DE3812861C2

DE3812861C2 -

Info

Publication number: DE3812861C2
Application number: DE3812861A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Kuhn (Fh), 8150 Holzkirchen, De; Guenther Dipl.-Ing. Thomas (Fh), 8520 Erlangen, De
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1988-04-18
Publication date: 1990-09-27
Also published as: DE3812861A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine eigensichere Stromversor gungseinrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1; eine der artige eigensichere Stromversorgungseinrichtung ist durch die Spezifikation BS6182: Part 1:1982 der British Standards Institution bekannt.The invention relates to an intrinsically safe electricity supplier supply device according to the preamble of claim 1; one of the like intrinsically safe power supply device is through the Specification BS6182: Part 1: 1982 of the British Standards Institution known.

Bei der durch die BSI-Spezifikation bekannten eigensicheren Stromversorgungseinrichtung handelt es sich um eine eigen sichere Stromversorgungseinrichtung der Schutzart EEx ia I nach Europanorm EN 50020, die im schlagwettergefährdeten Bergbau zur Speisung von Steuer- und Übertragungssystemen eingesetzt wird und die bei Gasausbruch nicht abgeschaltet werden muß.With the intrinsically safe known from the BSI specification Power supply device is an own Safe power supply device according to protection class EEx ia I European standard EN 50020, which is used in mining at risk of firing Supply of control and transmission systems is used and which does not have to be switched off in the event of a gas outbreak.

Bei der vorgenannten eigensicheren Stromversorgungseinrichtung wird eine Eingangs-Wechselspannung über einen Transformator auf eine konstante Sekundärspannung heruntertransformiert und gleich zeitig von der Eingangs-Wechselspannung galvanisch getrennt. Die Sekundärspannung wird anschließend mittels eines Brücken gleichrichters gleichgerichtet und mittels einer parallel in den Sekundärkreis geschalteten, aus einem Kondensator und dem zugehörigen Entladewiderstand bestehenden Glättungseinrichtung geglättet. Die gleichgerichtete und geglättete Sekundärspannung wird über zumindest drei, jeweils parallel in den Sekundärkreis geschaltete Zener-Dioden stabilisiert. Zur Begrenzung des Aus gangsstroms ist dem Brückengleichrichter ein zwischen der Glät tungseinrichtung und der Stabilisierungsschaltung angeordneter ohmscher Begrenzungswiderstand nachgeschaltet. Ein Stromfluß von mehr als 500 mA bei einer Ausgangs-Gleichspannung von 12 V führt bei dem ohmschen Begrenzungswiderstand zu einem Spannungs abfall, der zur Folge hat, daß die Ausgangs-Gleichspannung zusammenbricht. Dadurch ist die Ausgangsleistung der bekannten eigensicheren Stromversorgungseinrichtung in unerwünschter Weise auf relativ niedrige Werte begrenzt. Wegen des ohmschen Begrenzungswiderstandes ist außerdem der Wirkungsgrad noch nicht optimal.In the aforementioned intrinsically safe power supply device an AC input voltage is applied via a transformer transformed down a constant secondary voltage and equal early galvanically isolated from the AC input voltage. The secondary voltage is then bridged rectifier rectified and by means of a parallel in the secondary circuit switched, from a capacitor and the associated discharge resistor existing smoothing device smoothed. The rectified and smoothed secondary voltage is over at least three, each parallel to the secondary circuit switched Zener diodes stabilized. To limit the off gangsstroms is the bridge rectifier between the smoothness device and the stabilization circuit arranged ohmic limiting resistor connected. A current flow of more than 500 mA with a DC output voltage of 12 V. leads to a voltage at the ohmic limiting resistor drop, which has the consequence that the output DC voltage collapses. This makes the output power known intrinsically safe power supply device in unwanted Limited to relatively low values. Because of the ohmic Limiting resistance is also the efficiency not optimal.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine eigensichere Stromversorgungseinrichtung der Schutzart EEx ia I nach Europa norm EN 50020 für den schlagwettergefährdeten Bergbau zu schaffen, die gegenüber den bisherigen eigensicheren Stromver sorgungseinrichtungen der Schutzart EEx ia I eine höhere Aus gangsleistung bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad aufweist.The object of the present invention is to provide an intrinsically safe Power supply device with protection class EEx ia I to Europe standard EN 50020 for firing-endangered mining create that compared to the previous intrinsically safe Stromver care facilities with protection class EEx ia I a higher level performance while improving efficiency having.

