DE2657167C3 - Schaltung zum selbsttätigen Umschalten der Stromversorgung einer Last von einer Primärstromquelle auf eine Sekundärstromquelle - Google Patents
Schaltung zum selbsttätigen Umschalten der Stromversorgung einer Last von einer Primärstromquelle auf eine SekundärstromquelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum selbsttätigen
Umschalten der Stromversorgung einer Last von einer Primärstromquelle auf eine Sekundärstromquelle,
mit einer auf die Spannung der Primärstromquelle reagierenden Steuerschaltung, die bei Absinken
der Spannung unter einen vorgegebenen Wert eine Schalteinrichtung betätigt und damit die Last an
die Sekundärstromquelle anschließt, und mit einer auf die Spannung der Sekundärstromquelle reagierenden
Abschaltvorrichtung, die bei Absinken dieser Spannung unter einen zulässigen Wert die Last von der
Sekundärstromquelle abschaltet.
Bei einer bekannten Schaltung dieser Art (DE-OS 2325X53) ist die Primärstromquelle über eine Heminungsschaltung
und einen Inverter an die Last angeschlossen. Reicht ihre Spannung aus, dann sind die
in dem Inverter enthaltenen Transistoren gesperrt, so cläß die Selbstschwmgneigüng des Inverters, der eine
Pszillaförschältung darstellt* unterdrückt wird. Die
Spannung wird daher in diesem Zustand direkt von
der Primärströmquelle auf die Last übertragen. Bei einem Ausfall der Primärstromquelle wird die Blokkierung
des Inverters durch die Hemmungsschaltung aufgehoben. Der Inverter ist jetzt an die Batterie angeschlossen
Und bildet das Kopplungsgut zwischen der Batterie und der Last. Wenn die Spannung an der Batterie den zulässigen Wert unterschreitet, tritt eine
Ausrastschaltung in Funktion, die eine Beendigung der Funktion des Inverters bewirkt. Diese Schaltung
arbeitet bei einem Ausfall der Primärstromquelle interminierend. Dies bedeutet, daß zunächst die Batterie
bis auf den zulässigen Wert entladen wird, um abgeschaltet zu werden, und daß nach Erholung der
Batterie eine erneute Entladung erfolgt. Wenn die Primärstromquelle über längere Zeit nicht funktionsfähig
ist, erfolgt also in Intervallen ein dauerndes Erhojen
und Entladen der Batterie. Diese Betriebsart kann für Batterien, insbesondere für Bleibatterien,
schädlich sein. Die bekannte Schaltung benötigt zur Erzielung der Abschaltfunktionen relativ viele unterschiedliche
Baugruppen, die ihrerseits wieder viele Bauelemente enthalten.
Ferner ist eine Einrichtung zur Wechselstromspeisungeines
Verbrauchers bekannt (DE-OS 2250437), bei der ein normalerweise geschlossener Schalter gcöffnet
wird, sobald die Spannung der Primärstromquelle unter den zulässigen Wert absinkt. Der Verbraucher
wird dann direkt von der Sekundärstromquelle versorgt. Eine Überwachung der Spannung der
Sekundärstromquelle findet nicht statt, so daß bei Verwendung einer batterie als Sekundärstromquelle
eine Tiefentladung der Batterie erfolgen kann, die eine Zerstörung der Batterie zur Folge haben kann.
Bekannt ist schließlich ein Unterspannungsschutz
(Kasanski »Relaisschutz«, Seiten 5 und 6), bei dem an Versorgungsleitungen eines elektrischen Verbrauchers
ein Unterspannungsrelais angeschlossen ist, das einen Relaiskontakt öffnet, wenn die Spannung unter
einen vorgegebenen Wert absinkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Steuerschaltung
mit weniger Bauteilen auskommt als die bekannten Steuerschaltungen und '-<ei der ein einziges
Bauteil sowohl die Abschaltung der Sekundärstromquelle
bei zu geringer Ausgangsspannung als auch die Umschaltung der Last von der Primärstromquelle auf
die Sekundärstromquelle im Falle eines Versagens der Primärstromquelle übernimmt.
Zur Lösung il'cser Aufgabe ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß die Schalteinrichtung ein zwischen der Sekundärstromqueile und der Last liegender Relaiskontakt
eines Unterspannungsrelais ist, dessen Spule in Reihe mil einem Transistor an die Primärstromquelle
angeschlossen ist, und daß die Basis des Transistors mit einem Abgriff der Primärstromquelle
■jo derart verbunden ist, daß der Transistor leitend wird,
wenn die Spannung der Primärstromquelle unter den vorgegebenen Wert abfällt.
