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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Versorgung von
mehreren in einer elektronischen Baueinheit zusammengefassten Modulen mit
elektrischem Strom.
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Sie
betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, elektronische Ausrüstungen
an Bord von Luftfahrzeugen, die von einem Gleichstrom-Verteilernetz
gespeist werden. Es stellt sich heraus, dass die von diesem Netz
gelieferte Gleichspannung stark gestört ist, was für die elektronischen
Ausrüstungen schädlich ist,
die mit einer solchen Spannung gespeist würden.
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Diese
Störungen
kommen zunächst
daher, dass die dieses Netz speisenden Energiequellen nicht alleine
vorhanden sind. Beim Abschalten der Motoren des Luftfahrzeugs wird
das Netz nämlich von
Batterien gespeist, während
es bei laufenden Motoren von an die Motoren gekoppelten Lichtmaschinen
gespeist wird. Ein fliegendes Luftfahrzeug kann außerdem starken
elektromagnetischen Störungen
ausgesetzt sein, insbesondere dem Blitzschlag, was zu hohen Überspannungen
im Stromnetz oder im Gegenteil zu Mikroabschaltungen führen kann.
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Auch
führen
die Ladungsveränderungen
dieses Netzes und die Verbrauchsveränderungen der von diesem Netz
gespeisten Ausrüstungen
sowie die Regelungs-Spannungsstöße der Generatoren
zu starken kurzzeitigen Spannungsveränderungen.
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Bei
einer Nennspannung von 28 Volt hat man so Spannungsveränderungen
festgestellt, die 12 bis 48 Volt erreichen können. Außerdem können die vom Blitzschlag verursachten Überspannungen
sehr viel größer sein.
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Es
ist also notwendig, bei jeder an Bord befindlichen Ausrüstung eine
Spannungsregelungsvorrichtung vorzusehen, die in der Lage ist, solche Spannungsveränderungen
auszuhalten und zu verarbeiten.
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Außerdem tendiert
die Weiterentwicklung der an Bord von Luftfahrzeugen befindlichen
Ausrüstungen
zu einer immer modulareren und immer stärker integrierten Architektur
mit Baueinheiten oder Schaltschränken,
in denen eine Vielzahl von Modulen zusammengefasst sind, deren Bedürfnisse
bezüglich
der Versorgungsspannung sich von Modul zu Modul unterscheiden.
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Daher
wurde jeder Modul mit einer Versorgungseinrichtung versehen, die
alle notwendigen Gleichspannungsregelungs- und -umwandlungsmittel
enthält.
Die die Regelung solcher Spannungsveränderungen ermöglichenden
Bauteile sind aber relativ voluminös und teuer. Daraus folgt,
dass diese Lösung
in Anwendung auf eine Vielzahl von Modulen teuer ist und dazu führt, den
Platzbedarf jedes Moduls beträchtlich
zu erhöhen
und seine Zuverlässigkeit
zu verringern, da er dann starke Spannungsschwankungen absorbieren
muss.
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In
einem anderen Rahmen, d.h. demjenigen der Systeme zur Verteilung
hochwertiger elektrischer Energie für Daten- oder Telekommunikationssysteme,
die ausgehend von einem Wechselstromversorgungsnetz wirken, ist
es bekannt, insbesondere aus dem amerikanischen Patent
US 5,477,091 oder dem Artikel von
Y.S.LEE et al. mit dem Titel "Optimizing the
design of switch-mode power supply with battery back-up and power
factor correction",
erschienen in IEEE, 30. April 1995, Seiten 2051–2054, XP000059099, einen zentralen
Vorregler zu verwenden, der den Wechselstrom des Versorgungsnetzes in
einen vorgeregelten Gleichstrom wandelt, der von einem Gleichstromverteilerbus
bis zu Spannungswandlern/Reglern transportiert wird, die sich in
den oder in direkter Nähe
der Benutzermodule befinden.
