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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung eines Stromversorgungsgerätes mit einem eine Abweichung der Ausgangsspannung von einem Sollwert erfassenden und ein Regelsignal abgebenden ersten Schaltungsteil, sowie mit einem auf eine unzulässige Spannungsänderung ansprechenden zweiten Schaltungsteil, der zum Kurzschließen der Ausgangsspannung einen steuerbaren Halbleiter sowie eine diesen beaufschlagende Zündschaltung enthält (DE-OS 28 43 093).
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Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist beispielsweise durch die DE-OS 28 43 093 bekanntgeworden. Die erwähnte zusätzliche Schutzeinrichtung kann dabei die Aufgabe haben, Schädigungen eines Verbrauchers durch eine Spannungserhöhung zu verhindern, die durch eine Überschreitung des Regelbereiches entsteht. In dem Fall eigensicherer Stromversorgungsgeräte wie man sie insbesondere in explosions- oder schlagwettergefährdeten Bereichen einsetzt kann aber, oder auch zusätzlich, der Gesichtspunkt im Vordergrund stehen, den theoretischen Bereich eigensicherer Ströme und Spannungen möglichst hoch auszunutzen, um leistungsfähigere eigensichere Geräte betreiben zu können.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ansprechschwelle der Schutzeinrichtung möglichst nahe an die normale Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes zu legen, um damit zu erreichen, daß schon ein sehr geringes Überschreiten oder Unterschreiten dieser normalen Ausgangsspannung die Schutzeinrichtung wirksam macht.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art durch die Gewinnung eines zur Ansteuerung des zweiten Schaltungsteiles dienenden Signals aus einem an dem ersten Schaltungsteil auftretenden, gegenüber dem im normalen Betrieb erzeugten Regelsignal charakteristisch erhöhten oder erniedrigten Spannungswert gelöst. Hierbei wird ein Sprungverhalten des ersten Schaltungsteiles ausgewertet, welches sich darin äußert, daß die Ausgangsspannung der Regelschaltung beim Verlassen des Regelbereiches annähernd den Wert der Betriebsspannung bzw. den Wert Null annimmt.
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Im Rahmen der Erfindung kann der erste Schaltungsteil einen Operationsverstärker mit einem eine Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert erfassenden Kondensator aufweisen. Ein Operationsverstärker zur Gewinnung eines Regelsignals und ein die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes kurzschließender Halbleiter sind auch bei der Schaltungsanordnung nach der DE-OS 28 43 093 vorhanden, jedoch erhält der steuerbare Halbleiter hierbei sein Steuersignal über eine Schwellwertdiode, deren Durchbruchspannung nicht beliebig dicht an die normale Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes angepaßt werden kann. Daraus ergibt sich eine unvermeidliche Toleranz im Ansprechen der Schutzeinrichtung mit dem Erfordernis, den zulässigen Ausgangsstrom im Interesse der Sicherheit zu beschränken.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Die
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Fig. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines Stromversorgungsgerätes mit stabilisierter und überwachter Ausgangsspannung. In der
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Fig. 2 ist ein allgemein anwendbares Schaltungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt. Die
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Fig. 3 zeigt die Anwendung einer Schaltungsanordnung nach Erfindung bei einem insbesondere zum Einsatz im Untertagebergbau vorgesehenen eigensicheren Stromversorgungsgerät.
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In dem Blockschaltbild gemäß der Fig. 1 ist dargestellt, daß eine unstabilisierte Eingangsspannung Ue mittels eines Stellgliedes S in eine stabilisierte und überwachte Ausgangsspannung Ua umgewandelt wird. Hierzu erhält das Stellglied S Steuersignale aus einem Verstärker V, dem als Eingangsgrößen einerseits die Ausgangsspannung Ua und andererseits eine Referenzspannung Ur zugeführt werden. Die Ausgangsspannung des Verstärkers V gelangt außerdem als Eingangsgröße zu einem weiteren Verstärker Vü, der beim Überschreiten oder Unterschreiten einer zulässigen Ausgangsspannung Ua einen Steuerbefehl für einen die Ausgangsspannung kurzschließenden Halbleiter, beispielsweise den in der Fig. 1 gezeigten Thyristor Th abgibt.