Bei Normalbetrieb, wenn die Spannung der Primärstromquelle ausreicht, um die Last zu versorgen,
ist der Relaiskontakt des Unterspannungsrelais geöffnet und die Sekundärstromqueile ist somit von der
Last abgeschaltet. Sinkt die Spannung der Primärstromquelle unter einen bestimmten Grenzwert, dann
Wird der Transistor, der vorher gesperrt war, leitend,
=6ö so daß die Spule des Unterspannungsrelais stromdurchflossen
wird. Durch die Erregung des Unterspannungsrelais wird dessen Relaiskontakt geschlossen und die Versorgung der Last erfolgt von der
Sekundärstroiiiqüelle aus. Nur dann, wenn die Prl·
märstromquelle sich Wieder erholt, wird der Transistor
wieder gesperrt UiId der Relaiskontakt des Unter"
spannungsrelais geöffnet. Dieser Vorgang ist also reversibel.
Erst wenn nach einem Ausfall der Primärstromquelle
auch die. Spannung der Sekundärstromquelle unter einen bestimmten Grenzwert abgesunken ist,
öffnet das Unterspannungsrelais den Relaiskontakt, weil sein Strom zum Halien nicht ausreicht. Ist der
Relaiskontakt abgefallen, wird er bei Erholung der Sekundärstromquelle nicht wieder geschlossen. Dieser
Vorgang ist nicht reversibel. Die Sekundärstrumquelle wird also bei einem Ausfall der Primärstromquelle
vor wiederholten Aufladungen und Entladungen geschützt.
Das Unterspannungsrelais hat, wie oben dargelegt, eine Doppelfunktion. Im Normalzustand, also bei
funktionierender Primärstromquelle, ist der Relaiskontakt geöffnet. Dieses unterscheidet die Schaltung
von den üblichen Schaltungen mit Unterspannungsrelais, bei denen bei ordnungsgemäßer Funktion aller
Komponenten das Unterspannungsrelais stets angezogen und der betreffende Schalter geschlossen ist.
Damit nach einem Zusammenbruch der Spannung der Primärstromquelle die für das Anziehen des Unterspannungsrelais
erforderliche Energie geliefert wird, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen, daß die Reihenschaltung aus dem Transistor und der Spule durch einen Kondensator überbrückt
ist, dessen Kapazität ausreicht, um bei Entladung über die Reihenschaltung das Unterspannungsrelais
zum Ansprechen zu bringen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt die Schaltung einer Ausführungsform der Erfindung mit einer an eine Gleichspannungsprimärquelle
und eine Gleichspannungssekundärquelle anschaltbaren Last;
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Schaltung wie Fig. !,wobei
jedoch entweder die Primärquelle oder die Sekundärquelle jeweils als Wechselspannungs- oder Gleichspannungsquelle
ausgebildet sein können; und
Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Schaltung, wobei der geänderte Schaltungsteil rechts
von der Linie 3-3 dargestellt ist.
Für die in den Figuren dargestellten Zeichnungen gibt es die verschiedensten Anwendungsfälle. Beispielsweise
kann die Schaltung zur Versorgung einer »Ausgang«-Leuchte (Last) oder der Notbeleuchtung
in öffentlichen Sälen dienen, die von einer Batterie (Sekundärquelle) versorgt werden, wenn das Versorgungsnetz
ausfällt. Ein anderes Anwendungsgebiet sind Schutzsysteme für Halbleiterspeicher und Raumschutz-Alarmsysteme.
Die Erfindung bezieht sich daher generell auf die Stromversorgung der verschiedensten
Lasten oder Verbraucher durch mehrere Versorgungsquellen, deren Spannungen vorzugsweise
einander im wesentlichen angepaßt sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind die Ausgangsanschlüsse 10. 12. der Primärslromquellc
normalerweise an die Last abgeschaltet. In der Zuführungsleitung kann eine Sicherung zum Schutz gegen
Kurzschluß- und Aüsgleichsströme liegen. Die Primärstromquelle
ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Gleichstromquelle, beispielsweise in Form einer
Batterie oder eines Netzgerätes, das eine Gleichrichtung der 220 V-Versorgungsspannung vornimmt. Die
geerdete Klemme der Liif, ί ist mit dem einen Anschluß
der Sekundärstromquelle verbunden, die bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Gleichstromquelle
ist und eine Spannung liefert, die im wesentlichen in demselben Bereich liegt wie die Ausgangsspannung
der Primärstromquelle im Betriebszustand. Die Sekundärstromquelle weist Ausgangsanschlüsse 16, 18
und evtl. Eingangsanschlüsse 20, 22 auf. Wenn die Sekundärstromquelle eine wiederaufladbare Batterie
ist, kann die Aufladung über die genannten Eingangsanschlüsse in bekannter Weise erfolgen. Die Ladeenergie
kann von der Primärstromquelle (wenn diese in Betrieb ist) oder von einer anderen geeigneten
ίο Stromquelle bezogen werden.