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Diese
Architektur der Verteilung elektrischer Energie ausgehend von einem
Wechselstrom-Versorgungssystem ermöglicht es, die Kosten und den Platzbedarf
der Spannungswandler/Regler zu reduzieren, die sich in den oder
in direkter Nähe
der Benutzermodule befinden, da sie eine bereits vorgeregelte elektrische
Spannung verarbeiten, die also geringeren Schwankungen ausgesetzt
ist als diejenigen des Wechselstromversorgungsnetzes. Sie hat aber den
Nachteil, für
die Ausbreitung von Störfällen zwischen
den Benutzermodulen empfindlich zu sein, da einer von ihnen aufgrund
eines fehlerhaften Betriebs den Gleichstrom-Verteilerbus kurzschließen und
alle anderen Benutzermodule von der Versorgung abtrennen kann.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die Vorteile der geringen Kosten
und des geringen Platzbedarfs einer Architektur der Verteilung elektrischer Energie
auf der Basis eines zentralen Vorreglers und von Wandlern/Reglern
beizubehalten, die in Höhe der
Benutzermodule verteilt sind, und sich gleichzeitig vor der Ausbreitung
von Störfällen zwischen
Benutzermodulen zu schützen.
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Sie
hat eine Versorgungseinrichtung zur Versorgung mehrerer elektronischer
Verbrauchermodule mit Gleichstrom ausgehend von einer gestörten Gleichspannung
zum Gegenstand, die einen großen Spannungsänderungsbereich
aufweist. Diese Einrichtung weist einerseits einen Primärversorgungsmodul,
der mit Mitteln zur Spitzenbegrenzung, um die Hochspannungsimpulse
zu unterdrücken,
mit Filtermitteln, um hohe Frequenzen zu unterdrücken, und mit Vorregelungsmitteln
versehen ist und der den elektronischen Verbrauchermodulen eine
vorgeregelte Spannung liefert, und andererseits in Höhe jedes
elektronischen Verbrauchermoduls Spannungswandlermittel auf, die
ausgehend von der vom Primärversorgungsmodul vorgeregelten
Spannung die Spannungen liefert, die an die Erfordernisse des Moduls
angepasst sind. Sie ist dadurch bemerkenswert, dass der Primärversorgungsmodul
Spannungserhöhungsmittel
aufweist und mit jedem elektronischen Verbrauchermodul über eine
eigene Verteilungsleitung verbunden ist, die an ihrem Anfang mit
Mitteln zum Schutz vor Kurzschlüssen
ausgestattet ist.
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Die
notwendige Verkabelung, um jeden elektronischen Verbrauchermodul
ausgehend vom Versorgungsmodul zu speisen, weist nur zwei Stromdrähte auf,
wobei jeder Modul bezüglich
der Erzeugung der von ihm benötigten
Spannungen autonom bleibt. So wird vermieden, eine spezifische Verkabelung
vorsehen zu müssen,
um jede zwischen einem gemeinsamen Versorgungsmodul und den Verbrauchermodulen
notwendige Spannung zuzuführen.
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Diese
Lösung
ermöglicht
es also, die Verkabelung zu vereinfachen und so die Kosten beträchtlich
zu senken.
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Vorteilhafterweise
sind die Mittel zum Schutz vor Kurzschlüssen elektronische Trennschalter,
die an den Anfang der individuellen Verteilungsleitungen angeordnet
und so gestaltet sind, dass sie sich bei einem stromabwärts hinten
liegenden Kurzschluss sofort öffnen
und automatisch schließen,
wenn sie freigeschaltet werden.
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Vorteilhafterweise
weist der Primärversorgungsmodul
eine Reserve-Energiequelle von der Art Kondensator auf, der am Ausgang
der Spannnungserhöhungsmittel
angeordnet ist und die kurzzeitigen Spannungsabfälle ausgleicht.
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Vorteilhafterweise
weisen die Spannungswandlermittel in Höhe jedes elektronischen Verbrauchermoduls
Mittel zur galvanischen Isolierung auf, die es ermöglichen,
sich von den Störungen
zu befreien, die in der Verteilerleitung des vorgeregelten Stroms
zwischen dem Primärversorgungsmodul
und den Verbrauchermodulen auftreten könnten.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird nachfolgend als nicht einschränkend zu verstehendes Beispiel
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es
zeigen:
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1 schematisch
eine an Bord eines Luftfahrzeugs befindliche elektronische Ausrüstung, die mehrere
Verbrauchermodule und einen Primärversorgungsmodul
gemäß der Erfindung
zusammenfasst;
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2 den
erfindungsgemäßen Primärversorgungsmodul;
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3 einen
Sekundärversorgungsmodul
gemäß der Erfindung,
der zur Ausrüstung
jedes Verbrauchermoduls gehört.