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Die Wirkungsweise der neuen Schaltungsanordnung im einzelnen wird nun anhand der Fig. 2 erläutert. Bei der hierin gezeigten Schaltungsanordnung liegt an den Klemmen 1 und 2 eine unstabilisierte Gleichspannung Ue , wie sie beispielsweise durch Gleichrichtung einer Wechselspannung gewonnen werden kann. Zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme 3 liegt die Kollektoremitterstrecke eines steuerbaren Leistungshalbleiters V 5, während die Eingangsklemme 2 und die Ausgangsklemme 4 direkt miteinander verbunden sind. Die Basis des Leistungstransistors V 5 erhält Steuerbefehle über eine Schwellwertdiode V 6 und einen Widerstand R 3 aus einem Regelverstärker V 7, dessen einer Eingang über einen aus den Widerständen R 4 und R 5 gebildeten Spannungsteiler mit der Ausgangsspannung Ua und dessen anderer Eingang durch eine Referenzspannung beaufschlagt ist, die aus der Ausgangsspannung Ua mittels der parallel-geschalteten Schwellwertdioden V 8 und V 9 in Verbindung mit dem in Reihe geschalteten Widerstand R 6 gewonnen wird. Zur Gewinnung der Referenzspannung genügt an sich eine der beiden Schwellwertdioden V 8 oder V 9. Die zweite Schwellwertdiode ist zur Sicherheit für den Fall vorgesehen, daß eine der Schwellwertdioden versagt.
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Beim Einschalten der Schaltungsanordnung, d. h. beim Anlegen der Eingangsspannung Ue an die Klemmen 1 und 2 erhält der Leistungstransistor V 5 ein Steuersignal über den Widerstand R 7 und die Schwellwertdiode V 6. Ein verzögertes Ansteigen der Ausgangsspannung Ua an den Klemmen 3 und 4 wird durch den parallel zu den Schwellwertdioden V 8 und V 9 liegenden Kondensator C 2 bewirkt, der für ein verzögertes Ansteigen der Referenzspannung sorgt. Bei geeigneter Dimensionierung der Schwellwertdiode V 6 und des mit ihr in Reihe liegenden Widerstandes R 3 beträgt die Ausgangsspannung des Regelverstärkers V 7 etwa die Hälfte der Ausgangsspannung Ua. Schwankungen dieser Ausgangsspannung werden im normalen Betrieb durch den an dem Regelverstärker V 7 liegenden Integrationskondensator C 1 erfaßt, so daß die Ausgangsspannung durch entsprechende Steuerung des Leistungshalbleiters V 5 über den Widerstand R 3 und die Schwellwertdiode V 6 konstant gehalten wird. Die vorstehend erwähnten Elemente bilden einen ersten Schaltungsteil, wie er in Stromversorgungsgeräten der vorliegenden Art in prinzipiell gleicher Form üblich ist.
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Zusätzlich hierzu enthält die Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 einen weiteren Schaltungsteil, der eine Schutzeinrichtung für den Fall darstellt, daß der Regelbereich überschritten oder unterschritten wird. Hierzu enthält der zweite Schaltungsteil einen Thyristor V 1 durch den die Ausgangsspannung Ua kurzschließbar ist. Diesem Thyristor ist ein Zündbefehl in Abhängigkeit davon zuführbar, daß sich die Ausgangsspannung des Regelverstärkers V 7 (Schaltungspunkt 5) in charakteristischer Weise gegenüber dem im normalen Betrieb auftretenden Wert nach oben oder nach unten verändert. Wesentlich ist hierbei, daß diese Ausgangsspannung nicht proportional vom Verhältnis der Sollspannung zur tatsächlichen Spannung abhängt, sondern daß die Ausgangsspannung des Regelverstärkers V 7 sprungartig annähernd den Wert der Versorgungsspannung oder den Wert Null annimmt.
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Im folgenden wird das Verhalten der Schaltungsanordnung bei unterschiedlichen Fehlern betrachtet. Werden beispielsweise durch einen inneren Fehler der Kollektor und der Emitter des Leistungstransistors V 5 kurzgeschlossen, so nimmt die Ausgangsspannung des Regelverstärkers V 7 den Wert Null an. Hierdurch wird ein Transistor V 4 gesperrt und der Thyristor V 1 wird über einen Widerstand R 1 sowie eine Diode V 10 und einen weiteren Transistor V 2 gezündet. Die Ausgangsspannung Ua wird hierdurch zur Sicherheit kurzgeschlossen.
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Ein weiterer Fehler kann darin bestehen, daß der Ausgang des Regelverstärkers V 7 gleichfalls durch einen inneren Fehler hochohmig wird. In diesem Fall erhält der Thyristor V 1 einen Zündbefehl über die Widerstände R 7 und R 3 sowie über eine Schwellwertdiode V 3 und den Transistor V 2.
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Ein innerer Fehler kann aber auch dazu führen, daß die Ausgangsspannung des Regelverstärkers V 7 den Wert der positiven Versorgungsspannung annimmt. Dann wird der Thyristor V 1 unmittelbar über die Schwellwertdiode V 3 und den Transistor V 2 gezündet.