Die Schaltung zum automatischen und selektiven Umschalten der Last von der Primärstromquelle auf
die Sekundärquelle (und umgekehrt) enthält einen Schalter 24 mit einem Unterspannungsrelais K1, das
aus einer Magnetspule 26, einem federgespannten Schalthebel 28 und dem Relaiskontakt 30 besteht, der
in seiner öifnungsstellung, die dem Ruhezustand entspricht,
dargestellt ist, sowie dem Kontakt 32.
Das Öffnen und Schließen des Schalters 24 wird davon bestimmt, ob der Paralleltransistor Q1 der Steuerschaltung, dessen Kollektor mit dem nicht geerdeten Anschluß 15 des Relais verbunden ist, im leitenden Zustand (z. B. in Sättigung) oder im nicht-leitenden Zustand ist. Der leitende Zustand des Transistors Q, wird weitgehend von dem an der Basis 34 dieses Transistors auftretenden Signal bestimmt. Die Basis ist über die Diode D2 mit dem Abgriff 36 der Primärstromquelle verbunden. Die an dem Abgriff 36 abgenommene Spannung ist vorzugsweise der Ausgangsspannung der Primärstromquelle direkt proportional, kann jedoch auch größer als 100% dieser Spannung sein.
Das Öffnen und Schließen des Schalters 24 wird davon bestimmt, ob der Paralleltransistor Q1 der Steuerschaltung, dessen Kollektor mit dem nicht geerdeten Anschluß 15 des Relais verbunden ist, im leitenden Zustand (z. B. in Sättigung) oder im nicht-leitenden Zustand ist. Der leitende Zustand des Transistors Q, wird weitgehend von dem an der Basis 34 dieses Transistors auftretenden Signal bestimmt. Die Basis ist über die Diode D2 mit dem Abgriff 36 der Primärstromquelle verbunden. Die an dem Abgriff 36 abgenommene Spannung ist vorzugsweise der Ausgangsspannung der Primärstromquelle direkt proportional, kann jedoch auch größer als 100% dieser Spannung sein.
Die Antwortzeit der Schaltfunktion wird durch den Kondensator C1 bestimmt, der zwischen Masse und
den Verbindungspunkt des Emitters des Transistors Q, mit der Diode D, geschaltet ist, und von der Parallelschaltung
aus dem Widerstand R1 und dem Kondensator C2, die zwischen dem Anschiußpunkt 34 und
Ma^se liegt. Wenn die Primärstromquelle eine oberwellenfreie reine Gleichstromquelle ist, kann C2 auch
fortgelassen werden. Generell enthält die Steuerschaltung denjenigen Teil der Schaltang, der auf die
Spannung am Abgriff 36 anspricht und veranlaßt, daß der Schalter in Abhängigkeit von dem von der Primärstromquelle
gelieferten Spannungsniveau öffnet oder schließt. In Fig. 1 enthält die Steuerschaltung zusätzlich
zu R1 und C2 die Elemente D1, D2, C1 und Q1.
Unter normalen Betriebsbedingungen versorgt die Primärstromquelle die Last bzw. den Verbraucher,
wobei der Kondensator C über die Diode D1 aufgeladen
ist. Wenn an der Basis 34 des Transistors Q1
eine positive Spannung liegt, ist der Transistor gesperrt, so daß das 'Jnterspannungsrelais K1 nicht erregt
wird und der Relaiskontakt 30 geöffnet bleibt.
Die Spannung an der Basis 34 von Q1 muß gegenüber
der Sekundärstromquelle durch Dioden oder andere Mittel (die in dei Primärstromquelle gemäß Fig. I
enthalten sein können) abgeblockt werden, so daß der Transistor Q1 nur von der Primärstromquelle, gesperrt
6ö werden kann, flicht aber von der Sekundärstromqueile.
