WO2017202569A2 - Primärgetaktetes schaltnetzeil - Google Patents
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- H02M3/335—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/33507—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters
Definitions
- the invention relates to a primary-switched switching power supply and a field device with such a switching power supply.
- Switched-mode power supplies are used today in virtually all electronic devices, both in the private consumer sector, for example in a television, as well as in industrial environments, for example in a field device of automation technology.
- Such field devices of automation technology are used for detecting and / or influencing process variables.
- Examples of such field devices are level gauges, mass flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices,
- field device also includes e.g. a gateway, a radio adapter or other bus users integrated / integrable into a bus system.
- crowbar circuits are used today, which limit the output voltage of the switching power supply as a last resort.
- a secondary-side thyristor is triggered in the event of a fault, in particular in the case of an overvoltage, which causes a short circuit between the output voltage and a ground.
- the secondary-side current rises to such an extent that a fuse blows and the secondary-side current is interrupted, so that the circuit to be supplied to the downstream device from the primary side of
- Switching power supply is disconnected.
- a control loop which also typically has a switching power supply, of the
- the introduced power can only be dissipated via a primary-side circuit branch region with an additional primary winding of the transformer, whereby this primary-side
- Temperature class 6 according to which a maximum surface temperature may not rise above 85/80 ° C, can not be met. Furthermore, there is dangerous voltage in the circuit of the switching power supply, although it is supplied with only relatively low voltages.
- the object is achieved by a Primschenaktaktetes switching power supply and a field device of automation technology.
- the object is achieved by a primary-clocked switched-mode power supply for converting an input voltage into an output voltage, wherein the switched-mode power supply comprises at least the following:
- a first switch element which can be switched by a control signal and which is arranged in the primary-side circuit branch in such a way that it triggers the primary-side fuse when switching by the control signal;
- a first feedback element which is designed such that it leads the control signal from the secondary-side circuit branch via the galvanic isolation to the primary side arranged first switching element and in case of failure, especially in the case of an overvoltage, the first switching element based on the control signal, so that the primary side Circuit branch is essentially de-energized.
- a primary-side fuse is destroyed instead of the secondary-side fuse. Since both the electrical safety as well as for the Ex area a galvanic isolation is required, is a Control signal from the secondary side via the galvanic isolation led to the primary side and in case of failure, for example
- Switching element comprises a thyristor, a field effect transistor or a relay.
- Primary winding is arranged in a first circuit branch region of the primary-side circuit branch.
- the development provides that the first circuit branch region has a second switching element which is in series with the first primary winding and the first
- the development can provide that the first circuit branch region is a control unit for driving the second
- the transformer has a second primary winding, which is arranged in a second circuit branch region and the second
- Control unit is used.
- the training provides that the
- Circuit branch is arranged so that the first circuit branch region is substantially free of stress.
- a start-up circuit is provided in the first circuit branch region, which supplies the control unit with the required energy when starting.
- the switching power supply further comprises a second feedback element, which is designed such that it is a feedback signal from
- secondary-side circuit branch leads via the galvanic isolation to the primary side arranged control unit, so that the control unit controls the second switching element for clocking the first primary winding according to the feedback signal.
- the first and / or the second feedback element comprises at least one optical coupling element, preferably an optocoupler.
- Feedback element comprise a capacitive or inductive coupler.
- the object is achieved by a field device of
- FIG. 1 shows a circuit of a primary-switched switching power supply without security measures according to the invention
- Fig. 2 shows an example of a circuit of the invention
- Fig. 3 shows an example of the current through the invention in the
- FIG. 1 shows a primary-clocked switched mode power supply 1, which has a
- Switching power supply 1 comprises a first circuit branch region with at least one input connection 14, a rectification unit 15, a
- Start-up circuit 12 a first primary winding of a transformer 16, a second switching element 9 and a control unit 10th
- the input terminal 14 serves to connect or apply a
- Input voltage U a to the switching power supply 1.
- both an AC wide-range input voltage of typically 80 to 253 V AC and a DC input voltage of typically 18 to 65 V DC can be applied to the input terminal 14.
- the input voltage U e in the case of being an AC voltage, is rectified by the rectifying unit 15.
- Such rectifying units 15 generally comprise a bridge rectifier, which consists of four diodes 18.