Die Lösung der Aufgabe ist bei einer eigensicheren Stromver sorgungseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Lehre des Anspruchs 1 möglich; vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unter ansprüche.The solution to the problem is with an intrinsically safe power supply care device of the type mentioned in the invention possible through the teaching of claim 1; advantageous Ausge Events of the invention are the subject of sub Expectations.

Bei der erfindungsgemäßen eigensicheren Stromversorgungsein richtung wird durch den als Gegentaktübertrager ausgebildeten Übertrager bei gleichzeitiger galvanischer Trennung der Ein gangsspannung von der Ausgangs-Gleichspannung der Ausgangsstrom auf einen vorgegebenen nicht zündfähigen Grenzwert begrenzt. Bei der Eingangsspannung kann es sich hierbei sowohl um eine Gleichspannung als auch um eine Wechselspannung handeln. Die Begrenzung des Ausgangsstromes erfolgt erfindungsgemäß aus schließlich durch den konstanten induktiven Innenwiderstand des Gegentaktübertragers in Verbindung mit einem parallel zum Gegen taktübertrager angeordneten Resonanz-Kondensator und der zyk lisch getakteten Umschalteinrichtung, wobei der konstante induktive Innenwiderstand des Gegentaktübertragers durch den Aufbau und die gegenseitige Anordnung von Primär- und Sekundär wicklung bestimmt wird. Durch die erfindungsgemäße Begrenzung des nicht zündfähigen Ausgangsstromes kann der bisher not wendige ohmsche Begrenzungswiderstand entfallen, so daß sich bei einer Ausgangs-Gleichspannung von z.B. 12 V eine ca. drei fach höhere Ausgangsleistung ergibt, wobei die Ausgangs- Gleichspannung stromunabhängig ist und auf 2 bis 3% konstant gehalten werden kann. Gleichzeitig erhält man einen erheblich besseren Wirkungsgrad, da aufgrund des nicht notwendigen ohmschen Begrenzungswiderstandes die ohmschen Wirkverluste relativ klein gehalten werden können.In the intrinsically safe power supply according to the invention direction is formed by the push-pull transformer Transformer with simultaneous galvanic isolation of the on output voltage from the output DC voltage to the output current limited to a predetermined non-ignitable limit. The input voltage can be either a DC voltage as well as an AC voltage. The The output current is limited according to the invention finally through the constant inductive internal resistance of the Push-pull transformer in connection with one parallel to the opposite clock arranged resonance capacitor and the cycl cally clocked switching device, the constant inductive internal resistance of the push-pull transformer through the Structure and mutual arrangement of primary and secondary winding is determined. Due to the limitation according to the invention of the non-ignitable output current can so far not agile ohmic limiting resistance is eliminated, so that with a DC output voltage of e.g. 12 V an approx. Three times higher output power, whereby the output DC voltage is independent of the current and constant at 2 to 3% can be held. At the same time, you get one considerably better efficiency because of the unnecessary ohmic limiting resistance the ohmic active losses can be kept relatively small.

Die Umwandlungsvorrichtung kann eine Vorregelung nach dem Linearregler-Prinzip umfassen, über welche eine im wesentlichen bis auf ± 15% stabilisierte Eingangsspannung nach ihrer Gleichrichtung geglättet und vorstabilisiert wird, so daß man eine geglättete und vorstabilisierte Haupt-Gleichspannung erhält.The conversion device can be a pre-regulation according to the Linear regulator principle include, through which an essentially up to ± 15% stabilized input voltage according to their Rectification is smoothed and pre-stabilized so that one a smoothed and pre-stabilized main DC voltage receives.

Vorzugsweise umfaßt die Umwandlungsvorrichtung jedoch eine getaktete Vorregelung, z.B. gemäß Anspruch 3. Damit können in vorteilhafter Weise sogar Eingangsspannungen, die lediglich auf z.B. ± 30% stabilisiert sind, an die eigensichere Stromver sorgungseinrichtung angelegt werden.Preferably, however, the conversion device comprises one clocked pre-regulation, e.g. according to claim 3 advantageously even input voltages that are only on e.g. ± 30% are stabilized to the intrinsically safe power supply care facility.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Erfindung, bei der die Umschalteinrichtung zyklisch getaktete MOS-Schalt transistoren umfaßt, wobei die MOS-Schalttransistoren vorzugs weise über einen quarzstabilen Taktgeber taktbar sind. Bei Verwendung von MOS-Schalttransistoren, die über einen quarz stabilen Taktgeber taktbar sind, können Taktfrequenzen bis zu 400 kHz gewählt werden.A further development of the invention is particularly advantageous, in which the switching device cyclically clocked MOS switch comprises transistors, the MOS switching transistors preferred are clockable via a quartz-stable clock. At Use of MOS switching transistors over a quartz stable clocks are clockable, clock frequencies can be up to 400 kHz can be selected.