Während des Normalbetriebes muß die am Punkt 34 anstehende Spannung genügend groß sein,
um den Transistor Q1 im Sperrzustand zu halten. Ein
Beispiel für eine solche Diodenabblockung unter Ver-Wendung einer Gleichspannungsprimärquelle (ohne
Oberwellen) ist in dem Ausführungsbeispiel von Fig, 3 dargestellt, Die Sekundärstromquelle ist von
der Basis 34 durch die Diode D, Getrennt, Die Bau-
io
teile C1 und D2 sind in diesem Falle fortgelassen Und
die am Eingang der Steuerschaltung liegende Spannung ist in diesem Falle die volle Ausgangsspannung
der Primärstromquelle.
Bei einem Ausfall der Primärströmquelle, d. h.
wenn entweder die Spannung der PrirnärsflOfriqüeHe
vollständig zusammenfallt oder unter einen vorbestimmten Schwellenwert absinkt, verschwindet die
positive Vorspannung der Basis 34 des Transistors Q1,
so daß über den Widerstand R. die Basis des Transistors Q, an Masse gelegt wird. Hierdurch wird der
Transistor Q1 in den Leitzustand gebracht. Der Kondensator
C1 entlädt sich daraufhin über den Transistor
ö| und die Relaisspule Zf1. Dadurch wird die Relaisspule
erregt und die Relaiskontakte 30. 32 werden fs geschlossen, so daß nunmehr die Last von der Sekundärstromquelle
versorgt wird.
Der Kondensator C1 sollte so ausgelegt sein, daß
er genügend Energie zur Erregung der Spule 26 speichert, um bei Ausfall der Primärenergie das Relais
zum Anziehen zu bringen. Wenn die Relaiskontakte 30,32 des Relais K1 schließen, wird die Spule 26 des
Relais von der Sekundärstromquelle versorgt, wodurch die Spule im Erregungszustand gehalten wird,
so daß sichergestellt ist, daß die Last an die Sekundärstromquelle angeschlossen bleibt. Wenn die Primärstromquelle
sich wieder erholt hat und ihr Spannungsniveau über den genannten Schwellenwert angestiegen
ist, reicht die positive Vorspannung an der Basis 34 aus, um den Transistor Qx wieder in den Sperrzu- J0
stand zu versetzen, wodurch die Relaisspule 26 aberregt wird und die Kontakte 30, 32 sich wieder öffnen.
Wenn die Sekundärspannungsquelle eine wiederaufladbare Batterie ist, kann es häufig kritisch sein,
die Last von der Batterie abzunehmen, wenn die Batterie nahezu entladen ist. Es kann beispielsweise gewünscht
werden, die Batterie abzuschalten (und Schalter 24 zu öffnen), wenn die Batterie ihr 90T-Entladeniveau
erreicht hat, was durch einen bestimmten Abfall ihrer Ausgangsspannung angezeigt wird.
E:nc Wcitcrcr.iiadüi'ig üüiui uit^c» Niveau kanu bekanntlich
zu einer irreparablen Beschädigung der Batterie führen. Die erfindungsgemäße automatische
Abschaltung erfolgt daher, wenn die Spannung der Sekundärstromquelle unter dieses vorbestimmte Abschaltniveau,
das einem bestimmten Entladezustand entspricht, absinkt, wodurch die Spule 26 des Relais
K1 aberregt wird, und die Spannung noch ausreicht,
um die Kontakte 30, 32 zu öffnen und die Sekundärstromquelle von der i^ast abzuschalten. Bei der abgebildeten
Schaltung wird die Stromversorgung nicht wieder an die Last angeschaltet, bis die Ausgangsspannung
der Primärquelle wieder über den Schwellenwert angestiegen ist. Die Batterie kann dann wieder
aufgeladen und die gesamte Schaltvorrichtung wieder für einen neuen Zyklus vorbereitet werden.
Das Spannungsniveau, bei dem die Sekundärstromquelle abgeschaltet werden muß, karn ausgewählt
werden und die Abschaltung erfolgt durch geeignete Wahl des Relais K1 und des Spannungsabfalls
zwischen den Punkten 13 und 15 an der Diode und der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors. Dieser
Spannungsabfall kann natürlich auch durch Einschal
45
50 tung zusätzlicher Dioden, Zenerdioden oder Widerstände
ödei' anderer Schaltelemente willkürlich verändert werden) um die Abschaltspannung zwischen
den Anschlüssen 16,18 (und damit die Spannung an
der Spule 26) zu bestimmen.
