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DC-Stromversorgung - Dokument DE102005027211A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005027211A1 21.12.2006
Titel DC-Stromversorgung
Anmelder Puls GmbH, 81925 München, DE
Erfinder Raspotnig, Michael, 81825 München, DE
Vertreter Brachmann, R., Dipl.-Ing.Univ., Pat.-Anw., 81679 München
DE-Anmeldedatum 13.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005027211
Offenlegungstag 21.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.12.2006
IPC-Hauptklasse H02J 9/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02M 3/158(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine DC-Stromversorgung zur Bereitstellung einer Ausgangsgleichspannung angegeben, die insbesondere zumindest vorübergehend weitgehend von einer Eingangsspannung unabhängit ist. Die DC-Stromversorgung umfaßt einen Eingang, an dem die Eingangsspannung anliegt und einen Ausgang, an dem die Ausgangsgleichspannung bereitgestellt wird. Weitehin sind Anschlüsse zur Verbindung eines Energiespeichers vorgesehen. Die DC-Stromversorgung umfaßt eine Regeleinheit, anhand derer die von dem Energiespeicher bereitgestellte Spannung im wesentlichen auf die Höhe der vorgegebenen Ausgangsgleichspannung konvertierbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung, die mit Gleichspannung bzw. Gleichstrom betrieben wird (DC-Stromversorgung) und die zumindest vorübergehend von einer Eingangsspannung unabhängig eine Ausgangsgleichspannung für einen Verbraucher bereitstellt.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen im AC-Bereich sind bekannt. Hierbei ist es möglich, daß beispielsweise ein Personalcomputer (Verbraucher) eine bestimmte Zeitdauer auch nach einer Unterbrechung oder einem Absinken (Unterspannung) der Netzspannung (Versorgungsspannung) weiter betrieben werden kann. Während dieses Zeitraums erhält der Verbraucher die benötigte elektrische Energie aus einem Energiespeicher, insbesondere einer (wiederaufladbaren) Batterie. Im Normalbetrieb, also bei Versorgung des Verbrauchers über die Netzspannung, wird der Energiespeicher aufgeladen.

Stromversorgungen im DC-Bereich stellen Energie für unterschiedliche Verbraucher, beispielsweise speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Aktoren, Sensoren, oder Elektromotoren bereit. Im Fall einer Stromunterbrechung oder eines Absinkens der Versorgungsspannung ist es nötig, die Daten der speicherprogrammierbaren Steuerung abzuspeichern, um – sobald die Stromversorgung wiederhergestellt ist – in einem definierten Zustand den Betrieb der Steuerung fortsetzen zu können. Andernfalls würde ein undefinierter Zustand erreicht, der eine Fortsetzung des Prozeßablaufs erheblich erschweren oder unmöglich machen würde.

Weiterhin werden zunehmend Betriebssysteme auf derartigen Steuerungen eingesetzt, die eine bestimmte Zeitdauer benötigen, um einen gesicherten Zustand zu erreichen. So müssen bspw. alle Schnittstellen abgefragt werden und zusammen mit den internen Daten auf einem Speichermedium, z.B. einer Festplatte, abgelegt werden. Ein solcher Vorgang erfordert oftmals einen Zeitraum von 2 bis 3 Minuten.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen im DC Bereich (DC-USV) sind zwar bekannt, haben jedoch alle den Nachteil, daß mehrere gepaarte Batterien in Serie geschaltet werden müssen um die gewünschte Ausgangsspannung zu ermöglichen. In einer Erstausstattung kann ein Hersteller gepaarte Batterien ausrüsten, spätestens beim ersten Serviceaustausch (Batterien sind Verschleißteile) hat man jedoch Schwierigkeiten, solch gepaarte Batterien zu bekommen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine effiziente unterbrechungsfreie Stromversorgung im DC-Bereich anzugeben, die die oben dargestellten Nachteile überwindet.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine DC-Stromversorgung zur Bereitstellung einer Ausgangsgleichspannung angegeben, die insbesondere zumindest vorübergehend weitgehend von einer Eingangsspannung unabhängig ist. Die DC-Stromversorgung umfaßt einen Eingang, an dem die Eingangsspannung anliegt und einen Ausgang, an dem die Ausgangsgleichspannung bereitgestellt wird. Weiterhin sind Anschlüsse zur Verbindung eines Energiespeichers vorgesehen. Die DC-Stromversorgung umfaßt eine Regeleinheit, anhand derer die von dem Energiespeicher bereitgestellte Spannung im wesentlichen auf die Höhe der vorgegebenen Ausgangsgleichspannung konvertierbar ist.