Dadurch, daß die MOS-Schalttransistoren in einem überlappenden, gleichgroßen Tastverhältnis taktbar sind, wird bei einem Gegen taktübertrager mit einer symmetrisch geteilten Primärwicklung und einer symmetrisch geteilten Sekundärwicklung der Ober wellengehalt der rechteckförmigen Wechselspannung verringert.The fact that the MOS switching transistors in an overlapping, same duty cycle can be clocked, with a counter clock transformer with a symmetrically divided primary winding and a symmetrically split secondary winding of the upper wave content of the rectangular AC voltage reduced.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Darin zeigen:The invention is based on one in the drawing schematically illustrated embodiment. In it show:

Fig. 1 ein Prinzip-Schaltbild der eigensicheren Stromversor gungseinrichtung der Schutzart EEx ia I nach Euronorm EN 50020, Fig. 1 is a basic circuit diagram of the intrinsically safe power sup ply means of protection EEx ia I according to Euro standard EN 50020,

Fig. 2 das physikalische Ersatz-Schaltbild des Gegentaktüber tragers der eigensicheren Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 1, Fig. 2 shows the physical equivalent circuit diagram of the counter clock wearer of the intrinsically safe power supply device according to Fig. 1,

Fig. 3 die Ansteuerung der in einem überlappenden, im wesent lichen gleichgroßen Tastverhältnis getakteten Umschalt einrichtung der eigensicheren Stromversorgungseinrich tung nach Fig. 1, Fig. 3, the control of the clocked in an overlapping, equal-sized in Wesent union duty cycle switching means of FIG tung the intrinsically safe Stromversorgungseinrich. 1,

Fig. 4 ein Prinzip-Schaltbild einer Umwandlungsvorrichtung der eigensicheren Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 1. Fig. 4 is a basic circuit diagram of a conversion device of the intrinsically safe power supply device of FIG. 1.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild der eigensicheren Stromversorgungs einrichtung nach Schutzart EEx ia I mit einem Übertrager, der als Gegentaktübertrager 1 mit einer symmetrisch geteilten Primärwicklung L 1 und einer symmetrisch geteilten Sekundär wicklung L 2 ausgebildet ist. Die Primär-Teilwicklungen L 11, L 12 sind jeweils mit einem MOS-Schalttransistor T 1 bzw. T 2 über seine Drain-Source-Strecke in Reihe geschaltet, wobei der Bulk-Anschluß jedes MOS-Schalttransistors T 1, T 2 mit der zuge hörigen Source-Elektrode verbunden ist und die Gates beider MOS-Schalttransistoren T 1, T 2 mit den Steuerausgängen eines quarzstabilen Taktgebers 3 verbunden sind. In den Primärkreis des Gegentaktübertragers 1 ist eine Umwandlungsvorrichtung 2 zur Umwandlung einer Eingangsspannung U _E in eine Haupt- Gleichspannung U _H geschaltet, wobei an die Umwandlungs vorrichtung 2 sowohl eine Gleichspannung als auch eine Wechsel spannung angelegt werden kann. Parallel zu der Reihenschaltung aus der jeweiligen Primär-Teilwickung L 11 bzw. L 12 und dem zu gehörigen MOS-Schalttransistor T 1 bzw. T 2 ist ein gemeinsamer Resonanz-Kondensator C 1 geschaltet. Zwischen der Umwandlungs vorrichtung 2 und dem Resonanz-Kondensator C 1 ist eine Zener- Diode D 1 parallel in den Primärkreis geschaltet. Fig. 1 shows a circuit diagram of the intrinsically safe power supply device according to protection class EEx ia I with a transformer which is designed as a push-pull transformer 1 with a symmetrically divided primary winding L 1 and a symmetrically divided secondary winding L 2 . The primary sub-windings L 11 , L 12 are each connected in series with a MOS switching transistor T 1 or T 2 via its drain-source path, the bulk connection of each MOS switching transistor T 1 , T 2 with the Adequate source electrode is connected and the gates of both MOS switching transistors T 1 , T 2 are connected to the control outputs of a quartz-stable clock generator 3 . In the primary circuit of the push-pull transformer 1 , a conversion device 2 for converting an input voltage U _E into a main DC voltage U _{H is} connected, wherein both a DC voltage and an AC voltage can be applied to the conversion device 2 . A common resonance capacitor C 1 is connected in parallel with the series connection of the respective primary partial winding L 11 or L 12 and the associated MOS switching transistor T 1 or T 2 . Between the conversion device 2 and the resonance capacitor C 1 , a Zener diode D 1 is connected in parallel in the primary circuit.

