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Dokumentenidentifikation DE10245273A1 08.04.2004
Titel Speisegerät zur eigensicheren Energieversorgung
Anmelder Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin, 38116 Braunschweig, DE
Erfinder Gerlach, Udo, Dr., 38176 Wendeburg, DE;
Uehlken, Thomas, 38154 Königslutter, DE;
Johannsmeyer, Ulrich, Dr., 38159 Vechelde, DE;
Wehinger, Hans, Dr., 38176 Wendeburg, DE;
Wolkow, Juri, 38116 Braunschweig, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER GbR, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 27.09.2002
DE-Aktenzeichen 10245273
Offenlegungstag 08.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.04.2004
IPC-Hauptklasse H02H 9/00
IPC-Nebenklasse H02M 9/02   
Zusammenfassung Ein Speisegerät (1) zur eigensicheren Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern, die mit einer elektrisch kurzen Leitung an das Speisegerät (1) angeschlossen werden, hat eine mit einer periodischen Wechselspannung gespeiste Konstantstromquelle und Leistungsbegrenzungsmittel, um die Ausgangsgrößen des Speisegerätes (1) auf eigensichere Ausgangsgrößen zu begrenzen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Speisegerät zur eigensicheren Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern, die mit einer elektrisch kurzen Leitung an das Speisegerät angeschlossen werden.

Bei dem Betrieb von elektrischen Verbrauchern in explosionsgefährdeten Bereichen muss die im Fehlerfall zugeführte Energie auf einen Wert begrenzt werden, der unterhalb eines vorgegebenen Höchstwertes liegt. Neben der Energie ist die Versorgungsspannung und der Versorgungsstrom in dem explosionsgefährdeten Bereich auf eine definierte Maximalspannung und einen definierten Maximalstrom zu begrenzen, um eine Überschreitung der Zündgrenzwerte sicher zu verhindern.

Um einen sicheren Betrieb elektrischer Verbraucher in einem explosionsgeschützten Umfeld zu gewährleisten, müssen die Verbraucher herkömmlicherweise in aufwendigen Zündschutzarten, wie z. B Vergußkapselung oder druckfeste Kapselung einschließlich der dazu erforderlichen Verkabelung gefertigt sein. Diese sind dadurch sehr aufwendig und teuer. Durch die Verwendung einer "eigensicheren" Lösung lassen sich erhebliche Kosten sowohl für die Fertigung als auch für die Installation sparen.

Die Energieversorgung erfolgt herkömmlicherweise mit DC-Quellen, um sicherzustellen, dass definierte Zündspannungen nicht überschritten werden. Die übertragbare mit einer DC-Quelle übertragbare Leistung ist nachteilig auf wenige Watt (etwa 2 W) begrenzt. Zum Betrieb beispielsweise von Magnetventilen, die höhere Schaltleistungen erfordern, muss daher das Auftreten von Zündfunken in die explosionsgefährdete Umgebung durch Verwendung speziell geschirmter Zuleitungskabel und einer Verkapselung der Magnetventile verhindert werden.

Aufgabe der Erfindung war es, ein verbessertes Speisegerät zur eigensicheren Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern zu schaffen, die mit einer elektrisch kurzen Leitung an das Speisegerät angeschlossen werden.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Speisegerät erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Speisegerät eine mit einer periodischen Wechselspannung gespeiste Konstantstromquelle und Leistungsbegrenzungsmittel hat, um die Ausgangsgrößen des Speisegerätes auf eigensichere Ausgangsgrößen zu begrenzen.

Im Unterschied zu Feldbus-Speisegeräten, bei denen Überlagerungen der sich auf den elektrisch langen Leitungen ausbildenden Wellen zu berücksichtigen sind und eine reflektionsabhängige Regelung erfolgt, ist das erfindungsgemäße Speisegerät für den Betrieb mit elektrisch kurzen Leitungen beschränkt ausgelegt.