Wenn Wert auf eine kontinuierliche Versorgung
der Last gelegt wird, selbst wenn die Sekürtdärstromqüelle
automatisch abgeschaltet ist und die Primär*
stromquelle hoch nicht wieder ihre Volle Spannung
angenommen hat, kann der Schalter 24 auch dazu verwendet werden, in bekannter Weise ein Diesel-Notstromaggregat
od. dgl. einzuschalten, dessen Ausgangsspannung an die Klemmen 10,12 der Last gelegt
Wird. Natürlich können auch andere Arten tertiärer Notstromaggregate oder zusätzlicher Versorgungsquellen verwendet werden.
Das Ausführungsbeispiel von Fig 2 gleicht im Aufbau und Wirkungsweise im wesentlichen demjenigen
der Fig. 1. mit der Ausnahme, daß ein anderes Relais verwendet wird, so daß die Primärstromquelle
nicht immer an die Last angeschaltet ist, und daß die Schaltzeit etwas kürzer ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein einpoliges Doppelkontaktrelais des
Typs C verwandt. In der Schaltung können entweder Wechselstrom- oder Gleichstrom-Primär- oder Sekundärstromquellen
verwendet werden, so daß dieses System bei beliebigen Kombinationen von Gleichstrom-
und Wechselstromquellen eingesetzt werden kann. Unter Normalbedingungen liefert die Primärstromquelle
Strom an die Last. Die Spule 26 des Relais K1 ist aberregt und der Kontaktarm 30 liegt am Kontakt
33. Wie bei der Schallung nach Fig. 1 wird das Relais 26 erregt, wenn das Potential am Abgriff 34
hinreichend abgefallen ist, um den Transistor Q1 leitend
zu machen. Dadurch wird der Schalter umgeschaltet, so daß der Kontaktarm 30 an Kontakt 32
anliegt und die Sekundärstromquelle einschaltet. Gleichzeitig wird die Primärstromquelle von der Last
abgeschaltet.
In der Praxis haben sich für die Bauteile der Schaltung nach Fig. i die folgenden Werte ais gunsiig erwiesen,
wenn als Sekundärstromquelle eine wiederaufladbare Bleibatterie mit einer Nennspannung von
6 V verwendet wird, und wenn die Primärstromquelle ein an eine Wechselspannung von 115 V angeschlossener
Stufentransformator ist, dessen Sekundärwindung einen Mittelabgriff aufweist und dem ein Doppelwellengleichrichter
nachgeschaltet ist. Die Primärstromquelle liefert beispielsweise eine Gleichsp" ">nung
von 6,3 V an die Last und über eine Tertiärwindung eine Gleichspannung von 12 V an den
Abgriff 36.
Q1 - 2N5227
K. - Relais - Electronic Applications Co.
Nr. 1A6AHH Form A
C1 - 33 mF. 15WVDC
C2 - .68 mF. 20WVDC
R - 33,000 Ohm
DPD2- 1N4001
Last - 4 * 44 Glühbirnen parallel
C1 - 33 mF. 15WVDC
C2 - .68 mF. 20WVDC
R - 33,000 Ohm
DPD2- 1N4001
Last - 4 * 44 Glühbirnen parallel
Die Abschaltspannung für die Batterie betrug 2 V,
was einem Entladezustand von etwa 90% entspricht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Schaltung zum selbsttätigen Umschalten der Stromversorgung einer Last von einer Primärstromquelle
auf eine Sekundärstromquelle, mit einer auf die Spannung der Primärstromquelle reagierenden
Steuerschaltung, die bei Absinken der Spannung unter einen vorgegebenen Wert eine
Schalteinrichtung betätigt und damit die Last an die Sekundärstromquelle anschließt, und mit einer
auf die Spannung der Sekundärstromquelle reagierenden Abschalteinrichtung, die bei Absinken
dieser Spannung unter einen zulässigen Wert die Last von der Sekundärstromquelle abschaltet, d adurch
gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein zwischen der Sekundärstromquelle und
der Last «^gender Relaiskontakt (30) eines Unterspannungsrelais
(K1) ist, dessen Spule (26) in Reihe mit einem Transistor (Qi) an die Primärstromquelle
angeschlossen ist, und daß die Basis des Transistors (Q1) mit einem Abgriff (36) der
Primärstromquelle derart verbunden ist, daß der Transistor leitend wird, wenn die Spannung der
Primärstromquelle unter den vorgegebenen Wert abfällt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus dem
Transistor IQ1) und der Spule (26) durch einen
Kondensator (C1) überbrückt ist, dessen Kapazität ausreicht, um bei vintladung über die Reihenschaltung
das Unters^annungsi'elais (K1) zum
Ansprechen zu bringen.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Transistor (Q1)
und einen Anschluß der Sekundärstromqueile ein Spannungsreferenzelement (D1) geschaltet ist.
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