- the rectified input voltage is then fed to a start-up circuit 12, which in the starting phase, typically only the first clock cycles, for the switching power supply 1, the required electrical
- the control unit 10 Based on the electric power provided by the starting circuit 12, the control unit 10 is operated, which serves to drive the second switching element 9 with a corresponding clock frequency. Usual clock frequencies lying after power, between 20 and 300 kHz. Modern control units or control blocks are due to the high clock frequencies and duty cycles of up to 80% capable of correspondingly high performance to drive.
- the second switching element 9, for example a transistor, is connected in series with a first primary winding 8 of the transformer 16 and clocks the first primary winding 8
- control unit 10 in accordance with the predetermined by the control unit 10 clock frequency, so as to remove energy portions of the input voltage U e and to a Secondary winding 17 of the transformer 16 in the secondary side
- Circuit branch 4 to transmit or transform. On the basis of these transmitted energy portions, a consumer who is at the
- secondary-side circuit branch can be connected to provide energy.
- the primary-side circuit branch of the switched-mode power supply shown in FIG. 1 comprises a second circuit branch region, which is shown in FIG.
- the second circuit branch region comprises at least a second primary winding 1 1 of the transformer 16, wherein the second primary winding 1 1 such on other components, for example.
- the secondary-side circuit branch 4 comprises, as already mentioned, the secondary winding 17 of the transformer 16 and a smoothing means 20 for smoothing the discontinuous energy flow via the transformer 16.
- the smoothing means comprises a smoothing diode 20.
- the secondary-side circuit branch 4 comprises a feedback circuit 19 , which is arranged to galvanically decouple a feedback signal from the secondary-side circuit branch 4 to the primary-side
- a voltage reference 21 which is designed such that when the voltage applied to its input REF, a predetermined threshold, z. B. exceeds 2.5 V, the voltage reference 21 allows a current flow between its terminals C and A, so as to generate the feedback signal.
- the galvanic decoupling may, for example, be realized by the feedback circuit 19, a second feedback element 13,
- an optocoupler comprises, which connects the secondary-side and primary-side circuit branch with each other.
- the second feedback element 13 may alternatively also comprise a capacitive or inductive coupling element.
- circuit shown in Fig. 1 of the switching power supply 1 is shown greatly simplified and includes, for example. Not known from the prior art and initially mentioned security measures, in particular it does not include, as usual in the art, a secondary side arranged switching element and fuse. Furthermore, the circuit according to FIG. 1 does not include any measures with regard to electromagnetic
- FIG. 2 shows by way of example a safety circuit according to the invention by which a switched-mode power supply, as shown, for example, in FIG. 1, has to be expanded, so that in the event of an error, for example in the case of an overvoltage, the switched-mode power supply is de-energized on the primary side, so that no further consequential errors occur and / or thermal loads occur more.
- Fig. 1 shows an AC switching power supply
- inventive teaching but can be easily transferred to a DC / DC power supply.
- Feedback circuit 19 is connected in the switching power supply 1.
- the security circuit comprises at least in the primary-side
- Circuit branch 2 a fuse 5, preferably a fuse, which interrupts the primary-side current flow l P mär when exceeding a defined current for a defined period of time and a first
- the first switching element 6 which is switchable by a control signal.
- the first switching element 6 is arranged such that when switching the primary-side fuse 5 is triggered. This can be realized, for example, that the fuse 5 by the series-connected first Switching element 6 is connected to the ground when the first switching element 6 switches, that is conductive.
- the first switching element 6 alternatively a
- Field effect transistor or a relay include. The first
- Feedback element 7 preferably comprises an optocoupler for galvanically separated transmission of the control signal.
- the first feedback element 7 may comprise a capacitive or inductive coupling element.
- Circuit branch 4 arranged voltage monitoring, which is realized in the simplest case in the form of a reverse-biased Zener diode, so that when exceeding a defined voltage value, the corresponding
- FIG. 3 shows, by way of example, a family of measuring curves i) -v), which represent the
- the primary-side fuse can be selected accordingly.
- such a switching power supply can, for example, be used to operate a field device without causing problems in terms of electrical safety and Ex specifications.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Primärgetaktetes Schaltnetzteil (1) zum Wandeln einer Eingangsspannung (Ue) in eine Ausgangsspannung (Ua) zumindest umfassend: - eine im primärseitigen Schaltungszweig (2) angeordnete Sicherung (5), die dazu eingerichtet ist, einen primärseitigen Stromfluss zu unterbrechen, so dass der primärseitige Schaltungszweig (2) im Wesentlichen spannungsfrei ist; - ein erstes durch ein Steuersignal schaltbares Schaltelement (6), welches im primärseitigen Schaltungszweig (2) derartig zur Sicherung (5) angeordnet ist, dass es beim Schalten durch das Steuersignal die primärseitige Sicherung (5) auslöst; - ein erstes Rückkopplungselement (7), welches derartig ausgebildet ist, dass es das Steuersignal vom sekundärseitigen Schaltungszweig (4) über die galvanische Trennung (3) zu dem primärseitig angeordneten ersten Schaltelement (6) führt und im Fehlerfall, insbesondere im Falle einer Überspannung, das erste Schaltelement (6) anhand des Steuersignals schaltet, so dass der primärseitige Schaltungszweig (2) im Wesentlichen spannungsfrei ist.