Weiterhin erfolgt im Unterschied zu den herkömmlichen eigensicheren Konstantspannungsversorgungen die Versorgung der Verbraucher mit einer Konstantstromquelle in Verbindung mit einer Wechselspannungsspeisung. Es hat sich bei einer Untersuchung des Funkenverhaltens überraschend gezeigt, dass der Strom und nicht die Spannung entscheidend für die Begrenzung des Zündfunkens ist. Dabei hat sich herausgestellt, dass das Funkenverhalten durch einen definiert begrenzten Konstantstrom kontrollierbar ist. In diesem Zusammenhang wurde erkannt, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Wechseispannungsspeisungen nunmehr erheblich höhere Leistungen (bis etwa 30 W) an die Verbraucher übertragen werden können, ohne dass die Versorgungskabel und die Verbraucher speziell geschirmt werden müssen. Der Aufwand und die Kosten bei der Installation einer eigensicheren Anlage kann damit bei Verwendung des erfindungsgemäßen Speisegerätes erheblich reduziert werden.

Aufgrund der Besonderheiten des Funkenverhaltens ist das Speisegerät auch nicht einfach mit üblichen Speisegeräten vergleichbar, die nicht für den eigensicheren Betrieb ausgelegt sind.

Da die Konstantstromquelle in extremen Sonderfällen unter Umständen nicht im zulässigen Spannungsbereich gefahren wird, muss für eine Begrenzung der Ausgangsgrößen, insbesondere der Ausgangsspannung, gesorgt werden. Hierzu sind Leistungsbegrenzungsmittel vorgesehen.

Die Leistungsbegrenzungsmittel haben in einer Ausführungsform, die insbesondere zur Versorgung von Magnetaktoren geeignet ist, an den Ausgang des Speisegerätes geschaltete Spannungsbegrenzungsmittel zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Speisegerätes auf eine zulässige Maximalspannung. Die Spannungsbegrenzungsmittel sind beispielsweise gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden.

Alternativ hierzu oder zusätzlich können die Leistungsbegrenzungsmittel an den Ausgang des Speisegerätes geschaltete Strombegrenzungsmittel haben, um die Strom-Zeitfläche im Fehlerfall auf eine sicherheitstechnisch zulässige Stromzeitfläche zu begrenzen.

In einer anderen Ausführungsform ist eine Regelung der Konstantstromquelle vorgesehen. Hierzu haben die Leistungsbegrenzungsmittel Vergleichsmittel zur Ermittlung der Abweichung der Ausgangsgrößen des Speisegeräts von Referenz-Ausgangsgrößen des bei zulässiger Belastung betriebenen Speisegerätes sowie Sicherheitsbegrenzermittel. Die Sicherheitsbegrenzermittel werden von den Vergleichsmitteln angesteuert und sind mit der Konstantstromquelle derart gekoppelt, dass die Konstantstromquelle zur Begrenzung der von dem Speisegerät abgegebenen Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung geregelt wird.

Vorzugsweise weisen die Vergleichsmittel Mittel zur Erzeugung eines Referenzsignals auf, wobei die Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem Ausgangssignal des Speisegeräts bestimmt und die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Differenz begrenzt wird. Mit den Mitteln wird ein Referenzsignal erzeugt, das dem periodischen Wechselsignal entspricht, das bei zulässiger optimaler ohmscher Last durch das Speisegerät erzeugt wird. Vorzugsweise erfolgt die Begrenzung in Abhängigkeit von der Differenzspannung zwischen einem Referenzspannungssignal und deer Ausgangsspannung.

Das Speisegerät hat vorzugsweise zusätzliche Spannungsüberwachungsmittel, um die Sicherheitsbegrenzermittel in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Speisegerätes und einer zulässigen Maximalspannung anzusteuern und die Ausgangsspannung des Speisegeräts zu begrenzen. Weiterhin können Stromüberwachungsmittel vorgesehen sein, um bei einer auftretenden kurzzeitigen Überschreitung eines Maximalstroms die Sicherheitsbegrenzermittel in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom des Speisegerätes und einem zulässigen Maximalstrom anzusteuern und den Ausgangsstrom des Speisegeräts zu begrenzen. Damit weist das Speisegerät eine Spannungsüberwachung, eine Stromüberwachung und/oder eine Referenzgrößenüberwachung auf, die jeweils einen Betrieb der im eigensicheren Bereich an das Speisegerät angeschlossenen Verbrauchers gewährleisten.

