssystem ist aus der »Siemens-Zeitschrift«, 48. Jahrgang, Beiheft »Integrierte Bausteinsysteme SIMATIC«, Seiten 76 bis 7'9, bekannt Vorzugsweise sind diese Gleichstromversorgungssysteme, die als Spannungsregler stetig arbeitende Serienregler oder Schaltregler enthalten, für den Anschluß an ein Einphasenwechselspannungsnetz mit einer Nennspannung von 220 V vorgesehen, die mittels eines Transformators mit nachgeschaltetem Gleichrichter üblicherweise in eine ungeregelte Gleichspannung von 24 V umgeformt wird.

Zur Erzielung einer geregelten Versorgungsspannung von beispielsweise 15 V können Serienregler wegen der geringen Spannungsdifferenz am Ein- und Ausgang des Spannungsreglers verwendet werden. Der Regeltranuistor des Serienreglers wird von einer Konstantstromquelle oder -senke gesteuert. Zum Schutz gegi:n Kurzschluß enthält der Serienregler eine Strombegrenzungsanordnung, durch die bei einem Kurzschluß die Verlustleistung vermindert wird. Ferner enthält der Serienregler eine Überwachungseinrichtung, die bei Oberspannungen einen die Ausgänge des Reglers kurzschließenden Thyristor zündet Jeder Serienregler ist als in einen Baugruppenträger sieckbare Baugruppe ausgeführt Serienregler liefern zwar eine Ausgangsspannung mit geringer Restwelligkeit und. haben gute dynamische Regeleigenschaften, jedoch ist Jer Wirkungsgrad schlecht, weil die Verlustleistung in dem vom Verbraucherstrom durchflossenen Transistor als Wärme freigesetzt wird und über Kühlkörper abgeführt werden muß. Stromversorgungssysteme mit Serienreglern erfordern daher zusätzliche Maßnahmen für die

^|!> Wärmeabfuhr, wenn sie im Bergbau unter Tage eingesetzt werden sollen.

Zur Erzielung einer geregelten Versorgungsspannung von beispielsweise 5 V werden wegen des wesentlich besseren Wirkungsgrades Schaltregler verwendet, die aus einem Schalttransistor und einem LC-Glied aufgebaut sind, und nach dem Prinzip der Zweipunktregler den Spannungsistwert abwechselnd mit einem oberen und einem unteren Sollwert vergleichen. Unterschreitet der Istwert den unteren Sollwert, wird der Schalttransistor durchgesteuert so daß die Ausgangsspannung ansteigt Wird der obere Sollwert überschritten, dan λ wird der Transistor gesperrt Während der Sperrphase gibt die Drossel über eine Freilaufdiode ihre gespeicherte Energie an die Last ab.

Durch das schaltende Regelprinzip werden die Verluste im Regeltransistor klein gehalten und dadurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt In gleicher Weise wie für den Serienregler ist auch für den Schaltregler ein Hilfsregelkreis zur Begrenzung des Ausgangsstromes bei Kurzschluß und eine Überwachungseinrichtung zum Schutz vor Überspannung vorgesehen. Jeder Schaltregler ist ebenfalls als in einen Baugruppenträger steckbare Baugruppe ausgeführt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichstromversorgungssystem zur Speisung von Steuergeräten, insbesondere ein eigensicheres Gleichstromversorgungssystem zur Versorgung von eigensicheren, integrierte Schaltkreise enthaltenden Steuergeräten für den Einsatz im Bergbau unter Tage oder in

*5 explosionsgeschützten Räumen, zu schaffen, das bei geringer Restwelligkeit der Ausgangsspannung mit geringer Verlustleistung arbeitet gegen eingangsseitige Spannungsschwankungen unempfindlich ist und sich in einfacher Weise Mi einer ein oder mehrere Systeme umfassenden Einheit zusammensetzen läßt

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Durch die Verwendung von Schaltreglern in Kombination mit Serienreglern arbeitet das Gleichstromversorgungssystem mit geringen Verlusten und liefert eine Ausgangsspannung mit geringer Restwelligkeit Dabei kann die Eingangsspannung des Gleichstromversorgungssystems um ±30% von ihrem Nennwert abweichen. Die Ausgangsspannung kann im Rahmen der für die Eigensicherheit zulässigen Werte beispielsweise 12 V bei 13 A oder 5 V bei 6 A betragen. Durch die Zusammenfassung des Schaltreglers, des Serienreglers

und der Überwachungseinrichtungen für Überstrom, Unter- und Überspannung zu einer Baugruppe kann aus mindestens einer Baugruppe mit zugehörigem Transformator und Gleichrichter eine Einheit gebildet werden.