Insbesondere kann es sich bei der Eingangsspannung um eine Eingangsgleichspannung handeln.

Eine Weiterbildung besteht darin, daß die DC-Stromversorgung eine Kontrolleinheit umfaßt, die bei einer Unterbrechung oder bei einem Absinken der Eingangsspannung die Regeleinheit derart ansteuert, daß der Ausgang anhand des Energiespeichers auf die vorgegebene Ausgangsgleichspannung regelbar ist.

Die Unterbrechung der Eingangsspannung kennzeichnet insbesondere den Abfall der über den Eingang zugeführten Spannung unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts. Dies wird beispielsweise in der Kontrolleinheit als „Unterbrechung" erkannt und daraufhin die Regeleinheit entsprechend angesteuert.

Ein Vorteil besteht darin, daß eine von dem Energiespeicher zur Verfügung gestellte Spannung auf das vorgegebene Niveau der Ausgangsgleichspannung regelbar ist und somit Spannungsschwankungen des Energiespeichers (z.B. Rückgang des Spannungsniveaus bei zunehmender Entladung einer Batterie) kompensierbar sind. Ohne eine derartige Regelung würde die Ausgangsgleichspannung in gleichem Maße wie die Spannung des Energiespeichers abnehmen und somit den am Ausgang verbundenen Verbraucher mit einer abnehmenden Spannung versorgen. Dies ist für viele Verbraucher ungünstig. Insbesondere für Steuerungen, die ein Betriebssystem aufweisen, das in Fall der Unterbrechung oder des Absinkens der Eingangsspannung in einen definierten Zustand zu versetzen ist, ist für die Sicherung der Daten eine konstante Versorgungsspannung an dem Ausgang der DC-Stromversorgung zu gewährleisten, da ansonst das „Herunterfahren" des Betriebssystems abgebrochen und damit das System den eingangs beschriebenen undefinierten Zustand erreichen würde.

Eine Weiterbildung besteht darin, daß der Energiespeicher mindestens einen Akkumulator und/oder mindestens eine Batterie und/oder mindestens einen Kondensator, insbesondere mindestens einen Doppelschichtkondensator, umfaßt. Dabei kann insbesondere der Energiespeicher eine Blei-Gel-Batterie sein. Der Energiespeicher kann ferner über die Anschlüsse der DC-Stromversorgung als eine externe Komponente ausgeführt sein. Er kann aber auch Teil der DC-Stromversorgung sein; insbesondere können die DC-Stromversorgung und der Energiespeicher in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.

Es ist von Vorteil, daß die vorliegende Erfindung mit nur einer einzelnen Batterie funktionieren kann. Beispielsweise liefert eine handelsübliche Pb-Gel-Batterie eine Ausgangsgleichspannung von 12 Volt. Ohne die vorstehend genannte Regelung erfordert eine Ausgangsgleichspannung von 24 Volt zwei solcher in Reihe geschalteter Batterien. Eine derartige Reihenschaltung hat jedoch in der Praxis den Nachteil, daß die beiden Batterien „gepaart" sein, d.h. aus der gleichen Produktion stammen sollten. Ansonsten könnten die Batterien unterschiedlich schnell altern mit der Folge, daß die Spannung über der Reihenschaltung aus beiden Batterien schneller abfällt. Ein weiterer Nachteil ist das hohe Gewicht zweier Batterien.