Vorzugsweise hat die Konstantstromquelle eine Leistungsquelle zur Erzeugung einer periodischen Wechselspannung und einen an die Leistungsquelle angeschlossenen regelbaren Spannungs-Strom-Wandler. Zur Regelung des Potentials und des Ausgangsstroms des Spannungs-Strom-Wandlers sind die Sicherheitsbegrenzermittel an den Spannungs-Strom-Wandler geklemmt. Als Spannungs-Strom-Wandler wird vorzugsweise ein Umkehrungsvierpol, wie beispielsweise ein Collins-Filter, eingesetzt. Die Sicherheitsbegrenzermittel können dann an einen T-Punkt eines als T-Glied ausgeführten Umkehrungsvierpols geklemmt sein, wobei das Potential des T-Punktes von den Sicherheitsbegrenzermitteln gesteuert wird. Der T-Punkt ist hierbei ein Kreuzungspunkt zwischen dem Längszweig und dem Querzweig des T-Gliedes.

Die Vergleichsmittel sind vorzugsweise an die Primärseite eines Übertragers geschaltet. Die Sicherheitsbegrenzermittel werden dann von der Sekundärseite des Übertragers angesteuert. Eine Differenz zwischen Ausgangs- und Referenzsignal, ein Überschreiten der zulässigen Maximalspannung und/oder ein Überschreiten des zulässigen Maximalstroms führen jeweils zu einem Strom durch den Übertrager, der sekundärseitig ausgekoppelt wird und die Sicherheitsbegrenzermittel schaltet. Die Sicherheitsbegrenzermittel sind vorzugsweise als elektronischer Schalter ausgebildet, der an den T-Punkt des Spannungs-Strom-Wandlers geklemmt ist und das Potential des T-Punktes im geschalteten Zustand absenkt.

Für den Vergleich zwischen Ausgangs- und Referenzsignal ist vorzugsweise der Ausgang des Speisegeräts an einen Abgriff des Übertragers und das Referenz-Ausgangssignal an einen anderen Abgriff des Übertragers geklemmt. Sobald sich das Ausgangssignal von dem Referenz-Ausgangssignal unterscheidet, tritt eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Abgriffen des Übertragers auf und es fließt ein Strom, der auf der Sekundärseite des Übertragers zur Steuerung der Sicherheitsbegrenzermittel ausgekoppelt wird.

Das Speisegerät ist für elektrisch kurze Leitungen vorgesehen, die vorzugsweise eine Länge von weniger als etwa 1 zu 50 der Betriebswellenlänge im Ausbreitungsmedium des von dem Speisegerät abgegebenen Ausgangssignals hat.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 – Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speisegerätes;

2 – Diagramm des Stroms und der Spannung am Ausgang des Speisegerätes aus 1 in Abhängigkeit von der an dem Ausgang des Speisegerätes vorliegenden Impedanz;

3 – Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speisegerätes mit lose gekoppelten Schwingkreis als Stromquelle;

4 – Blockdiagramm des Speisegerätes aus 3 mit Vergleichsmitteln und Sicherheitsbegrenzermitteln;

5 – Schaltbild einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speisegerätes mit Spannungsüberwachungs-, Stromüberwachungs- und Phasenüberwachungsmitteln;

6 – Diagramm des Stroms und der Spannung am Ausgang des Speisegerätes aus 5 in Abhängigkeit von der an dem Ausgang des Speisegerätes vorliegenden Impedanz.

Die 1 lässt ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speisegerätes 1 erkennen, an dessen Ausgangsklemmen 2a, 2b ein Verbraucher geschaltet werden kann. Das Speisegerät 1 hat eine Leistungsversorgung 3 mit einer Konstantstromquelle 4, die mit einer periodischen Wechselspannung aus einer Leistungsquelle 5 (AC-Spannungsquelle) gespeist ist.

Die Konstantstromquelle 4 ist beispielsweise ein Umkehrvierpol, insbesondere ein Collins-Filter.

An den Ausgang der Leistungsversorgung 3 sind Leistungsbegrenzungsmittel 6 geschaltet, die beispielsweise zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden sind.

Die 2 lässt ein Diagramm des Stroms 1 und der Spannung U am Ausgang des in der 1 skizzierten Speisegerätes in Abhängigkeit von der Impedanz an den Ausgängen 2a, 2b des Speisegerätes 1 erkennen.