Description
Primärgetaktetes Schaltnetzeil
Die Erfindung bezieht sich auf ein primärgetaktetes Schaltnetzteil sowie ein Feldgerät mit einem solchen Schaltnetzteil.
Schaltnetzteile werden heutzutage in praktisch allen elektronischen Geräten, sowohl im privaten Consumerbereich, bspw. bei einem Fernseher, als auch im industriellen Umfeld, bspw. bei einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt.
Derartige Feldgeräte der Automatisierungstechnik werden zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen eingesetzt. Beispiele für solche Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massendurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotential- Messgeräte,
Leitfähigkeitsmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden
Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeitswert erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen sogenannte Aktoren, z. B. Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt steuern oder Pumpen, die den Füllstand in einem Behälter ändern. Als Feldgeräte werden somit im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Unter dem in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Begriff Feldgerät sind somit alle Typen von
Messgeräten und Aktoren zu subsumieren. Weiterhin umfasst der Begriff Feldgerät aber auch z.B. ein Gateway, einen Funkadapter oder andere in ein Bussystem integrierte/integrierbare Busteilnehmer.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Wie bereits erwähnt, benötigen derartige Feldgeräte eine Energieversorgung. Hierfür werden heutzutage sogenannte primärgektakte Schaltnetzteile eingesetzt, welche typischerweise eine galvanische Trennung zwischen einer Primärseite, an der eine Eingangsspannung anlegbar ist, und einer
Sekundärseite, an der eine Ausgangsspannung abgreifbar ist, aufweisen. Die Energie wird hierbei durch eine hohe Taktung eines Transformators auf die Sekundärseite übertragen. Um im Fehlerfall ein Abschalten des Schaltnetzteils und so eine Zerstörung eines nachgelagerten Gerätes, insbesondere eines Feldgerätes, zu
verhindern, sind in dem Schaltnetzteil Sicherheitsmaßnahmen realisiert.
Hierzu werden heutzutage sogenannte Crowbar-Schaltungen eingesetzt, die als letztes Mittel die Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles begrenzen. Bei derartigen Crowbar-Schaltungen wird im Fehlerfall, insbesondere bei einer Überspannung, ein sekundärseitiger Thyristor gezündet, der ein Kurzschluss zwischen der Ausgangsspannung und einer Masse verursacht. Dadurch steigt der sekundärseitige Strom soweit an, dass eine Sicherung durchbrennt und der sekundärseitige Strom unterbrochen wird, so dass der zu versorgende Stromkreis des nachgelagerten Gerätes von der Primärseite des
Schaltnetzteils getrennt wird. Gleichzeitig wird aber auch eine Regelschleife, welche ein Schaltnetzteil ebenfalls typischerweise aufweist, von der
Primärseite des Schaltnetzteils getrennt, so dass das Schaltnetzteil
primärseitig erkennt, dass die sekundärseitige Ausgangsspannung zu niedrig ist und entsprechend gegen steuert. Dies wiederum hat zur Folge, dass aufgrund der offenen Sekundärseite die Ausgangsspannung auf bis zu einige 100 Volt ansteigt. Die eingebrachte Leistung kann jedoch nur über einen primärseitigen Schaltungszweigbereich mit einer zusätzlichen Primärwicklung des Transformators abgeführt werden, wodurch dieser primärseitige
Schaltungszweigbereich extrem belastet wird. Dies führt dazu, dass die beteiligten Bauteile sehr heiß werden und somit spezifische
Temperaturklassen für die Eigensicherheit, insbesondere die
Temperaturklasse 6, wonach eine maximale Oberflächentemperatur nicht über 85 / 80 °C steigen darf, nicht eingehalten werden können. Ferner herrschen gefährliche Spannung in der Schaltung des Schaltnetzteils, obwohl diese nur mit vergleichsweise geringen Spannungen versorgt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Schaltnetzteil vorzuschlagen, welches Sicherheitsvorkehrungen aufweist um im Fehlerfall ein Abschalten des
Schaltnetzteils zu ermöglichen und trotzdem eine maximale
Oberflächentemperatur nicht überschrittet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein primärgetaktetes Schaltnetzteil und ein Feldgerät der Automatisierungstechnik gelöst.