Ein weiterer Vorteil der Regelung besteht darin, daß die Ausgangsgleichspannung auf einen unteren Spannungswert, der gerade noch die Funktion des angeschlossenen Verbrauchers sicherstellt, (vor-)eingestellt werden kann. Damit wird die mögliche Zeitdauer der Versorgung des Verbrauchers im Fall einer unterbrochenen Eingangsspannung verlängert. Zur Erläuterung diene folgendes Beispiel: Ein Verbraucher benötigt nominal eine Gleichspannung von 24 Volt, funktioniert aber auch mit einer Versorgungsspannung von „nur" 21 Volt. Allerdings kann der Verbraucher auch mit 26 Volt betrieben werden, einer Spannung, die aus einer Serienschaltung zweier neuer Pb-Gel-Batterien (ohne Regelung) resultiert. Im Vergleich zu dem Szenario mit den zwei Batterien kann gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz nur eine Batterie (mit einer Ausgangsspannung von 12 Volt) eingesetzt werden, die Regeleinheit wird auf eine Ausgangsgleichspannung von 21 Volt eingestellt. Die Leistungsbilanz ergibt, daß die Lösung mit nur einer Batterie aufgrund der niedrigeren Ausgangsgleichspannung länger die Funktion des Verbrauchers im Unterbrechungsfall sicherstellt als die Lösung mit den zwei in Reihe geschalteten Batterien. (In dem Beispiel sei vorausgesetzt, daß die nur eine Batterie die gleiche Energie gespeichert hat wie die beiden Batterien zusammen.)

Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß eine Batterieladeschaltung vorgesehen ist, die den Energiespeicher über die Eingangsspannung auflädt. Dabei kann die Batterieladeschaltung einen Tiefsetzer aufweisen, der insbesondere Mittel zur Temperaturkompensation umfassen kann.

Somit kann sichergestellt werden, daß im „Normalbetrieb", also wenn keine Unterbrechung oder kein Absinken der Eingangsspannung vorliegt und die Eingangsspannung den Verbraucher über den Ausgang der DC-Stromversorgung speist, der Energiespeicher aufgeladen wird.

Vorteilhaft kann ferner eine Überwachung des Ladevorgangs in der Batterieladeschaltung vorgesehen sein derart, daß bei vollständiger Aufladung des Energiespeichers, die Aufladung des Energiespeichers unterbrochen wird. Dies führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer herkömmlicher wiederaufladbarer Batterien.

Auch ist es eine Weiterbildung, daß die Regeleinheit mindestens einen Hochsetzer umfaßt. Bevorzugt kann die Regeleinheit auch zwei zueinander phasenverschobene Hochsetzersteller umfassen. In diesem Fall sind die effektiven Eingangs- und Ausgangsströme deutlich kleiner (als bei nur einem Hochsetzer), die Belastung der Bauelemente ist geringer, entsprechend können diese für einen geringeren Strom ausgelegt werden.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist dem Ausgang der DC-Stromversorgung eine Einheit zur Strombegrenzung vorgeschaltet. Die Strombegrenzung kann eine Kurzschluß am Ausgang der DC-Stromversorgung erkennen und beispielsweise den Ausgangsstrom begrenzen. Dies hat den Vorteil, daß auch der Eingang der DC-Stromversorgung leistungskonstant belastet wird; anders ausgedrückt, es gibt keine überdurchschnittliche Belastung der Bauelemente im Kurzschlußfall. Dies sei anhand des folgenden Beispiels erläutert: Bei einem Kurzschluß am Ausgang wird der Strom anhand der Strombegrenzung auf 10 A begrenzt. Aufgrund der geringen Spannung, die im Kurzschlußfall am Ausgang anliegt, ist die während des Kurzschlusses am Ausgang bereitgestellte Leistung 5–10 Watt. Diese Leistung ergibt auf den Eingang gespiegelt bei einer Eingangsspannung von 24 Volt „nur" ca. 0,2–0,4 A. Somit wird nicht der Kurzschluß an den Eingang gespiegelt sondern lediglich die durch die Strombegrenzung begrenzte Leistungsabgabe (von 5 bis 10 Watt). Der beschriebene Kurzschlußfall ist insoweit reversibel und erfordert keinen separaten Serviceeinsatz, um bspw. eine durchgebrannte Schmelzsicherung zu ersetzen.

Vorzugsweise kann die Ausgangsspannung in einem Bereich von ca. 12 Volt bis ca. 48 Volt abgegeben bzw. eingestellt werden.

Eine Weiterbildung besteht darin, daß vor der elektrischen Verbindung des Energiespeichers anhand der Batterieladeschaltung Kondensatoren kontrolliert vorgeladen werden. Somit kann wirksam vermieden werden, daß die Kondensatoren bis zu dem Zeitpunkt ihrer (vollständigen ersten) Aufladung hohe Ströme ziehen.