In einem ersten Konstantstrombereich, in dem die Impedanz kleiner als eine Optimal-Impedanz Zoptimal ist, liefert das Speisegerät 1 einen konstanten Maximalstrom Imax, der so festgelegt ist, dass eine Funkenbildung sicher vermieden werden kann. Die Ausgangsspannung Uout des Speisegeräts 1 steigt linear mit der Verbraucherimpedanz ZV der Verbraucher am Ausgang 2a, 2b des Speisegeräts 1 an. Hierdurch ist die Leistung derart reduziert, dass das Auftreten von Zündfunken in der explosionsgefährdeten Umgebung sicher verhindert wird.

Sobald die Verbraucherimpedanz ZV am Ausgang 2a, 2b des Speisegeräts 1 die optimale Impedanz Zoptimal überschreitet, verhält sich die Konstantstromquelle 4 wie eine Konstantspannungsquelle, wobei die Ausgangsspannung Uout auf eine maximal zulässige Maximalspannung Umax begrenzt wird. Diese Begrenzung erfolgt durch die Leistungsbegrenzungsmittel 6, welche vorzugsweise zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden sind.

Bei einer Erhöhung der Verbraucherimpedanz ZV am Ausgang 2a, 2b des Speisegeräts reduziert sich folglich bei der erzwungenen konstanten Spannung Umax der Ausgangsstrom Iout des Speisegeräts 1 . Auf diese Weise wird auch in diesem Bereich das Auftreten von Zündfunken verhindert.

Diese Schaltung ist insbesondere zur Speisung von Verbrauchern geeignet, deren Impedanz wesentlich größer als die Zündfunkenimpedanz ZF ist. Die optimale Impedanz Zopt sollte hierbei größer als das Zehnfache der Zündfunkenimpedanz ZF sein.

Die 3 lässt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speisegerätes 1 erkennen, bei dem ein Schwingkreis lose mit der Leistungsquelle 5 (AC-Spannungsquelle) zur Generierung einer periodischen Wechselspannung gekoppelt ist. Der Koppelfaktor k ist sehr viel kleiner als eins, so dass durch den lose gekoppelten Schwingkreis 7 eine Stromquelle realisiert ist. Diese Stromquelle speist ihrerseits wieder einen Spannungs-Strom-Wandler 8 in Form eines als Collins-Filters ausgeführten Umkehrvierpols mit zwei Spulen L1 und L2 im Längszweig und der Kapazität Cc im Querzweig. Der Umkehrvierpol 8 hat die Transformationsfunktion

wobei ZV die am Ausgang 2a, 2b des Speisegerätes 1 anliegende Verbraucherimpedanz mindestens eines Verbrauchers 9, Zout die Impedanz am Ausgang des Schwingkreises 7 und Ztrans die Impedanz des Umkehrvierpols ist.

Im Kurzschlussfall, d. h. bei ZV gleich Null, geht die Impedanz Zout am Ausgang des Schwingkreises gegen unendlich. Der durch eine parallel geschaltete Spule und einen Kondensator gebildete Schwingkreis 7 würde, da er als Stromquelle arbeitet, eine ins Unendliche gehende Spannung am Ausgang generieren. Dies wird durch die Leistungsbegrenzungsmittel 6 mit zwei antiseriell geschalteten Zenerdioden Z1, Z2 verhindert. Für den Fall, dass die Leistungsbegrenzungsmittel 6 ansprechen und die Ausgangsspannung US des Schwingkreises größer als die Schaltspannung UZ der Zenerdioden ist, wandelt sich der Schwingkreis 7 von einer Stromquelle in eine Spannungsquelle um. Durch den nachfolgenden Umkehrvierpol 8 wird diese Spannungsquelle jedoch wieder in eine Stromquelle überführt, so dass der Kurzschlussstrom IK für den Fall US größer UZ konstant ist.

Für den Fall, dass die Verbraucherimpedanz ZV am Ausgang 2a, 2b des Speisegerätes 1 größer als eine optimale Impedanz Zopt ist, verhält sich der Schwingkreis 7 wieder wie eine Stromquelle, die durch den Umkehrvierpol 8 in eine Spannungsquelle umgewandelt wird. In diesem Falle wird die Spannung konstant gehalten und der Strom bei zunehmender Impedanz Zin am Ausgang 2a, 2b des Speisegeräts 1 begrenzt.