Hinsichtlich des primärgetakteten Schaltnetzteils wird die Aufgabe durch ein primärgetaktetes Schaltnetzteil zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung gelöst, wobei das Schaltnetzteil zumindest folgendes umfasst:
- einen primärseitigen Schaltungszweig an dem die Eingangsspannung anlegbar ist;
- einen von dem primärseitigen Schaltungszweig durch eine galvanische Trennung getrennten sekundärseitigen Schaltungszweig an dem die Ausgangsspannung abgreifbar ist;
- eine im primärseitigen Schaltungszweig angeordnete Sicherung, die dazu eingerichtet ist, einen primärseitigen Stromfluss zu unterbrechen, so dass der primärseitige Schaltungszweig im Wesentlichen
spannungsfrei ist;
- ein erstes durch ein Steuersignal schaltbares Schaltelement, welches im primärseitigen Schaltungszweig derartig zur Sicherung angeordnet ist, dass es beim Schalten durch das Steuersignal die primärseitige Sicherung auslöst;
- ein erstes Rückkopplungselement, welches derartig ausgebildet ist, dass es das Steuersignal vom sekundärseitigen Schaltungszweig über die galvanische Trennung zu dem primärseitig angeordneten ersten Schaltelement führt und im Fehlerfall, insbesondere im Falle einer Überspannung, das erste Schaltelement anhand des Steuersignals schaltet, so dass der primärseitige Schaltungszweig im Wesentlichen spannungsfrei ist.
Erfindungsgemäß wird anstelle der sekundärseitigen Sicherung eine primärseitige Sicherung zerstört. Da sowohl für die elektrische Sicherheit als auch für den Ex-Bereich eine galvanische Trennung erforderlich ist, wird ein
Steuersignal von der Sekundärseite über die galvanische Trennung zu der Primärseite geführt und im Fall eines Fehlers, bspw. bei einer
sekundarseitigen Überspannung, ein primarseitig angeordnetes Schaltelement geschaltet, so dass die primärseitige Sicherung ausgelöst wird. Dies führt dazu, dass das Schaltnetzteil direkt komplett spannungsfrei geschaltet wird, so dass keine weiteren Folgefehler und/oder thermischen Belastungen mehr auftreten können.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste
Schaltelement ein Thyristor, ein Feldeffekttransistor oder ein Relais umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die galvanische Trennung einen Transformator umfasst, welcher zumindest primarseitig eine erste Primärwicklung aufweist und wobei die erste
Primärwicklung in einem ersten Schaltungszweigbereich des primärseitigen Schaltungszweiges angeordnet ist. Insbesondere sieht die Weiterbildung vor, dass der erste Schaltungszweigbereich ein zweites Schaltelement aufweist, welches in Reihe zu der ersten Primärwicklung ist und die erste
Primärwicklung taktet. Ferner kann die Weiterbildung vorsehen, dass der erste Schaltungszweigbereich eine Regeleinheit zum Ansteuern des zweiten
Schaltelements aufweist.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Transformator eine zweite Primärwicklung aufweist, welche in einem zweiten Schaltungszweigbereich angeordnet ist und der zweite
Schaltungszweigbereich im Wesentlichen zur Energieversorgung der
Regeleinheit dient. Insbesondere sieht die Weiterbildung vor, dass die
Sicherung im ersten Schaltungszweigbereich des primärseitigen
Schaltungszweigs angeordnet ist, so dass der erste Schaltungszweigbereich im Wesentlichen spannungsfrei ist.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im ersten Schaltungszweigbereich eine Anlaufschaltung vorgesehen ist, welche die Regeleinheit beim Start mit der benötigten Energie versorgt.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Schaltnetzteil ferner ein zweites Rückkopplungselement aufweist, welches derartig ausgebildet ist, dass es ein Rückkopplungssignal vom
sekundärseitigen Schaltungszweig über die galvanische Trennung zu der primärseitig angeordneten Regeleinheit führt, so dass die Regeleinheit das zweite Schaltelement zur Taktung der ersten Primärwicklung entsprechend des Rückkopplungssignals ansteuert.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste und/oder das zweite Rückkopplungselement zumindest ein optisches Kopplungselement, vorzugsweise einen Optokoppler umfasst.