Auch ist es eine Weiterbildung, daß die DC-Stromversorgung eine Unterbrechungsfreie DC-Stromversorgung ist.

Ferner ist im Rahmen einer zusätzlichen Ausgestaltung die DC-Stromversorgung auf einer Hutschiene montierbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm einer DC-Stromversorgung mit einem Energiespeicher;

2 eine Schaltung der Regeleinheit als ein phasenverschobener Hochsetzsteller;

3 ein Stromflußdiagramm, das Ströme in dem phasenverschobenen Hochsetzsteller gemäß 2 veranschaulicht;

4 ein Signaldiagramm, das die Berechnung eines Effektivstroms veranschaulicht.

1 zeigt ein Blockdiagramm einer DC-Stromversorgung 101 mit einem Energiespeicher 103, der innerhalb der DC-Stromversorgung 101 oder auch extern (wie in 1 gezeigt) angeordnet sein kann. Weiterhin umfaßt die DC-Stromversorgung 101 einen Eingang 105, einen Ausgang 106, Anschlüsse 116 zur Verbindung des Energiespeichers 103, eine Sicherung 107, eine Isolationsdiode 108, eine Einheit zur Strombegrenzung 109, eine Batterieladeschaltung 110, eine Einheit zur Bestimmung der Umgebungstemperatur 111, eine Regeleinheit 112, eine Einheit zur Einschaltstrombegrenzung 113, eine Abschalteinheit 114, eine Batterie-Testeinheit 115 und eine Kontrolleinheit 120 (mit Anschlüssen 121 bis 127).

Mit dem Eingang 105 ist eine Eingangsstromversorgung 102 verbunden. An den Ausgang 106 ist ein Verbraucher 104 angeschlossen. Der positive Anschluß des Eingangs 105 ist über die Sicherung 107 und die Isolationsdiode 108 mit einem Knoten K1 und der negative Anschluß des Eingangs 105 ist mit einem Knoten K2 verbunden. Der Ausgang 106 ist über die Einheit zur Strombegrenzung 109 mit den Knoten K1 und K2 (jeweils für den positiven und den negativen Anschluß) verbunden. Weiterhin sind die Knoten K1 und K2 mit den Eingängen der Batterieladeschaltung 110 und mit den Ausgängen der Regeleinheit 112 verbunden. Die Einheit zur Bestimmung der Umgebungstemperatur 111 liefert ein temperaturhängiges Signal an die Batterieladeschaltung 110. Ein Knoten K3 ist mit dem positiven Ausgang der Batterieladeschaltung 110, mit dem positiven Eingang der Regeleinheit 112, mit dem positiven Eingang der Abschalteinheit 114 und mit dem Eingang der Einheit zur Einschaltstrombegrenzung 113 verbunden. Ein Knoten K4 ist mit dem negativen Ausgang der Batterieladeschaltung 110, mit dem negativen Eingang der Regeleinheit 112 und mit dem negativen Eingang der Abschalteinheit 114 verbunden. Der positive Anschluß des Energiespeichers 103 ist mit dem Ausgang der Einheit zur Einschaltstrombegrenzung 113, mit dem Ausgang der Abschalteinheit 114 und mit der Batterie-Testeinheit 115 verbunden. Der negative Eingang des Energiespeichers 103 ist mit dem negativen Ausgang der Abschalteinheit 114 und mit der Batterie-Testeinheit 115 verbunden.

In einem Normalbetrieb versorgt die Eingangsstromversorgung 102 die DC-Stromversorgung 101 über den Eingang 105 mit elektrischer Energie in Form einer vorgegeben Eingangsspannung. Diese Eingangsspannung wird über den Ausgang 106 dem Verbraucher 104 zur Verfügung gestellt.

Die Sicherung 107 dient vorwiegend dem Schutz vor einem Kurzschluß, also z.B. im Falle eines fehlerhaften Bauteils, innerhalb der DC-Stromversorgung 101. Die Isolationsdiode 108 verhindert, daß Eingang 105 als Ausgang wirkt. Dadurch kann keine Energie aus dem Energiespeicher 103 an einen am Eingang 105 anliegenden Fremdverbraucher abfließen.