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Die
in 1 dargestellte elektronische Ausrüstung 1 liegt
in Form einer Baueinheit oder eines Gestells vor, in das mehrere
Module 2 bis 5, darunter ein Primärversorgungsmodul 5 gemäß der Erfindung, der
die Funktionen der Vorregelung der von der allgemeinen Versorgung
des Luftfahrzeugs gelieferten Primärspannungen auf 28 Volt zusammenfasst,
eingefügt
und mit Hilfe von "Rückwandplatinen"-Verbindungen 8 miteinander
verbunden sind.
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Allgemein
weist ein Luftfahrzeug mindestens zwei Gleichstromverteilernetze
auf, nämlich
ein Hauptnetz und ein Hilfsnetz. Der Primärversorgungsmodul ist dann
mit diesen beiden Netzen verbunden, wie es die Figur zeigt.
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Genauer
gesagt, gewährleistet
der Primärversorgungsmodul 5 die
Funktionen der Begrenzung der Überspannungen,
der Spitzenbegrenzung der mit einem Blitzschlag verbundenen Stoßspannungen,
der Kompensation vorübergehender
Spannungsabfälle,
mit dem Ziel, an die anderen Module 2 bis 4 eine
auf 28 Volt vorgeregelte Spannung zu liefern. Es stellt sich tatsächlich heraus,
dass die von den allgemeinen Versorgungen eines Luftfahrzeugs gelieferten
Spannungen großen
Schwankungen von 12 bis 48 Volt unterworfen sind, wobei diese Veränderungen
in Stößen sehr
viel höher
sein können.
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Der
Primärversorgungsmodul 5 fasst
auf einer einzigen Elektronikkarte eine Gruppe von relativ platzraubenden
und teuren Bauteilen zusammen, um an mehrere Module eine vorgeregelte
Spannung zu liefern, die einen geringen Schwankungsbereich hat, zum
Beispiel von 18 bis 32 Volt, die anschließend durch kostengünstige Spannungswandler 6 angepasst
werden kann, die in jeden Modul eingesetzt und in der Lage sind,
die unterschiedlichen Spannungen zu liefern, die von den Modulen
genutzt werden.
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In 2 weist
der Primärversorgungsmodul 5 nacheinander
in Reihe für
jede 28-Volt-Versorgungsleitung
des Luftfahrzeugs, die an den Eingang angelegt wird, auf:
- – eine
Spitzenbegrenzungsvorrichtung 11, 12, die aus
einer Zener-Diode und/oder einer ähnlichen Vorrichtung, wie zum
Beispiel einem Varistor, besteht, die zwischen der jeweiligen Versorgungsleitung
und Masse parallelgeschaltet ist, wobei diese Vorrichtung es erlaubt,
die Impulse von mehr als 80 Volt, zum Beispiel aufgrund von Blitzschlag, zu
unterdrücken,
- – einen
Tiefpassfilterkreis 13, 14, der mit dem Ausgang
der Spitzenbegrenzungsvorrichtung 11, 12 verbunden
ist,
- – automatische
Schaltmittel 27, 28, um den Rest der Schaltung
in Abhängigkeit
vom Vorhandensein oder der Abwesenheit von an den Eingang angelegter
Spannung zu speisen oder nicht, wobei diese Mittel so gestaltet
sind, dass sie eines der beiden Versorgungsnetze 9, 10 des
Luftfahrzeugs bevorzugen, wenn beide verfügbar sind,
- – einen
Spannungs-Vorregelkreis 15, 16, der eine Spannungsspitzenbegrenzung
und eine Strombegrenzung am Ausgang des Filterkreises 13, 14 durchführt.