Auf der Sekundärseite des Gegentaktübertragers 1 ist zunächst jeweils eine Gleichrichter-Diode D 2 bzw. D 3 in Reihe zu jeder Sekundär-Teilwicklung L 21 bzw. L 22 geschaltet. Der aus den beiden Gleichrichter-Dioden D 2, D 3 bestehenden Doppelweg-Gleich richterschaltung ist ein parallel in den Sekundärkreis ge schalteter Ladekondensator C 2 nachgeordnet. Parallel zu dem Ladekondensator C 2 sind - entsprechend den Forderungen nach Schutzart EEx ia I - wenigstens drei, zueinander ebenfalls parallele Stabilisierungs-Dioden D 4, D 5, D 6 geschaltet.On the secondary side of the push-pull transformer 1 , a rectifier diode D 2 or D 3 is first connected in series with each secondary winding part L 21 or L 22 . The two-way rectifier circuit consisting of the two rectifier diodes D 2, D 3 is followed by a charging capacitor C 2 connected in parallel in the secondary circuit. Are parallel to the charging capacitor C 2 - in accordance with the demands for protection EEx ia I - at least three, are connected to each other also parallel stabilization diode D 4, D 5, D. 6

Bei Anlegen einer Eingangsspannung U _E an die erfindungsgemäße eigensichere Stromversorgungseinrichtung wird die Eingangs spannung U _E, falls es sich um eine Wechselspannung handelt, durch die eine Vorregelung umfassende Umwandlungsvorrichtung 2 gleichgerichtet. Anschließend wird die Eingangsspannung U _E, unabhängig davon ob Gleichspannung oder Wechselspannung, durch die Umwandlungsvorrichtung geglättet und vorstabilisiert, so daß am Ausgang der Umwandlungsvorrichtung 2 eine auf etwa ± 10% stabilisierte Haupt-Gleichspannung U _H anliegt, die mittels der nachgeordneten Z-Diode D 1 begrenzt und auf etwa ± 5% stabili siert wird. Die so erhaltene Haupt-Gleichspannung U _H wird auf den Gegentaktübertrager 1 gegeben, dessen beide Primär-Teil wicklungen L 11, L 12 über ihre zugeordneten MOS-Schalttransi storen T 1, T 2 zyklisch an die Haupt-Gleichspannung U _H schaltbar sind. Die Steuerung der beiden MOS-Schalttransistoren T 1, T 2 erfolgt hierbei in vorteilhafter Weise über einen quarzstabilen Taktgeber 3 bei einer konstant zu wählenden Taktfrequenz im Bereich von 200 kHz bis 400 kHz. Durch das zyklische Takten der MOS-Schalttransistoren T 1, T 2 wird die Haupt-Gleichspannung U _H alternierend an jeweils eine der beiden Primär-Teilwicklungen L 11, L 12 geschaltet, so daß eine gedämpfte Schwingung zwischen dem Gegentaktübertrager 1 und dem parallel zu der Primärwick lung L 1 geschalteten Resonanz-Kondensator C 1 entsteht. Der Gegentaktübertrager 1 transformiert die an der Primärwicklung L 1 anliegende zerhackte Haupt-Gleichspannung U _H auf den ge wünschten Wert herunter und trennt die an der Sekundärwicklung L 2 anliegende rechteckförmige Wechselspannung U _S galvanisch von der Haupt-Gleichspannung U _H und damit von der Eingangsspannung U _E. Anschließend wird die rechteckförmige Wechselspannung U _S mittels der aus den Gleichrichter-Dioden D 2, D 3 bestehenden Doppelweg-Gleichrichterschaltung gleichgerichtet, mittels des nachgeordneten, parallel in den Sekundärkreis geschalteten Ladekondensators C 2 geglättet und mittels der drei parallel zu dem Ladekondensator C 2 angeordneten Stabilisierungs-Dioden D 4, D 5, D 6 stabilisiert. Man erhält auf diese Weise eine auf ± 2% stabile Ausgangs-Gleichspannung U _A, die aufgrund des nicht notwendigen ohmschen Begrenzungswiderstandes im Sekundärkreis des Gegentaktübertragers 1 konstant ist. Bis zum Erreichen eines vorgegebenen, nicht zündfähigen Grenzwertes bei dem sekundärseitig fließenden Ausgangsstrom I _A ist die Ausgangs- Gleichspannung U _A also unabhängig von dem durch einen anliegen den Verbraucher gezogenen Ausgangsstrom I _A.When an input voltage U _{E is applied} to the intrinsically safe power supply device according to the invention, the input voltage U _E , if it is an AC voltage, is rectified by the conversion device 2 comprising a pre-regulation. Subsequently, the input voltage U _E , regardless of whether DC voltage or AC voltage, is smoothed and pre-stabilized by the conversion device, so that a main DC voltage U _H stabilized to approximately ± 10% is present at the output of the conversion device 2 , which is applied by means of the downstream Zener diode D 1 limited and stabilized to about ± 5%. The main DC voltage U _{H obtained in this way} is passed to the push-pull transformer 1 , the two primary part windings L 11 , L 12 of which are connected via their associated MOS switching transistors T 1 , T 2 and can be switched cyclically to the main DC voltage U _H. The control of the two MOS switching transistors T 1 , T 2 takes place in an advantageous manner via a quartz-stable clock generator 3 at a clock frequency to be chosen constantly in the range from 200 kHz to 400 kHz. Due to the cyclical clocking of the MOS switching transistors T 1 , T 2 , the main DC voltage U _{H is switched} alternately to one of the two primary sub-windings L 11 , L 12 , so that a damped oscillation between the push-pull transformer 1 and the parallel to the Primary winding L 1 switched resonance capacitor C 1 arises. The push-pull transformer 1 transforms the chopped main DC voltage U _H applied to the primary winding L 1 down to the desired value and isolates the rectangular AC voltage U _S applied to the secondary winding L 2 galvanically from the main DC voltage U _H and thus from the input voltage U. _E. The rectangular AC voltage U _S is then rectified by means of the double-path rectifier circuit consisting of the rectifier diodes D 2 , D 3 , smoothed by the downstream charging capacitor C 2 connected in parallel in the secondary circuit, and by means of the three stabilizers arranged in parallel with the charging capacitor C 2 -Diodes D 4 , D 5 , D 6 stabilized. In this way, an output DC voltage U _A that is stable to ± 2% is obtained, which is constant in the secondary circuit of the push-pull transformer 1 due to the unnecessary ohmic limiting resistance. Until a predetermined, non-ignitable limit value is reached for the output current I _A flowing on the secondary side, the DC output voltage U _A is therefore independent of the output current I _A drawn by an applied consumer.