Alternativ zu dieser Weiterbildung kann das erste und/oder zweite
Rückkopplungselement einen kapazitiven oder induktiven Koppler umfassen. Hinsichtlich des Feldgerätes wird die Aufgabe durch ein Feldgerät der
Automatisierungstechnik, welches ein nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildetes primärgetaktetes Schaltnetzteil aufweist, gelöst. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : zeigt eine Schaltung eines primärgetakteten Schaltnetzteils ohne erfindungsgemäße Sicherheitsmaßnahmen,
Fig. 2: zeigt exemplarisch eine Schaltung der erfindungsgemäßen
Sicherheitsmaßnahmen, und
Fig. 3: zeigt exemplarisch den Strom durch die erfindungsgemäß im
primärseitigen Schaltungszweig angeordnete Sicherung bei unterschiedlichen Eingangsspannungen.
Figur 1 zeigt ein primärgetaktetes Schaltnetzteil 1 , welches einen
primärseitigen Schaltungszweig 2 und einen durch eine galvanische Trennung 3 davon getrennten sekundärseitigen Schaltungszweig 4 aufweist. Der primärseitige Schaltungszweig 2 des in Fig. 1 dargestellten
Schaltnetzteiles 1 umfasst eine ersten Schaltungszweigbereich mit zumindest einem Eingangsanschluss 14, einer Gleichrichteinheit 15, einer
Anlaufschaltung 12, einer ersten Primärwicklung eines Transformators 16, ein zweites Schaltelement 9 und einer Regeleinheit 10.
Der Eingangsanschluss 14 dient zum Anschließen bzw. Anlegen einer
Eingangsspannung Ua an das Schaltnetzteil 1 . Je nach Ausprägung des Schaltnetzteiles 1 können sowohl eine AC-Weitbereichseingangsspannung von typischerweise 80 bis 253 V AC als auch eine DC-Eingangsspannung von typischerweise 18 bis 65 V DC an den Eingangsanschluss 14 angelegt werden.
Die Eingangsspannung Ue wird, in dem Fall, dass es eine Wechselspannung ist, von der Gleichrichteinheit 15 gleichgerichtet. Derartige Gleichrichteinheiten 15 umfassen in der Regel einen Brückengleichrichter, welcher aus vier Dioden 18 besteht. Die gleichgerichtete Eingangsspannung wird anschließend einer Anlaufschaltung 12 zugeführt, welche in der Startphase, typischerweise nur die ersten Taktzyklen, für das Schaltnetzteil 1 die benötigte elektrische
Energie zur Verfügung stellt. Anhand der durch die Anlaufschaltung 12 zur Verfügung gestellten elektrischen Energie wird die Regeleinheit 10 betrieben, die zum Ansteuern des zweiten Schaltelementes 9 mit einer entsprechenden Taktfrequenz dient. Übliche Taktfrequenzen liegende nach Leistung, zwischen 20 und 300 kHz. Moderne Regeleinheiten bzw. Regelbausteine sind aufgrund der hohen Taktfrequenzen und Tastverhältnisse von bis zu 80% in der Lage entsprechend hohe Leistungen zu treiben. Das zweite Schaltelement 9, bspw. ein Transistor, ist in Reihe zu einer ersten Primärwicklung 8 des Transformators 16 geschaltet und taktet die erste Primärwicklung 8
entsprechend der von der Regeleinheit 10 vorgegebenen Taktfrequenz, umso Energieportionen von der Eingangsspannung Ue zu entnehmen und an eine
Sekundärwicklung 17 des Transformators 16 im sekundärseitigen
Schaltungszweig 4 zu übertragen bzw. transformieren. Anhand dieser übertragenen Energieportionen lässt sich ein Verbraucher, der am
sekundärseitigen Schaltungszweig anschließbar ist, mit Energie versorgen.
Ferner umfasst der primärseitige Schaltungszweig des in Fig. 1 dargestellten Schaltnetzteiles eine zweiten Schaltungszweigbereich, welcher im
Wesentlichen zur Energieversorgung der Regeleinheit 10 dient. Der zweite Schaltungszweigbereich umfasst zumindest eine zweite Primärwicklung 1 1 des Transformators 16, wobei die zweite Primärwicklung 1 1 derartig über weitere Bauelemente, bspw. einen in Reihe zur zweiten Primärwicklung angeordneten Widerstand sowie einer ebenfalls in Reihe zum Widerstand und der zweiten Primärwicklung angeordnete Diode, mit der Anlaufschaltung 12 verschaltet ist, dass sobald genügend Energie über die zweite Primärwicklung 1 1 zum Versorgen der Regeleinehit 10 zur Verfügung steht, die
Energieversorgung über den zweiten Schaltungszweigbereich erfolgt.