Die Batterieladeschaltung 110 lädt, vorzugsweise über einen Tiefsetzer für den Fall, daß die Eingangsspannung größer als die Spannung des Energiespeichers 103 ist, den Energiespeicher 103 während des Normalbetriebs auf. Der Aufladevorgang ist dabei vorzugsweise auf die jeweiligen Energiespeicher abgestimmt, d.h. Parameter für die Aufladung werden abhängig von der Umgebungstemperatur, die über die Einheit 111 geliefert wird, eingestellt. Ferner wird der Aufladevorgang auch während des Normalbetriebs beendet, wenn der Energiespeicher 103 vollständig aufgeladen ist. Zur Ermittlung des Ladestandes des Energiespeichers 103 kann die Batterieladeschaltung 110 verwendet werden.

Die Batterie-Testeinheit 115 führt regelmäßig, z.B. in Zeitintervallen von 30 Minuten, Belastungstests des Energiespeichers 103 durch, um den Qualitätszustand der Batterie zu ermitteln und an die Kontrolleinheit 120 über eine Leitung 121 mitzuteilen. Auch überprüft die Batterie-Testeinheit 115, ob der Energiespeicher 103 die richtige Spannung und die Polarität hat. Falls bspw. die falsche Batterie mit einer Ausgangsspannung von 24 Volt anstatt 12 Volt mit den Anschlüssen 116 verbunden wird, zeigt die Batterie-Testeinheit 115 einen Fehlerfall an, die Abschalteinheit 114 trennt den Energiespeicher 103 elektrisch von der DC-Stromversorgung 101 (diese Trennung kann z.B. über die Kontrolleinheit 120 vollzogen werden, die getriggert durch ein Signal der Batterie-Testeinheit 115 die Abschalteinheit 114 ansteuert).

Zu Beginn des Ladevorgangs werden in der Einheit zur Einschaltstrombegrenzung 113 die Kondensatoren, die für die Aufladung des Energiespeichers 103 eingesetzt werden, vorgeladen, so daß bei der elektrischen Verbindung des Energiespeichers 103 der Ladestrom bis zur vollständigen Aufladung dieser Kondensatoren begrenzt wird.

Die Abschalteinheit 114 leistet als Sicherheitsfunktionalität eine elektrische Entkopplung, insbesondere im Fehlerfall, des Energiespeichers 103 von der DC-Stromversorgung. Dabei wird die Abschalteinheit 114 über die Kontrolleinheit 120 angesteuert.

Die Kontrolleinheit 120 ist über den Anschluß 123 verbunden mit dem negativen Pol (Massepotential) der DC-Stromversorgung 101, der Anschluß 122 ist mit dem positiven Pol des Anschlusses 116, der Anschluß 124 mit dem positiven Pol des Eingangs 105 und der Anschluß 126 mit dem positiven Pol des Ausgangs 106 verbunden. Ferner ist der Anschluß 125 mit dem Knoten K1 verbunden. Die Kontrolleinheit 120 stellt, symbolisch veranschaulicht durch den Anschluß 127, eine Schnittstelle zu externen Komponenten, z.B. einer speicherprogrammierbaren Steuerung als Verbraucher, bereit.

Anhand der Kontrolleinheit 120 sind die einzelnen Komponenten der DC-Stromversorgung 101 ansteuerbar (in 1 sind der Übersicht halber bis auf die Verbindung zur Batterie-Testeinheit 115 keine weiteren Steuerleitungen zu den weiteren Komponenten der DC-Stromversorgung dargestellt).

Die Kontrolleinheit 120 überwacht anhand des Anschlusses 124 die Eingangsspannung. Fällt diese unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes ab. so steuert die Kontrolleinheit 120 die Regeleinheit 112 derart an, daß am Ausgang 106 die vorgegebene Ausgangsgleichspannung (nahezu) konstant bleibt. Hierzu wird die Energie aus dem Energiespeichers nutzbar gemacht.

Anhand der Schnittstelle 127 ermöglicht die Kontrolleinheit 120 eine Fernadministration der DC-Stromversorgung 101.