Die Eigensicherheit der Stromversorgungseinrichtung wird erfindungsgemäß ausschließlich durch den induktiven Innen widerstand des Gegentaktübertragers 1 in Verbindung mit dem parallel zu dem Gegentaktübertrager 1 angeordneten Resonanz- Kondensator C 1 und der Umschalteinrichtung 4 gewährleistet.The intrinsic safety of the power supply device according to the invention exclusively by the internal resistance of the inductive Gegentaktübertragers 1 ensures in conjunction with the arranged parallel to the push-pull transformer 1 resonance capacitor C 1 and the switching device. 4

Der konstante induktive Innenwiderstand des Gegentaktüber tragers 1 wird hierbei durch den Aufbau und die gegenseitige Anordnung der Primär-Teilwicklungen L 11, L 12 zu den Sekundär- Teilwicklungen L 21, L 22 im Sinne der in Fig. 2 gezeigten hohen Streuinduktivitäten LS 11, LS 12; LS 21, LS 22 erreicht. Der kon stante induktive Innenwiderstand des Gegentaktübertragers 1 führt in Verbindung mit der vorher beschriebenen Ansteuerung dazu, daß erst bei Überschreiten des vorgegebenen nicht zünd fähigen Grenzwertes bei dem sekundärseitig fließenden Ausgangs strom I _A das Magnetfeld im Gegentaktübertrager 1 zusammenbricht und damit die Ausgangs-Gleichspannung U _A noch vor Erreichen der Zündfähigkeit eines explosiven Gasgemisches fast schlagartig zusammenbricht und den Ausgangsstrom I _A begrenzt.The constant inductive internal resistance of the push-pull transmitter 1 is here by the structure and the mutual arrangement of the primary partial windings L 11 , L 12 to the secondary partial windings L 21 , L 22 in the sense of the high leakage inductances LS 11 , LS shown in FIG. 2 12 ; LS 21 , LS 22 reached. The kon stante inductive internal resistance of the Gegentaktübertragers 1, in conjunction with the above-described control to the fact that only when exceeding the predetermined non-ignitable limit value at the secondary side flowing output I _A current the magnetic field in the push-pull transformer 1 collapses, and thus the DC output voltage U _A before an explosive gas mixture becomes ignitable, it breaks down almost suddenly and limits the output current I _A.