Der sekundärseitige Schaltungszweig 4 umfasst, wie bereits erwähnt, die Sekundärwicklung 17 des Transformators 16 und ein Glättungsmittel 20 zum Glätten des diskontinuierlichen Energieflusses über den Transformator 16. Im einfachsten Fall, umfasst das Glättungsmittel eine Glättungsdiode 20. Ferner umfasst der sekundärseitige Schaltungszweig 4 eine Rückkopplungsschaltung 19, die dazu eingerichtet ist, ein Rückkopplungssignals galvanisch entkoppelt von dem sekundärseitigen Schaltungszweig 4 zu dem primärseitigen
Schaltungszweig 2 rückzuführen, umso die Taktfrequenz der Regeleinheit 10 entsprechend anzupassen. Typischerweise umfasst die
Rückkopplungsschaltung 19 hierfür eine Spannungsreferenz 21 , welche derartig ausgelegt ist, dass wenn die an seinem Eingang REF anliegende Spannung, einen vorgegebenen Schwellwert, z. B. 2,5 V überschreitet, die Spannungsreferenz 21 einen Stromfluss zwischen seinen Anschlüssen C und A erlaubt, umso das Rückkopplungssignal zu erzeugen.
Die galvanische Entkopplung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, indem die Rückkopplungsschaltung 19 ein zweites Rückkopplungselement 13,
bspw. einen Optokoppler umfasst, welches den sekundärseitigen und primärseitigen Schaltungszweig miteinander verbindet. Wie beim dem ersten Rückkopplungselement 7 kann das zweite Rückkopplungselement 13 alternativ auch ein kapazitives oder induktives Koppelelement umfassen.
Ferner ist die in Fig. 1 dargestellte Schaltung des Schaltnetzteiles 1 stark vereinfacht dargestellt und umfasst bspw. keine aus dem Stand der Technik bekannten und eingangs erwähnten Sicherheitsmaßnahmen, insbesondere umfasst sie nicht, wie im Stand der Technik üblich, eine sekundärseitig angeordnetes Schaltelement und Sicherung. Ferner umfasst die Schaltung gemäß Fig. 1 keine Maßnahmen hinsichtlich elektromagnetischer
Verträglichkeit (EMV).
Fig. 2 zeigt exemplarisch eine erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung um die ein Schaltnetzteil, wie es bspw. in Fig. 1 dargestellt ist, erweitert werden muss, umso im Fehlerfall, bspw. bei einer Überspannung, das Schaltnetzteil primärseitig spannungsfrei zu schalten, so dass keine weiteren Folgefehler und/oder thermische Belastungen mehr auftreten. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass Fig. 1 zwar ein AC-Schaltnetzteil zeigt, die
erfindungsgemäße Lehre aber problemlos auch auf ein DC/DC Netzteil übertragbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Schaltung des Schaltnetzteiles 1 um die
Sicherheitsschaltung erweitert, welche im Prinzip parallel zu der
Rückkopplungsschaltung 19 in dem Schaltnetzteil 1 verschaltet ist.
Die Sicherheitsschaltung umfasst zumindest in dem primärseitigen
Schaltungszweig 2 eine Sicherung 5, vorzugsweise eine Schmelzsicherung, welche den primärseitigen Stromfluss lP mär beim Übersteigen einer definierten Stromstärke für eine definierte Zeitdauer unterbricht sowie ein erstes
Schaltelement 6, welches durch ein Steuersignal schaltbar ist. Das erste Schaltelement 6 ist dabei derartig angeordnet, dass beim Schalten die primärseitige Sicherung 5 ausgelöst wird. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Sicherung 5 durch das in Reihe geschaltete erste
Schaltelement 6 mit der Masse verbunden wird, wenn das erste Schaltelement 6 schaltet, d.h. leitend ist.