Die 4 lässt das Speisegerät aus der 3 erkennen, welches Vergleichsmittel 10 und Sicherheitsbegrenzermittel 1 1 hat. Die Vergleichsmittel 10 sind an den Umkehrvierpol 8 geschaltet und weisen Strombegrenzungsmittel 10a, Mittel 10b zur Erzeugung eines Referenzsignals zur Begrenzung der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms des Speisegerätes 1 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem Ausgangssignal sowie Spannungsbegrenzungsmittel 10c auf.

Die Sicherheitsbegrenzermittel 1 1 haben einen Übertrager 12 sowie eine an die Sekundärseite des Übertragers geklemmte elektrische Schalteinheit 13.

Die Strombegrenzermittel 10a bestehen aus zwei antiparallelen, d.h. gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden ZD1, die zwischen einen T-Punkt als Kreuzungspunkt zwischen Längszweig und Querzweig des Umkehrvierpols 8 und einen Anschluss an der Primärseite des Übertragers 12 geklemmt sind. Ein zweiter primärseitiger Anschluss des Übertragers 12 ist an den Ausgang 2a des Umkehrvierpols 8 geschaltet, so dass die Strombegrenzungsmittel 10a paralel zu der Spule L2 des Umkehrvierpols 8 liegen. Bei kurzzeitigen Ausgangsüberströmen sprechen die Strombegrenzungsmittel 10a an, wobei die Spannung über der Spule L2 auf eine durch die Zenerdioden ZD1 definierte Spannung UZ begrenzt wird. Dabei fließt ein Strom durch den Übertrager 12, so dass auf der Sekundärseite des Übertragers 12 ein Begrenzer 13 (z.B. ein Schalter, Regler o.ä.) ausgelöst wird und das Potential im T-Punkt des Umkehrvierpols 8 auf das Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegerätes 1 herunterzieht.

Die Mittel 10b zur Erzeugung eines Referenzsignals weisen einen Phasenschieber beispielsweise in Form eines RC-Tiefpassfilters auf, der in seinem Längszweig zwischen dem T-Punkt und dem dritten primärseitigen Anschluss des Übertragers 12 geklemmt ist. Die Kapazität C des RC-Tiefpassfilters ist seinerseits an das Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegeräts 1 geklemmt.

Zwischen der zweiten Klemme an der Primärseite des Übertragers, die an den ersten Ausgang 2a des Speisegeräts geschaltet ist, und der dritten Klemme des Übertragers 12, die mit dem Ausgang des Phasenschiebers verbunden ist, wird die Differenzspannung zwischen der Ausgangsspannung des Speisegeräts 1 und einer bei optimaler Belastung vorliegenden Referenzspannung abgegriffen. Sobald die Ausgangsspannung und die Referenzspannung voneinander abweichen, wird auf der Sekundärseite des Übertragers 12 ein Strom induziert und bei Überschreiten eines Schwellwerts des Begrenzers 13 ausgelöst. Wiederum wird das Potential am T-Punkt des Umkehrvierpols 8 auf das Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegeräts 1, beispielsweise auf Massepotential, gezogen.

Die Spannungsbegrenzungsmittel 10c sind aus zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Zenerdioden ZDU gebildet, die zwischen dem ersten Ausgang 2a des Speisegeräts 1 über zwei primärseitige Anschlüsse des Übertragers 12 an das Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegeräts 1 geschaltet sind. Sobald die Ausgangsspannung des Speisegeräts 1, die durch die Spannungsbegrenzungsmittel 10c festgelegte Maximalspannung Umax überschreitet, fließt ein Strom durch die Primärwicklung des Übertragers 12, der sekundärseitig einen Strom induziert, so dass bei Überschreiten eines Schwellwerts der Begrenzer 13 ausgelöst und das Potential am ersten Ausgang 2a des Speisegeräts 1 auf das Potential am zweiten Ausgang 2b des Speisegeräts 1 gezogen wird.

Die 5 lässt das erfindungsgemäße Speisegerät 1 zur eigensicheren Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern als Blockschaltbild erkennen. Die nicht dargestellten Verbraucher werden mit einer elektrischen kurzen Leitung mit einer Länge von weniger als 1 /50 der Betriebs-Wellenlänge im Ausbreitungsmedium des an den Ausgangsklemmen 2a, 2b des Speisegerätes 1 anliegenden periodischen Wechselsignals an das Speisegerät 1 angeschlossen.