Die Regeleinheit 112, vorzugsweise ausgeführt als ein phasenverschobener Hochsetzsteller, regelt das über die Knoten K3 und K4 zugeführte Eingangssignal auf eine vorgegebene Ausgangsgleichspannung, die über die Einheit zur Strombegrenzung 109 an dem Ausgang 106 und damit für den Verbraucher 104 bereitgestellt wird. Der Vorteil der Regeleinheit 112 besteht darin, daß dem Verbraucher eine fest vorgegebene Ausgangsgleichspannung zur Verfügung gestellt wird, die insbesondere weitgehend unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung ist. Im Fall der Unterbrechung oder des Absinkens der Eingangsspannung regelt die Regeleinheit 112 die Ausgangsgleichspannung auf den voreingestellten Wert, insbesondere in einem Bereich von ca. 12 Volt bis ca. 48 Volt. Liegt keine Eingangsspannung (mehr) an dem Eingang 105 an, erfolgt die Versorgung des Verbrauchers 104 (ausschließlich) über den Energiespeicher 103.

Gleichzeitig kann dem Verbraucher 104, bspw. einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), signalisiert werden, daß sich die DC-Stromversorgung im „Notbetrieb" befindet, d.h. daß der Verbraucher 104 nur noch für eine gewisse Zeit über die Energie des Energiespeichers 103 versorgt werden kann. Dieses Signal kann wiederum die SPS dazu nutzen, ein Herunterfahren in einen definierten Zustand zu initiieren, bspw. die externen Schnittstellen abzufragen und das auf der SPS ablaufende Betriebssystem zu beenden. Dieser Vorgang kann ca. 2–3 Minuten dauern. Während dieser Zeit kann die Versorgung durch den Energiespeicher 103 sichergestellt werden. Danach ist die SPS in einem definierten Zustand und kann abgeschaltet werden (oder schaltet sich selbst ab).

Die Einheit zur Strombegrenzung 109 stellt sicher, daß maximal nur ein vorgegebener Ausgangsstrom über den Ausgang 106 abgegriffen werden kann. Selbst wenn am Ausgang 106, z.B. im Verbraucher 104 ein Kurzschluß auftreten sollte, liefert die DC-Stromversorgung nur diesen maximalen Strom. Damit ist die maximale Belastung der Eingangsstromversorgung 102 im Rahmen der vorgegebenen Auslegung. Sowohl die Eingangsstromversorgung 102 als auch die Bauelement der DC-Stromversorgung 101 müssen nicht für höhere Leistungen (im Kurzschlußfall) ausgelegt werden.

2 zeigt eine mögliche Realisierung der Regeleinheit 112, 3 zeigt den zugehörigen Signalverlauf von Strömen I1, I2 und I3.

2 enthält zwei Induktivitäten L1, L2, zwei Dioden D1, D2, zwei Kondensatoren C1, C2 und zwei n-Kanal (Anreicherungstyp-)Mosfets V1, V2. Ferner sind ein Eingang und ein Ausgang sowie eine Ansteuerung (nicht dargestellt) der beiden Mosfets V1 und V2 vorgesehen.

Entsprechend den Erläuterungen zu 1 ist der Eingang der Regeleinheit 112 mit den Knoten K3 und K4 und der Ausgang der Regeleinheit 112 mit den Knoten K1 und K2 verbunden, wobei zusätzlich der negative Anschluß durch die Regeleinheit geschleift ist, d.h. der Knoten K4 entspricht dem Knoten K2. Der Kondensator C1 liegt zwischen den Konten K3 und K4, der Kondensator C2 liegt zwischen den Knoten K1 und K4 (=K2). Die Induktivität L1 ist an der einen Seite mit dem Knoten K3 und auf der anderen Seite mit dem Drain-Anschluß des Mosfets V1 und der Anode der Diode D1 verbunden. Die Induktivität L2 ist an der einen Seite mit dem Knoten K3 und auf der anderen Seite mit dem Drain-Anschluß des Mosfets V2 und mit der Anode der Diode D2 verbunden. Die Kathoden der Dioden D1 und D2 sind miteinander und mit dem Knoten K1 verbunden. Der Source-Anschluß des Mosfets V1 ist mit dem Source-Anschluß des Mosfets V2 und mit dem Knoten K4 (=K3) verbunden. An dem Gate-Anschluß des Mosfets V1 liegt ein erstes Schaltsignal und an dem Gate-Anschluß des Mosfets V2 liegt ein zweites Schaltsignal an.