Dem ersten Schaltelement 6, welches vorzugsweise ein Thyristor umfasst, ist das durch ein erstes Rückkopplungselement 7 galvanisch getrennte
Steuersignal von dem sekundärseitigen Schaltungszweig zugeführt, so dass es im Fehlerfall bzw. im Fall einer Überspannung geschaltet bzw. gezündet wird. Neben dem Thyristor kann das erste Schaltelement 6 alternativ einen
Feldeffekttransistor oder ein Relais umfassen. Das erste
Rückkopplungselement 7 umfasst vorzugsweise einen Optokoppler zur galvanisch getrennten Übertragung des Steuersignals. Alternativ kann das erste Rückkopplungselement 7 ein kapazitives oder induktives Koppelelement umfassen.
Zur Erzeugung des Steuersignals dient eine im sekundärseitigen
Schaltungszweig 4 angeordnete Spannungsüberwachung, die im einfachsten Fall in Form einer in Sperrrichtung betrieben Z-Diode realisiert ist, so dass beim Übersteigen eines definierten Spannungswertes das entsprechende
Steuersignal erzeugt und mit Hilfe des ersten Rückkopplungselementes 7 auf den primärseitigen Schaltungszweig 2 übertragen wird.
Fig. 3 zeigt exemplarisch eine Schar von Messkurven i)-v), die den
primärseitigen Stromfluss lP mär durch die erfindungsgemäß im primärseitigen Schaltungszweig angeordnete Sicherung 5 bei unterschiedlichen
Eingangsspannungen Ue aufzeigen. Auf der Abszissenachse ist die
Ausgangsspannung Ua des Schaltnetzteiles 1 aufgetragen, wohingegen auf der Ordinatenachse der primärseitige Stromfluss lP mär durch die Sicherung dargestellt ist. Zur sekundärseitigen Spannungsüberwachung wurde eine Z- Diode mit einer Zenerspannung von ca. 27,5 V verwendet.
Aus Fig. 3 wird ersichtlich, dass bei einer Eingangsspannung Ue = 20 V sich ein Stromfluss von ca. 2,8 A (Messkurve i)), bei einer Eingangsspannung Ue =
30 V sich ein Stromfluss von ca. 4,5 A (Messkurve ii)), bei einer
Eingangsspannung Ue = 40 V sich ein Stromfluss von ca. 6,0 A (Messkurve iii)), bei einer Eingangsspannung Ue = 50 V sich ein Stromfluss von ca. 7,4 A (Messkurve iv)) und bei einer Eingangsspannung Ue = 60 V sich ein
Stromfluss von ca. 9,0 A (Messkurve v)) einstellt.
Somit kann entsprechend dem Einsatzgebietes des Schaltnetzteiles die primärseitige Schmelzsicherung entsprechend gewählt werden.
Im Bereich der Automatisierungstechnik kann ein derartiges Schaltnetzteil bspw. zum Betreiben eines Feldgerätes eingesetzt werden, ohne dass es zu Problemen bei der elektrischen Sicherheit und Ex-Vorgaben kommt.
Bezugszeichenliste
1 Primärgetaktetes Schaltnetzteil
Primärseitiger Schaltungszweig
Galvanische Trennung
Sekundärseitiger Schaltungszweig
Primärseitige Sicherung
Erstes Schaltelement
Erstes Rückkopplungselement
Erste Primärwicklung
Zweites Schaltelement
10 Regeleinheit
1 1 Zweite Primärwicklung
12 Anlaufschaltung
13 Zweites Rückkopplungselement
14 Eingangsanschluss
15 Gleichrichteinheit
16 Transformator
17 Sekundärwicklung des Transformators
18 Diode zur Gleichrichtung
19 Rückkopplungsschaltung
20 Glättungsdiode
21 Spannungsreferenz
22 Z-Diode als Spannungsüberwachung
I primär Primärseitiger Stromfluss
Ue Eingangsspannung
Ua Ausgangsspannung
Claims
1 . Primärgetaktetes Schaltnetzteil (1 ) zum Wandeln einer Eingangsspannung (Ue) in eine Ausgangsspannung (Ua) zumindest umfassend:
- einen primärseitigen Schaltungszweig (2) an dem die
Eingangsspannung (Ue) anlegbar ist;
- einen von dem primärseitigen Schaltungszweig (2) durch eine
galvanische Trennung (3) getrennten sekundärseitigen
Schaltungszweig (4) an dem die Ausgangsspannung (Ua) abgreifbar ist;
- eine im primärseitigen Schaltungszweig (2) angeordnete Sicherung (5), die dazu eingerichtet ist, einen primärseitigen Stromfluss zu
unterbrechen, so dass der primärseitige Schaltungszweig (2) im
Wesentlichen spannungsfrei ist;
- ein erstes durch ein Steuersignal schaltbares Schaltelement (6),
welches im primärseitigen Schaltungszweig (2) derartig zur Sicherung (5) angeordnet ist, dass es beim Schalten durch das Steuersignal die primärseitige Sicherung (5) auslöst;
- ein erstes Rückkopplungselement (7), welches derartig ausgebildet ist, dass es das Steuersignal vom sekundärseitigen Schaltungszweig (4) über die galvanische Trennung (3) zu dem primärseitig angeordneten ersten Schaltelement (6) führt und im Fehlerfall, insbesondere im Falle einer Überspannung, das erste Schaltelement (6) anhand des
Steuersignals schaltet, so dass der primärseitige Schaltungszweig (2) im Wesentlichen spannungsfrei ist.