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Der
Primärversorgungsmodul 5 weist
außerdem
eine Spannungsregelungs-/erhöhungsschaltung 17,
die mit den beiden Spannungsvorregelkreisen 15, 16 verbunden
ist, um während
einiger zehn Sekunden, zum Beispiel 30 Sekunden, an den Rest der
Schaltung eine Spannung von 28 Volt anzulegen, wenn die Spannung
am Eingang auf ein Minimum von 12 Volt gesunken ist, und einen Verteilerstromkreis 18 auf,
der mit dem Ausgang der Spannungserhöhungsschaltung 17 verbunden
ist. Der Verteilerkreis 18 weist eine Energie-Reservequelle 20,
die zum Beispiel von einer Batterie von Kondensatoren gebildet wird,
und eine Einheit von elektronischen Trennschaltern 21 bis 23 auf,
die je an die anderen Module 2 bis 4 der Baueinheit 1 eine
vorgeregelte Gleichspannung von 28 Volt liefern.
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Es
ist anzumerken, dass die Energie-Reservequelle 20 am Ausgang
der Spannungsregelungs-/erhöhungsschaltung 17 angeordnet
ist, die also eine hohe und in etwa konstante Spannung an sie anlegt.
Da die Ladung eines Kondensators proportional zur zwischen seinen
Klemmen angelegten Spannung ist, bleibt die in der Energie-Reservequelle 20 gespeicherte
Energie also in etwa konstant und hoch, unabhängig vom Pegel der vom Netz
gelieferten Spannung.
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Aufgrund
dieser Maßnahmen
ist der Primärversorgungsmodul 5 in
der Lage, Unterbrechungen von einigen zehn Millisekunden (20 bis
200 ms zum Beispiel) zu kompensieren, indem er die Versorgungen
zu den Modulen 2 bis 4 aufrechterhält.
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Die
Trennschalter 21 bis 23 sind so gestaltet, dass
sie sich im Fall eines stromabwärts
hinten liegenden Kurzschlusses automatisch öffnen und sich automatisch
schließen,
wenn sie freigeschaltet werden. So gewährleisten sie einen getrennten
Schutz des Primärversorgungsmoduls 5 vor
Kurzschlüssen, die
in den Modulen 2 bis 4 oder in den Verbindungen zwischen
diesen letzteren und den Trennschaltern auftreten können, und
garantieren so die Verfügbarkeit
der Versorgung und die Verhinderung der Ausbreitung von Störfällen im
Fall eines Kurzschlusses in einem Modul.
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Die
Vorregelkreise 15, 16 weisen je eine Sperrdiode
auf, die es ermöglichen,
im Fall einer Netzabschaltung die Entladung der Kondensatoren 20 zu
den Netzen 9, 10 zu verhindern.
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Außerdem weist
der Modul 5 zwei Vorrichtungen zur Erfassung einer Netzabschaltung 25, 26 auf,
die je zwischen den Ausgang der Filter 13, 14 und
den Ausgang der Spannungserhöhungsschaltung 17 parallelgeschaltet
sind. Wenn die Dauer der Netzabschaltung die Versorgungszeit der
Energie-Reservequelle 20 überschreitet, zeigen die Vorrichtungen
zur Erfassung einer Netzabschaltung 25, 26 den
Modulen 2 bis 4 mit Hilfe von Signalen 25a und 26a an,
dass es nach einer kurzen Zeit von einigen Millisekunden (2 bis
20 ms) einen vollständigen Versorgungsverlust
geben wird. Das Auftreten der Signale 25a und 26a löst einen
batterie- oder kondensatorgestützten Prozess
der Speicherung bestimmter kritischer Flugparameter auf, die insbesondere von
den Modulen 2 bis 4 ausgearbeitet werden. Die Zeit
des Einschreibens in den Speicher beträgt 2 bis 20 ms, während die
notwendige Zeit zum Speichern dieser Parameter im Allgemeinen zwischen 200
ms und 5 s liegt.
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Manche
elektronische Trennschalter 21 bis 23 können sich
auch mit Hilfe eines Signals 19, das vom Detektor 25 des
Hauptnetzes 9 bei dessen Verlust kommt, und wenn man nicht
einen oder mehrere Module 2 bis 4 mit dem Hilfsnetz
versorgen will, um eine zu starke Belastung dieses Netzes zu vermeiden,
schnell öffnen.