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Es ist bei der Betrachtung der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 darüber hinaus ohne weiteres zu erkennen, daß auch alle anderen Fehler bei der Stabilisierung der Ausgangsspannung Ua infolge der charakteristischen Erhöhung oder Erniedrigung der Ausgangsspannung des Regelverstärkers V 7 annähernd auf den Wert der Versorgungsspannung bzw. annähernd auf den Wert 0 zur Zündung des Thyristors V 1 führen und damit die Stromversorgungsschaltung abschalten. Wesentlich ist hierbei, daß die Abschaltung ganz nahe bei dem Sollwert der Ausgangsspannung Ua erfolgt und somit gegenüber der bisher üblichen Ansteuerung des Thyristors V 1 durch eine von der Ausgangsspannung beaufschlagte Schwellwertdiode nur ganz geringer Streubereich auftritt. Es ist daher nicht mehr erforderlich, die im Fehlerfall bisher mögliche Erhöhung der Ausgangsspannung von beispielsweise 12 Volt auf 13,5 Volt bei eigensicheren Stromversorgungsgeräten durch eine Erniedrigung des zulässigen Ausgangsstromes zu berücksichtigen. Die Leistungsfähigkeit eigensicherer Stromversorgungsgeräte wird durch die neue Schaltungsanordnung somit fühlbar vergrößert.
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Anhand der Fig. 3 wird nun gezeigt, wie die neue Schaltungsanordnung mit geringem Aufwand in ein eigensicheres Stromversorgungsgerät einfügbar ist.
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In dieser Figur sind Schaltungsteile ohne speziellen Bezug zur Erfindung als Blöcke dargestellt, da die Einzelheiten solcher Schaltungsteile beispielsweise der bereits erwähnten DE-OS 28 43 093 zu entnehmen sind. Dies gilt zunächst für den Gleichrichterblock 10, der eine Wechselspannung in eine ungeregelte Gleichspannung geeigneter Höhe umwandelt. Ferner ist in dieser Weise ein Signalgenerator 11 dargestellt, der periodische Steuersignale für einen Leistungshalbleiter 12 erzeugt, sowie ein den Ausgang des Stromversorgungsgerätes bildender Stromregler 13.
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Der Leistungshalbleiter 12 unterbricht periodisch den durch die Primärwicklung 14 eines Transformators 15 fließenden Strom. Die Sekundärwicklung 16 dieses Transformators speist den Ausgang des Gerätes über eine Gleichrichterdiode V 20 und nach Glättung durch einen Kondensator C 10 über eine Drossel D sowie den als Block dargestellten Stromregler 13. Der Signalgenerator 11 wird durch Regelsignale gesteuert, die ihm über einen Optokoppler V 19 zugeführt werden und die von einem Operationsverstärker V 21 abgegeben werden. Dieser arbeitet in der schon beschriebenen Weise und erhält hierzu als Eingangsgrößen die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes, wobei ein Kondensator C 11 die Spannungsabweichungen integriert. Der weitere Eingang des Operationsverstärkers V 21 ist mit einer Referenzspannung beaufschlagt, die gleichfalls aus der Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes gewonnen wird. Hierzu sind parallelgeschaltete Schwellwertdioden V 24 und V 25 in Verbindung mit zur Stabilisierung dienenden gewöhnlichen Dioden V 26 und V 27 vorgesehen. Ein Kondensator C 12 dient dazu, beim Einschalten des Gerätes einen allmählichen Anstieg der Referenzspannung zu bewirken. Die Widerstände R 17 und R 18 bilden einen Spannungsteiler, an dem die dem Operationsverstärker V 21 zugeführte Referenzspannung genau einstellbar ist.
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Der Thyristor V 33 bildet die Schutzeinrichtung, durch die im Fehlerfall die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes kurzschließbar ist. Das im Fehlerfall benötigte Zündsignal für den Thyristor V 33 wird durch einen weiteren Schaltungsteil bereitgestellt, der gleichfalls an den Ausgang ( Schaltungspunkt 17) des Operationsverstärkers V 21 angeschlossen ist. Dieser Schaltungsteil umfaßt die Transistoren V 22 und V 31, die Dioden V 28 und 29, sowie die Z-Diode V 32 und ferner Widerstände R 19 und R 21. Diese Schaltungselemente wirken in der gleichen Weise zusammen, wie dies anhand der Fig. 2 erläutert wurde.
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Bei dem Stromversorgungsgerät gemäß der Fig. 3 sind der Primärteil und der Sekundärteil, sowohl hinsichtlich der Übertragung der Leistung, als auch hinsichtlich der Übertragung der Steuersignale zu dem Leistungshalbleiter 12 galvanisch voneinander getrennt, und zwar durch den Transformator 15 und den Optokoppler V 19. Durch den beschriebenen, dem Thyristor V 33 zugeordneten Schaltungsteil wird die an den Anschlußpunkten 18 und 19 zur Verfügung stehende Ausgangsspannung so genau begrenzt, daß ein eigensicherer Betrieb bei 12 Volt und 2 Ampère durchführbar ist. Da auch geringe Überspannungen vermieden werden, ist ferner die Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb empfindlicher Halbleiterschaltungen, beispielsweise von Mikroprozessoren, geschaffen.