Λη Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert

Ein Wechselstromtransformator 1 (F i g. 1) speist über eine Gleichrichterbrücke 2 einen Schaltregler 3 und einen Serienregler 4. Der Schaltregler 3 umfaßt einen Steuerteil 5, der das Impuls-Pausen-Verhältnis eines Schalttransistors 6 derart regelt, daß sich am Ausgang des Reglers nach Glättung des pulsierenden Gleichstromes mittels einer Drossel 7, die während der Einschaltdauer des Schalttransistors aufgeladen wird und sich während der Sperrzeit entlädt, und mittels eines Kondensators 8 eine Gleichspannung von im wesentlichen konstanter HOhe ergibt. Ober eine Diode 9 fließt der Laststrom im Sperrzustand des vom Steuerteil periodisch ein- und ausgeschalteten Schalttransistors 6. Zur Erzielung einer Ausgangsspannung in der Größenordnung von 5 V kann die ungeregelte Spannung am Eingang des Schaltreglers z. B. 24 V Gleichspannung betragen. Der Serienregler 4 ist an den Ausgang des Schaltreglers 3 angeschlossen. Er umfaßt einen stetig arbeitenden Regeltransistor 10 ucd eine.] aus integrierten Schaltkreisen aufgebauten Reglerteil 11. Infolge der Vorstabilisierung durch den Schaltregler 3 ist die am Regeltransistor 10 auftretende Verlustwärme gering.

Auf Grund der geringen, am Regeltransistor entstehenden Verlustleistung eignet sich die vorteilhafterweise zu einer Baugruppe zusammengefaßte Anordnung zum Einbau in ein druckfestes Gehäuse. Statt dessen kann die Baugruppe in einer Vergußmasse eingebettet sein.

Mittels je einer aus einem Widerstand 12 und einem Verstärker 13 bestehenden Meßeinrichtung wird eine dem Ausgangsstrom proportionale Spannung mit einer Referenzspannung verglichen. Oberschreitet der Ausgangsstrom den Nennstrom, werden der Steuerteil 5 und der Reglerteil 11 gesperrt Die beiden Meßeinrichtungen arbeiten unabhängig voneinander und bewirken gegebenenfalls eine Abschaltung des Ausgangsstromes.

Als Oberspannungsschutz ist an den Ausgang des Serienreglers ein Thyristor 14 angeschlossen, dessen Steuerelektrode an einem aus Widerständen 15, 16 gebildeten Spannungsteiler liegt und der bei einer Überspannung den Ausgang kurzschließt Parallel dazu ist zur Untcnspannungsüberwachung ein Operationsverstärker 17 angeordnet, der die Ausgangsspannung mit einer vorgegebenen Referenzspannung von beispielsweise 3,5 V vergleicht Sinkt die Ausgangsspannung unter diesen Wert, v^:rd der Steuerteil 5 gesperrt, so daß dieser keinen Strom mehr liefert Zur Aufhebung der Reglersperre muß die Gesamtanordnung für einige Sekunden abgeschaltet werden.

Die beschriebenen Überwachungseinrichtungen bieten die Gewähr, daD das Gerät keinen höheren Strom als den Nennstrom liefert und daß die Spannung den vorgegebenen oberen und unteren Grenzwert nicht über- bzw. unterschreitet Die Stromversorgungsanordnung ist dauerkurzschlußfest. Da die Ausgangskapazität der Anordnung niedrig ist wird im Falle eines Kurzschluss« die Stromspitze auf ein Minimum begrenzt

F i g. 2 zeigt eine Seitenansicht einer den Schaltregler 3 und den Serienregler 4 einschließlich der Meßeinrichtungen 12, 13 des Operationsverstärkers 17 und der Überspannungsschutzeinrichtung 14, 15, 16 enthaltenden Etaugruppe 18. An elektronischen Bauelementen sind in dieser Ansicht lediglich der Thyristor 14 und die Diode 9 sichtbar, die auf einem auch für den Schalttransistor 6 und den Regeltransistor 10 gemeinsamen Kühlkörper 19 befestigt sind, während die übrigen Bauelemente auf einer Leiterplatte 20 angeordnet und in einer Vergußmasse 21 eingebettet sind. Der Kühlkörper 19 ist mittels Abstandsbolzen 22 mit der Leiterplatte verbunden. Ferner ist ein Halterahmen 23 über Distanzstücke 24 und eine Frontplatte 25 mit Ziehgriff 26 an der Leiterplatte befestigt, an deren unterem Ende eine beispielsweise fünfzehnpolige Messerleiste 27 angebracht ist