Das Speisegerät 1 hat eine Leistungsquelle 5, um das periodische Wechselsignal zu generieren. An die Leistungsquelle 5 ist ein Spannungs-Strom-Wandler 8 in Form eines Collins-Filters geklemmt. Der Spannungs-Strom-Wandler 8 ist als T-Glied mit einer ersten Spule L1 und einer zweiten Spule L2 im Längszweig und einem Kondensator CC im Querzweig ausgeführt, wobei der Kondensator CC an einen T-Punkt T im Querzweig zwischen den beiden Spulen L1 und L2 geklemmt ist.

Der Querzweig des Spannungs-Strom-Wandlers 8 ist mit der zweiten Ausgangsklemme 2b und der Leistungsquelle 5 verbunden, die das Massepotential des Speisegerätes 1 bilden. Der andere Ausgang des Spannungs-Strom-Wandlers 8, d. h. der freie Anschluss der zweiten Spule L2, ist mit der ersten Ausgangsklemme 2a des Speisegerätes 1 verbunden.

An einen T-Punkt T im Querzweig des Spannungs-Strom-Wandlers 8 sind Sicherheitsbegrenzermittel 1 1 mit einem elektronischen Begrenzer 13 geklemmt, um diesen T-Punkt T in Richtung Massepotential herunterzuregeln, wenn der elektronische Begrenzer 13 ausgesteuert ist. Zur Steuerung der Leistungsbegrenzungsmittel sind diese sekundärseitig an einen Übertrager 12 geklemmt. Die Primärseite des Übertragers 12 ist mit Spannungsbegrenzungsmitteln 10c, Strombegrenzungsmitteln 10a und Mitteln (10b) zur Referenzgrößengenerierung verbunden.

Die Spannungsbegrenzungsmittel 10c sind aus zwei gegeneinander in Reihe geschalteten Z-Dioden ZDU gebildet, die einerseits an einen primärseitigen Abgriff des Übertragers 12 und andererseits an Masse geklemmt sind. Die erste Ausgangsklemme 2a des Speisegeräts 1 ist zudem an einen weiteren primärseitigen Abgriff des Übertragers 12 geschaltet. Wenn die Ausgangsspannung UA des Speisegeräts 1 die durch die Z-Dioden ZDU voreingestellte Maximalspannung Umax übersteigt, fließt ein Strom durch diese Z-Dioden ZDU. Der dabei auch durch die Primärwicklung des Übertragers 12 fließende Strom erzeugt einen sekundärseitigen Stromfluss. Dieser bewirkt, dass der Begrenzer 13 das Potential am T-Punkt T des Collins-Filters in Richtung Masse zieht. Dies führt zu einer Reduzierung der Ausgangsspannung UA des Speisegeräts 1.

Die Strombegrenzungsmittel 10a sind ebenfalls aus zwei gegeneinander in Reihe geschaltete Z-Dioden ZDS gebildet, die einerseits an den T-Punkt T des Collins-Filters und andererseits an einen anderen primärseitigen Abgriff des Übertragers 12 geklemmt sind. Mit den Strombegrenzungsmitteln 10a wird die Spannung über der Induktivität L2 überwacht. Übersteigt die Spannung über der Induktivität L2 den durch die Z-Dioden ZDS festgelegten Maximalstrom Imax, so fließt ein Strom durch die Primärwicklung des Übertragers 12. Wiederum wird ein sekundärseitiger Stromfluss in dem Übertrager 12 erzeugt, der durch den elektronischen Begrenzer 13 eine Reduzierung des Potentials im T-Punkt T des Collins-Filters bewirkt.

Weiterhin haben die Vergleichsmittel 10 einen Phasenschieber, der aus einem RC-Tiefpassfilter gebildet ist. Im Längszweig ist ein Widerstand RP zwischen den T-Punkt T des Collins-Filters und einem primärseitigem Abgriff des Übertragers 12 geschaltet. Im Querzweig hinter dem Widerstand RP ist ein Kondensator CP an die zweite Ausgangsklemme 2b des Speisegeräts 1 bzw. auf Massepotential geklemmt.