Durch die parallel in den Primärkreis geschalteten, zwischen der Umwandlungsvorrichtung 2 und dem Resonanz-Kondensator C 1 angeordneten Zener-Diode D 1 wird in vorteilhafter Weise eine ungewollte Erhöhung der Haupt-Gleichspannung U _H verhindert, so daß damit schon ein mögliches Ansteigen des Ausgangstromes I _A aufgrund einer Erhöhung der Haupt-Gleichspannung U _H von vorn herein zuverlässig verhindert wird.The parallel connection in the primary circuit between the conversion device 2 and the resonance capacitor C 1 arranged Zener diode D 1 advantageously prevents an unwanted increase in the main DC voltage U _H , so that a possible rise in the output current I _A is reliably prevented from the outset due to an increase in the main DC voltage U _H.

Bei der in Fig. 1 gezeigten eigensicheren Stromversorgungsein richtung wird bei einem Ausfall eines der beiden MOS-Schalt transistoren T 1, T 2 die Eigensicherheit nicht beeinträchtigt. Wird zum Beispiel der MOS-Schalttransistor T 1 hochohmig, so fließt kein zerhackter Gleichstrom mehr durch die Primär- Teilwicklung L 11, so daß sich bei funktionsfähigem MOS-Schalt transistor T 2 eine Leistungshalbierung ergibt. Wird zum Beispiel der MOS-Schalttransistor T 1 jedoch niederohmig, so fließt durch die Primär-Teilwicklung L 11, aufgrund der fehlenden Sperrwirkung beim MOS-Schalttransistor T 1, kein zerhackter Gleichstrom, sondern nur Gleichstrom, so daß keine Transformierung der Spannung stattfinden kann und am Ausgang der eigensicheren Stromversorgungseinrichtung keine Ausgangs- Gleichspannung U _A anliegt. Die Primär-Teilwicklung L 11 wirkt bei niederohmigem MOS-Schalttransisotor T 1 als reiner ohmscher Widerstand, der zum Kurzschluß und zum Ansprechen der Sicherung in der Umwandlungsvorrichtung 2 führt.In the intrinsically safe power supply device shown in FIG. 1, intrinsic safety is not impaired in the event of a failure of one of the two MOS switching transistors T 1 , T 2 . If, for example, the MOS switching transistor T 1 has a high resistance, then no chopped direct current flows through the primary part winding L 11 , so that when the MOS switching transistor T 2 is functional, the power is halved. However, if, for example, the MOS switching transistor T 1 becomes low-resistance, no chopped direct current flows through the primary partial winding L 11 , due to the lack of blocking effect in the MOS switching transistor T 1 , but only direct current, so that no transformation of the voltage can take place there is no DC output voltage U _A at the output of the intrinsically safe power supply device. The primary partial winding L 11 acts in the case of a low-impedance MOS switching transistor T 1 as a pure ohmic resistance, which leads to a short circuit and to the fuse in the conversion device 2 .

In Fig. 3 ist die Ansteuerung der beiden MOS-Schalttransistoren T 1, T 2 der eigensicheren Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 1 schematisch dargestellt. Der obere Teil der Fig. 3 zeigt den Verlauf der an dem MOS-Schalttransistor T 1 angelegten Steuer spannung U _{T 1}, der untere Teil zeigt den Verlauf der an dem MOS-Schalttransistor T 2 angelegten Steuerspannung U _{T 2}. Durch die Wahl eines überlappenden, im wesentlichen gleichgroßen Tastverhältnisses wird bei einem Gegen taktübertrager 1 mit einer symmetrisch geteilten Primärwicklung L 1 und einer symmetrisch geteilten Sekundärwicklung L 2 der Oberwellengehalt der rechteckförmigen Wechselspannung U _S in vorteilhafter Weise verringert.In Fig. 3, the control of the two MOS switching transistors T 1 , T 2 of the intrinsically safe power supply device according to Fig. 1 is shown schematically. The upper part of Fig. 3 shows the profile of the voltage applied to the MOS switching transistor T 1 control voltage U _{T 1,} the lower part shows the course of the voltage applied to the MOS switching transistor T 2 control voltage U _{T 2.} By choosing an overlapping, substantially equal duty cycle, the harmonic content of the rectangular AC voltage U _{S is} advantageously reduced in a counter clock transformer 1 with a symmetrically divided primary winding L 1 and a symmetrically divided secondary winding L 2 .