Das erste und das zweite Schaltsignal sind rechteckförmige Signale gleicher Frequenz die zueinander um 180° phasenverschoben sind. Somit schaltet der Mosfet V1 dann wenn der Mosfet V2 sperrt und umgekehrt. Der Strom I3 teilt sich auf in die Ströme I1 und I2, wobei durch die beschriebene Ansteuerung der beiden Mosfets V1 und V2 das sägezahnähnliche Signal I3 aufgeteilt wird (siehe 3). Dies hat den Vorteil, daß die effektiven Eingangs- und Ausgangsströme deutlich kleiner sind, der Wechselstromanteil geringer ist und die Eingangs- und Ausgangskondensatoren dementsprechend weniger belastet werden. Ohne die Aufteilung durch den phasenverschobenen Hochsetzsteller hätte der Peak-Strom des Eingangsstroms I3 die doppelte Amplitude. Dementsprechend müßten die Bauelemente auf den höheren Effektivstrom (IRMS) ausgelegt werden.

Den Zusammenhang zur Bestimmung des Effektivstroms veranschaulicht 4. Mit einem Peak-Strom IPEAK, einer Periode T und einer Impulsdauer von TEIN ergibt sich der Effektivstrom IRMS zu:


Anspruch[de]
DC-Stromversorgung (101) zur Bereitstellung einer Ausgangsgleichspannung, die insbesondere zumindest vorübergehend weitgehend von einer Eingangsspannung unabhängig ist, umfassend

– einen Eingang (105), an dem die Eingangsspannung anliegt;

– einen Ausgang (106), an dem die Ausgangsgleichspannung bereitgestellt wird;

– Anschlüsse (116) zur Verbindung eines Energiespeichers (103);

– eine Regeleinheit (112), anhand derer die von dem Energiespeicher (103) bereitgestellte Spannung im wesentlichen auf die Höhe der vorgegebenen Ausgangsgleichspannung konvertierbar ist.
DC-Stromversorgung nach Anspruch 1, umfassend eine Kontrolleinheit (120), die bei einer Unterbrechung oder bei einem Absinken der Eingangsspannung die Regeleinheit (112) derart ansteuert, daß der Ausgang (106) anhand des Energiespeichers (103) auf die vorgegebene Ausgangsgleichspannung regelbar ist. DC-Stromversorgung nach Anspruch 1, bei der der Energiespeicher (103) mindestens einen Akkumulator und/oder mindestens eine Batterie und/oder mindestens einen Kondensator, insbesondere mindestens einen Doppelschichtkondensator umfaßt. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Energiespeicher (103) eine Blei-Gel-Batterie enthält. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Energiespeicher (103) ein externer Energiespeicher ist. DC-Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Energiespeicher (103) ein Teil der DC-Stromversorgung (101) ist, wobei insbesondere der Energiespeicher (103) und die DC-Stromversorgung (101) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend eine Batterieladeschaltung (110), die den Energiespeicher (103) über die Eingangsspannung auflädt. DC-Stromversorgung nach Anspruch 6, bei der die Batterieladeschaltung (110) einen Tiefsetzer enthält, der insbesondere ein Mittel zur Temperaturkompensation (111) umfaßt. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der anhand einer Abschalteinheit (114) in einem Fehlerfall der Energiespeicher (103) von der DC-Stromversorgung entkoppelbar ist. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Regeleinheit (112) mindestens einen Hochsetzer umfaßt. DC-Stromversorgung nach Anspruch 9, bei der die Regeleinheit (112) zwei zueinander phasenverschobene Hochsetzsteller umfaßt. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Ausgang (106) eine Einheit zur Strombegrenzung (109) vorgeschaltet ist. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Ausgangsgleichspannung in einem Bereich von ca. 12 Volt bis ca. 48 Volt. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ausgangsgleichspannung einstellbar ist. DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der vor einer elektrischen Verbindung des Energiespeichers anhand der Batterieladeschaltung Kondensatoren kontrolliert vorgeladen werden DC-Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die DC-Stromversorgung auf einer Hutschiene montierbar ist.






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