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Der
Modul 5 weist auch einen nicht-flüchtigen Wartungsspeicher 24 auf,
zum Beispiel vom Typ FPROM, der es ermöglicht, alle Ereignisse zu
speichern, die die Wartung des Moduls vereinfachen können, wie
zum Beispiel das Öffnen
eines Trennschalters 21 bis 23 und die Netzabschaltungen,
die Zustandsänderungen
der Schalter 27, 28 bewirkt haben. Der Inhalt
dieses Speichers 24 wird von den Verbrauchermodulen 2 bis 4 aktualisiert,
die einen Schreib- und Lesezugriff auf ihn haben, um jeden Lesevorgang
zu prüfen.
Dieser Speicher kann auch von den Abschaltungsdetektoren 25, 26 und
von den Trennschaltern 21 bis 23 und den Schaltvorrichtungen 27, 28 aktualisiert
werden, die zu diesem Zweck einen binären Ausgang aufweisen, an dem
der Zustand des Trennschalters bzw. der Schaltvorrichtung vorliegt.
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Dieser
Primärversorgungsmodul 5 liefert
an die anderen Module 2, 4 der Ausrüstung 1 eine
vorgeregelte Spannung, die anschließend von den anderen Modulen
mit Hilfe von integrierten Sekundärversorgungsblöcken 6 angepasst
werden kann, die eine Struktur aufweisen, die sehr viel einfacher
und weniger platzaufwändig
und folglich kostengünstiger ist,
als wenn man die von jedem Netz des Luftfahrzeugs gelieferten Spannungen
an die Erfordernisse jedes Moduls anpassen müsste.
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In 3 weist
so jeder Sekundärversorgungsblock 6 ein
Eingangsfilter 31 auf, das die vorgeregelte Spannung von
28 Volt empfängt,
was es ermöglicht,
die hohen Frequenzen zu unterdrücken,
die in Höhe
der Verbindungsleitungen zwischen den Trennschaltern 21 bis 23 und
den Versorgungsblöcken 6 auftreten
können.
Der Ausgang des Eingangsfilters 31 ist mit einem Gleichspannungswandler 32 verbunden,
der einen Primärblock
und einen Sekundärblock
aufweist, die galvanisch durch einen Impulstransformator isoliert
werden. Die Versorgung der Module ist somit galvanisch vom Primärversorgungsmodul 5 isoliert.
Der Wandler 32 ist zum Beispiel vom Zerhacker-Typ "Flyback" mit einer 0-Volt-Umwandlung.
Der Sekundärblock
ermöglicht es,
die verschiedenen Spannungen V1, V2, V3 zu liefern, die für den Modul
notwendig sind, zum Beispiel 5 V und +/–15 V, die vorher von Ausgangsfiltern 33, 34 gefiltert
werden, die es ermöglichen,
die hohen Frequenzen zu unterdrücken,
die möglicherweise vom
Zerhacker-Wandler 32 eingeführt werden.
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Außerdem wird
der Wandler 32 von einer Steuerschaltung spannungsgeregelt,
die eine Primärschaltung 35,
die Steuersignale empfängt,
und eine Sekundärschaltung 36 aufweist,
die voneinander isoliert sind und Prüfsignale liefern, wobei diese beiden
Schaltungen 35, 36 galvanisch durch einen Impulstransformator 37 isoliert
werden. Die Sekundärsteuerschaltung 36 führt die
Messung einer der Spannungen am Ausgang der Filter 33, 34 durch, zum
Beispiel der Spannung V1, um ein Steuersignal zu erzeugen, das an
die Primärschaltung 35 übertragen
wird. Die Primärschaltung 35 wandelt
dieses Signal in Abhängigkeit
von einer maximalen Bezugsausgangsleistung in ein zweites Steuersignal
um, das an die Schalttransistoren des Zerhacker-Wandlers 32 angelegt
wird. Die Regelung der anderen Ausgangsspannungen V2, V3 wird mit
Hilfe der magnetischen Kopplung erhalten, die vom Transformator des
Wandlers 32 und aufgrund der Symmetrie von dessen Schaltungen
durchgeführt
wird. Ein solcher Wandler erfordert keinerlei Mindestladung in Höhe seiner
Ausgänge.