In den F i g. 3 und 4 ist als Ausführungsbeispiel ein aus mehreren Baugruppen einschließlich Eingangstransformator und Gleichrichter bestehendes Stromversorgungssystem dargestellt, das in ein schlagwettergeschütztes Gehäuse 28, 29 eingebaut ist Eingangsseitig ist an das Gehäuseunterteil 28 ein AnschhiBkasten 30 in Schutzart »erhöhte Sicherheit« angebaut In die aneinander grenzenden Wände des Anschlußkastens und des Gehäuseunterteils ist eine Durchfuhrung 31 zur Verbindung des Transformators 32 mit dem Netz eingesetzt Die nicht dargestellten Verbindungsleiter von der Durchführung zum Transformator sind über einen Trennschalter 33 geführt dessen Antriebsachse 34, beispielsweise mittels einer Steckkupplung 35, mit einer durch den Gehäusedeckel 29 geführten Schaltachse 36 verbunden ist Der zugehörige Schaltgriff 37 ist mit einer Ausnehmung ausgestattet die in der »Aus«-Stellung des Trennschalters den Zugang zu einer Verriegelung 38 des Deckels freigibt Zur Befestigung von Gleichrichterbausteinen 43 und der Baugruppen 18 sind in dem Gehäuseunterteil beispielsweise drei Rahmen 39 über Stehbolzen 40 abgestützt In die Rahmen sind paarweise aufeinander ausgerichtete Führungsleisten 41 eingeklinkt

Wie Fig.5 in größerem Maßstab zeigt sind die Führungsleisten 41 mit einer Längsnut 42 ausgestattet die zur Führung der Leiterplatte 20 der Gleichrichterbausteine 43 bzw. Baugruppen 18 dient Den an den Baugruppen 18 und ebenso an den Gleichrichterbausteinen 43 vorgesehenen Messerleisten 27 sind Buchsenleisten 44 im Gehäuseunterteil zugeordnet deren einzelne Buchsen mit Klemmen einer, beispielsweise am mittleren Rahmen 39 befestigten, Klemmenleiste 45 bzw. einer weiteren, beispielsweise im Gehäuseunterteil angeordneten, Klemmenleiste 46 verbunden sind Die Klemmen dieser Leisten stehen in Verbindung mit mehrpoligen Durchführungen 47, die in den aneinander grenzenden Wänden des Gehäuseunterteils und eines weiteren, an diesen angebauten Anschlußkastens 48 eingesetzt sind. Die Anschlußenden der Durchführungen 47 sind über auf einer weiteren Leiterplatte 49 angeordnete Kontroll-Leuchten, insbesondere Leuchtdioden 50, mit Steckbuchsen von AnbaugehJusen 51 verbunden, in die Tüllengehäuse 52 mit entsprechenden Steckereinsätzen einführbar sind.

Nach F i g. 4, die das Versorgungssystem in einer Draufsicht darstellt sind beispielsweise zwei Gleichrichterbausteine 43, gekennzeichnet durch die in einem Kreis eingesetzten Bezugsziffern, zwei Baugruppen 18 für 5 V, 6 A, gekennzeichnet durch ebenfalls in einen Kreis eingesetzte Bezugsziffern, vorgesehen und drei eingebaute Baugruppe η 18 für 12 V, 1J5 A dargestellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gleichstromversorgungssystem, insbesondere zur Versorgung eigensicherer Anlagen im Bergbau unter Tage, mit einem Transformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter, mit mindestens einer Strom und Spannung regelnden Serienregeleinrichtung und mit Einrichtungen zum Schutz gegen Ober- und Unterspannung sowie gegen Oberstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienregeleinrichtung (Serienregler 4) und ein dieser vorgeschalteter Schaltregler (3) sowie die Schutzeinrichtungen (12 bis 17) zu einer in einen Baugruppenträger (39,41) steckbaren Baugruppe (18) zusammengefaßt sind und daß aus mindestens einer Baugrupipe (18), dem Transformator (1; 32) und dem Gleichrichter (Gleichrichterbrücke 2; Gleichrichterbaustein -13) eine schlagwettersichere Einheit gebildet ist

2. Gleichstromversorgungssystem nach Anspruch 1, .dadurch gekennzeichnet, daß die schlagwettersichere Einheit mehrere der Baugruppen (18) mit gleichen oder voneinander abweichendien Ausgangsspannungen und -strömen enthält

3. Gleichstromversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schlagwettersichere Einheit durch Einbau der die Baugruppen (18) aufnehmenden Baugruppenträger (39,4Ii), des Transformators (32) und mindestens eines Gleichrichters (Gleichrichtcrbaustein 43) in ein druckfestes Gehäuse (28,29) gebildet ist

4. Gleichstromversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schlagwettersichere Einheil durch einbettung mindestens einer Baugruppe (18) tin-x:hließlich Transformator (32) und Gleichrichter (Gleich? .jhterbaustein 43) in eine Vergußmasse gebildet ist

5. Gleichstromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schlagwettersichere Einheit aus mehreren einzeln vergossenen Baugruppen (18) und ebenfalls vergossenen, den Transformator (32) und den Gleichrichter (Gleichrichterbaustein 43) enthaltenden Bausteinen besteht