Im ungestörten Betriebsfall ergibt sich bei optimaler (ohmscher) Belastung des Speisegeräts 1 über die Induktivität L2 des Collins-Filters (Spannungs-Strom-Wandler 8) eine Phasenverschiebung von ca. 45° zwischen dem T-Punkt T des Collins-Filters und der ersten Anschlussklemme 2a des Speisegeräts 1 bzw. dem zweiten primärseitigen Abgriff des Übertragers 12. Ein phasengleiches Referenzsignal wird durch das RC-Glied der Mittel 10b am ersten primärseitigen Abgriff des Übertragers 12 erzeugt. Im ungestörten Betrieb tritt keine Signaldifferenz und somit auch keine Potentialdifferenz zwischen den primärseitigen Abgriffen des Übertragers 12 auf. Nur der gestörte bzw. nicht optimale Betrieb verursacht eine Differenz, in deren Folge der elektronische Begrenzer 13 betätigt und das Potential im T-Punkt T des Collins-Filters abgesenkt wird.

Die 6 lässt ein Diagramm des Stroms und der Spannung am Ausgang des Speisegerätes 1 aus der 5 in Abhängigkeit von der Verbraucherimpedanz ZV erkennen, die am Ausgang 2 des Speisegeräts 1 vorliegt.

In einem Fehlerbereich, bei dem die Impedanz Zin am Ausgang des Speisegeräts 1 kleiner als eine Funkenimpedanz ZF ist, sind die Ausgangsspannung Uo u t und die Ausgangsspannung Iout des Speisegeräts 1 auf relativ geringem Niveau. Dieser Fehlerbereich entspricht nahezu einem Kurzschluss des Speisegeräts 1.

In einem definierten Betriebsbereich verhält sich das Speisegerät 1 wie eine Konstantstromquelle, sofern die Impedanz ZV am Ausgang des Speisegeräts 1 kleiner als eine optimale Impedanz Zopt ist. Der Strom wird auf einen zulässigen Maximalstrom

konstant gehalten, wobei Umax eine zulässige Maximalspannung ist. Die Ausgangsspannung Uout am Ausgang des Speisegeräts 1 verhält sich bei dem konstanten Ausgangsstrom Iout linear zu der Verbraucherimpedanz ZV am Ausgang des Speisegerätes 1 .

Sobald die Verbraucherimpedanz ZV größer als die optimale Impedanz Zopt ist, verhält sich das Speisegerät 1 wie eine Konstantspannungsquelle, da die Spannungsbegrenzungsmittel 10c ansprechen und die Ausgangsspannung Uout auf der Maximalspannung Umax halten. Der Ausgangsstrom des Speisegeräts 1 wird nach der Gleichung

begrenzt.

In einem Abregelungsbereich wird auch die Spannung Uo u t abgeregelt, sobald die Verbraucherimpedanz ZV größer als eine definierte Abregelimpedanz ZAbregel ist. Hierzu greift, wie mit der gestrichelten Linie in der 5 angedeutet, der elektronische Begrenzer 13 in die AC-Spannungsquelle 5 ein, so dass die Versorgungsspannung bereits in der Quelle reduziert wird.