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer Umwandlungsvorrichtung 2 der eigensicheren Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 1. Die Um wandlungsvorrichtung 2 besteht aus einem Gleichrichter 5 und einer nachgeschalteten getakteten Vorregelung 7. Zwischen dem Gleichrichter 5 und der getakteten Vorregelung 7 ist eine Batterie B im Stand-By-Modus zwischengeschaltet, die bei Aus fall der Eingangsspannung U _E kurzzeitig eine Gleichspannung von ca. 50 V zur Verfügung stellen kann. Die getaktete Vorregelung 7 besteht aus einem parallel zwischen den aus gangsseitigen Anschlüssen des Gleichrichters 5 geschalteten Glättungskondensator C 3, einem nachgeordneten Schalttransistor T 3, der über seine Kollektor-Emitter-Strecke in den strom führenden Leiter geschaltet ist, und einer dem Schalttransistor T 3 nachfolgenden Speicherinduktivität L 3, die ebenfalls in den stromführenden Leiter geschaltet ist. Die Basis des Schalt transistors T 3 ist mit dem Steuerausgang eines Taktgebers 6 verbunden, der sein Steuersignal über eine der Speicherinduk tivität L 3 nachgeordnete, parallel zu dem Glättungskondensator C 3 geschaltete Spannungsteiler-Schaltung R 1, R 2 erhält. FIG. 4 shows a circuit diagram of a conversion device 2 of the intrinsically safe power supply device according to FIG. 1. The conversion device 2 consists of a rectifier 5 and a clocked precontrol 7 connected downstream. Between the rectifier 5 and the clocked pre-control 7 , a battery B is interposed in stand-by mode, which can provide a DC voltage of approximately 50 V for a short time if the input voltage U _E fails. The clocked pre-control 7 consists of a smoothing capacitor C 3 connected in parallel between the output-side connections of the rectifier 5 , a downstream switching transistor T 3 , which is connected into the current-carrying conductor via its collector-emitter path, and one following the switching transistor T 3 Storage inductance L 3 , which is also connected in the current-carrying conductor. The base of the switching transistor T 3 is connected to the control output of a clock generator 6 , which receives its control signal via a memory inductance L 3 downstream, connected in parallel with the smoothing capacitor C 3 , voltage divider circuit R 1 , R 2 .

Bei Anlegen einer Eingangsspannung U _E, bei der es sich sowohl um eine Gleichspannung im Bereich von 45 bis 300 V als auch um eine Wechselspannung im Bereich von 42 bis 220 V handeln kann, wird diese zunächst im Gleichrichter 5 gleichgerichtet. Die Eingangsspannung U _E braucht hierbei in vorteilhafter Weise, unabhängig vom Spannungswert, nur auf z.B. ± 30% stabilisiert zu sein, da durch die nachgeschaltete, getaktete Vorregelung 7 bei einem Ansteigen der Eingangsspannung U _E die Einschaltdauer des Schalttransistors T 3 verkürzt und seine Ausschaltdauer verlängert wird bzw. bei einem Absinken der Eingangsspannung U _E die Einschaltdauer des Schalttransistors T 3 verlängert und seine Ausschaltdauer verkürzt wird.When an input voltage U _{E is applied} , which can be both a DC voltage in the range from 45 to 300 V and an AC voltage in the range from 42 to 220 V, this is first rectified in the rectifier 5 . The input voltage U _E advantageously only needs to be stabilized to, for example, ± 30%, regardless of the voltage value, since the switched-on, clocked pre-control 7 shortens the on-time of the switching transistor T 3 and increases the off-time when the input voltage U _E rises If the input voltage U _{E drops,} the on-time of the switching transistor T 3 is extended and its off-time is shortened.