2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 , wobei das erste Schaltelement (6) ein Thyristor, ein Feldeffekttransistor oder ein Relais umfasst.
3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die galvanische Trennung (3) einen Transformator umfasst, welcher zumindest primärseitig eine erste Primärwicklung (8) aufweist und wobei die erste Primärwicklung (8) in einem ersten Schaltungszweigbereich des primärseitigen Schaltungszweiges (2) angeordnet ist.
4. Schaltnetzteil nach Anspruch 3, wobei der erste Schaltungszweigbereich ein zweites Schaltelement (9) aufweist, welches in Reihe zu der ersten Primärwicklung (8) ist und die erste Primärwicklung (8) taktet.
5. Schaltnetzteil nach Anspruch 4, wobei der erste Schaltungszweigbereich eine Regeleinheit (10) zum Ansteuern des zweiten Schaltelements (9) aufweist.
6. Schaltnetzteil nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Transformator eine zweite Primärwicklung (1 1 ) aufweist, welche in einem zweiten Schaltungszweigbereich angeordnet ist und der zweite
Schaltungszweigbereich im Wesentlichen zur Energieversorgung der
Regeleinheit (10) dient.
7. Schaltnetzteil nach Anspruch 6, wobei die Sicherung (5) im ersten
Schaltungszweigbereich des primärseitigen Schaltungszweigs (2) angeordnet ist, so dass der erste Schaltungszweigbereich im Wesentlichen spannungsfrei ist.
8. Schaltnetzteil nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei im ersten Schaltungszweigbereich eine Anlaufschaltung (12) vorgesehen ist, welche die Regeleinheit (10) beim Start mit der benötigten Energie versorgt.
9. Schaltnetzteil nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 8, ferner aufweisend zumindest ein zweites Rückkopplungselement (13), welches derartig ausgebildet ist, dass es ein Rückkopplungssignal vom
sekundärseitigen Schaltungszweig über die galvanische Trennung (3) zu der primärseitig angeordneten Regeleinheit (10) führt, so dass die Regeleinheit (10) das zweite Schaltelement (9) zur Taktung der ersten Primärwicklung (8) entsprechend des Rückkopplungssignals ansteuert.
10. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 9, wobei das erste und/oder das zweite Rückkopplungselement (7, 13) zumindest ein optisches
Kopplungselement, vorzugsweise einen Optokoppler umfasst.
1 1 . Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend ein primargetaktetes Schaltnetzteil (1 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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| CH553495A (de) * | 1972-12-27 | 1974-08-30 | Bbc Brown Boveri & Cie | Ueberspannungsschutzeinrichtung fuer den ausgang mindestens eines stabilisierten netzgeraets. |
| DE3732334A1 (de) * | 1987-09-25 | 1989-04-27 | Kloeckner Moeller Elektrizit | Einrichtung und schaltungsanordnung zum schutz gegen ueberstrom und ueberspannung |
| FR2670959A1 (fr) * | 1990-12-21 | 1992-06-26 | Thomson Csf | Circuit de protection d'equipement electrique contre des surtensions de secteur. |
| US6418002B1 (en) * | 2000-06-29 | 2002-07-09 | System General Corp. | Power supply supervisor having a line voltage detector |
| DE102009014252A1 (de) * | 2009-03-20 | 2010-09-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Feldgerät zur Prozessinstrumentierung |
| JP6040433B2 (ja) * | 2011-09-28 | 2016-12-07 | 新電元工業株式会社 | 電力変換装置および該電力変換装置における過電圧保護方法 |
| JP5210424B2 (ja) * | 2011-10-05 | 2013-06-12 | 株式会社アイ・オー・データ機器 | 保護機能付きスイッチング電源回路およびそれを用いた電子機器 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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