Diese Veränderung des Puls-Pausen-Verhältnisses in Abhängig keit von der Eingangsspannung U _E erfolgt hierbei nicht spannungsgesteuert, sondern stromgesteuert, da das Steuersignal für den Taktgeber 6 erst nach der Integration des Eingangs stromes I _E in der Speicherinduktivität L 3, also nach der Bildung eines Strommittelwertes, abgegriffen wird. Durch diese vorteilhafte stromgesteuerte Taktung des Schalttransistors T 3 liegt am Ausgang der Umwandlungsvorrichtung 2 eine auf ± 10% stabilisierte Haupt-Gleichspannung U _H an, die mittels der nachgeordneten Z-Diode D 1 begrenzt und auf etwa ± 5% stabi lisiert wird. Die so erhaltene Haupt-Gleichspannung U _H wird auf den in Fig. 1 beschriebenen Gegentaktübertrager 1 gegeben.This change in the pulse-pause ratio as a function of the input voltage U _E is not voltage-controlled, but current-controlled, since the control signal for the clock generator 6 only after the integration of the input current I _E in the memory inductance L 3 , that is to say after formation of an average current value is tapped. This advantageous current-controlled timing of the switching transistor T3 is at the output of the conversion device 2 a stabilized to within ± 10% of the main DC voltage U _H to which is limited, and by means of the downstream Zener diode D 1 lisiert stable at about ± 5%. The main direct voltage U _H thus obtained is applied to the push-pull transformer 1 described in FIG. 1.

Claims

1. Intrinsically safe power supply device with a transformer, which has a primary winding and a secondary winding, with a rectifier circuit connected downstream of the secondary winding and with a smoothing device following this, as well as with a number of stabilizing diodes required for protection, which is arranged after the smoothing device are characterized by the following features:

a) As a transformer, a push-pull transformer ( 1 ) is provided, the primary winding ( L 1 ) and secondary winding ( L 2 ) in the sense of high leakage inductances ( LS 11 , LS 12 ; LS 21 , LS 22 ) are arranged to each other and a constant inductive Has internal resistance, via which an output current ( I _A ) can be limited;
b) on the primary side of the push-pull transformer ( 1 ), a conversion device ( 2 ) for converting the input voltage ( U _E ) into a main DC voltage ( U _H ) is provided;
c) the primary partial windings ( L 11 , L 12 ) and the conversion device ( 2 ) is assigned a cyclically clocked switching device ( 4 ) through which the main DC voltage ( U _H ) alternately to the primary partial windings ( L 11 , L 12 ) is switchable.
d) between the conversion device ( 2 ) and the primary winding development ( L 1 ) via the switching device ( 4 ) at least one resonance capacitor ( C 1 ) can be connected in parallel to the respective primary partial winding ( L 1 or L 2 );

2. Intrinsically safe power supply device according to claim 1, characterized in that the conversion device ( 2 ) comprises a pre-regulation according to the linear regulator principle, via which the input voltage ( U _E ) can be converted into a smoothed and pre-stabilized main DC voltage ( U _H ).

3. Intrinsically safe power supply device according to claim 1, characterized in that the conversion device ( 2 ) comprises a clocked pre-control ( 7 ) which is connected downstream of a rectifier ( 5 ) and which is connected in parallel between the output-side connections of the rectifier ( 5 ) Smoothing capacitor ( C 3 ), a downstream series circuit connected in the current-carrying conductor, consists of a switching transistor ( T 3 ) and a memory inductor ( L 3 ) following it, the switching transistor ( T 3 ) depending on the input voltage ( U _E ) A clock generator ( 6 ) can be clocked, the control signal of which can be tapped via a voltage divider circuit ( R 1 , R 2 ) connected downstream of the memory inductance ( L 3 ) and connected in parallel to the smoothing capacitor ( C 3 ).

4. Intrinsically safe power supply device according to claim 3, characterized in that a battery ( B ) is connected to the output-side connections of the rectifier ( 5 ).

5. Intrinsically safe power supply device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a main DC voltage ( U _H ) stabilizing and limiting Zener diode ( D 1 ) of the conversion device ( 2 ) is connected downstream.

6. Intrinsically safe power supply device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the switching device ( 4 ) comprises cyclically clocked MOS switching transistors ( T 1 , T 2 ).

7. Intrinsically safe power supply device according to claim 6, characterized in that the MOS switching transistors ( T 1 , T 2 ) can be clocked via a quartz-stable clock ( 3 ).

8. Intrinsically safe power supply device according to claim 6 or 7, characterized in that the MOS switching transistors ( T 1 , T 2 ) can be clocked in an overlapping, substantially the same size, duty cycle.

9. Intrinsically safe power supply device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the rectifier circuit is designed as a full-wave rectifier circuit, with at least one rectifier diode ( D. 21 ) connected in series with the secondary partial windings ( L 21 , L 22 ) 2 or D 3 ) is provided.

10. Intrinsically safe power supply device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the smoothing device consists of at least one charging capacitor ( C 2 ) connected in parallel in the secondary circuit.