Anspruch[de]
  1. Speisegerät (1) zur eigensicheren Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern, die mit einer elektrisch kurzen Leitung an das' Speisegerät (1) angeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisegerät (1) eine mit einer periodischen Wechselspannung gespeiste Konstantstromquelle und Leistungsbegrenzungsmittel hat, um die Ausgangsgrößen des Speisegerätes (1) auf eigensichere Ausgangsgrößen zu begrenzen.
  2. Speisegerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbegrenzungsmittel an den Ausgang des Speisegerätes (1) geschaltete Spannungsbegrenzungsmittel (10c), beispielsweise gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden, zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Speisegerätes (1) auf eine zulässige Maximalspannung (Umax) haben.
  3. Speisegerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbegrenzungsmittel an den Ausgang des Speisegerätes (1) geschaltete Strombegrenzungsmittel (10a) zur Begrenzung von kurzzeitigen Ausgangsüberströmen des Speisegerätes (1) auf einen zulässigen Maximalstrom (1max) haben.
  4. Speisegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbegrenzungsmittel Vergleichsmittel (101 zur Ermittlung der Abweichung der Ausgangsgrößen des Speisegerätes (1) von Referenz-Ausgangsgrößen des bei zulässiger Belastung betriebenen Speisegerätes (1) und Sicherheitsbegrenzermittel (11) haben, wobei die Sicherheitsbegrenzermittel (11) von den Vergleichsmitteln (10) angesteuert werden und mit der Konstantstromquelle derart gekoppelt sind, dass die Konstantstromquelle zur Begrenzung der von dem Speisegerät (1) abgegebenen Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung geregelt wird.
  5. Speisegerät (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsmittel (10) an die Konstantstromquelle angeschlossene Mittel (10b) zur Erzeugung eines Referenzsignals haben, und die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem Ausgangssignal des Speisegerätes (1) begrenzt wird.
  6. Speisegerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung in Abhängigkeit von der Differenzspannung zwischen einem Referenzspannungssignal und der Ausgangsspannung erfolgt.
  7. Speisegerät (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsmittel (10) Spannungsüberwachungsmittel (10c) haben, um die Sicherheitsbegrenzermittel (11) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Speisegerätes (1) und einer zulässigen Maximalspannung (Umax) anzusteuern.
  8. Speisegerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsüberwachungsmittel (10c) gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden sind, wobei die Zenerdioden mit einer mit den Sicherheitsbegrenzermitteln (1 1) verbundenen Stromauskoppelung des durch die Zenerdioden fließenden Stroms zwischen die Ausgangsklemmen des Speisegerätes geschaltet sind.
  9. Speisegerät (1) nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsmittel (10) Stromüberwachungsmittel (10a) haben, um die Sicherheitsbegrenzermittel (11) in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom des Speisegerätes (1) und einem zulässigen Maximalstrom (Imax) anzusteuern.
  10. Speisegerät (1) nach einem der Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromüberwachungsmittel (10a) gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden sind, wobei die Zenerdioden mit einer mit den Sicherheitsbegrenzermitteln (11) verbundenen Stromauskoppelung parallel zu einem Strompfad der Konstantstromquelle geklemmt sind.
  11. Speisegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquelle eine Leistungsquelle (3) zur Erzeugung einer periodischen Wechselspannung und einen an die Leistungsquelle (3) angeschlossenen Spannungs-Strom-Wandler (8) hat, wobei die Sicherheitsbegrenzermittel (11) an den Spannungs-Strom-Wandler (8) zur Regelung des Potentials und des Ausgangsstroms des Spannungs-Strom-Wandlers (8) geklemmt ist.
  12. Speisegerät (1) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs-Strom-Wandler (8) ein Umkehrungsvierpol, vorzugsweise ein Collins-Filter ist.
  13. Speisegerät (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbegrenzungsmittel an einen T-Punkt (T) des als T-Glied ausgeführten Umkehrungsvierpols geklemmt sind, um das Potential des T-Punktes (T) zu steuern, wobei der T-Punkt (T) ein Kreuzungspunkt zwischen Längszweig und Querzweig des T-Glieds ist.
  14. Speisegerät (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsmittel (10), die Spannungsüberwachungsmittel (10c) und die Stromüberwachungsmittel (10a) an die Primärseite eines Übertragers (12) geschaltet sind und die Sicherheitsbegrenzermittel (11) von der Sekundärseite des Übertragers (12) angesteuert werden.
  15. Speisegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsbegrenzermittel (11) einen elektronischen Schalter haben, um die Konstantstromquelle abzuschalten, wenn die Ausgangsgrößen des Speisegerätes (1) eigensichere Ausgangsgrößen überschreiten.
  16. Speisegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch kurze Leitung eine Länge von weniger als etwa 1 zu 50 der Betriebswellenlänge im Ausbreitungsmedium des von dem Speisegerät (1) abgegebenen Ausgangssignals hat.
  17. Speisegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen an eine Wechselspannungsquelle lose gekoppelten Schwingkreis (7) als Stromquelle, an den Ausgang des Schwingkreises geschaltete Spannungsbegrenzungsmittel (6), und einen an die Spannungsbegrenzungsmittel (6) geklemmten Umkehrvierpol, wobei der Ausgang des Umkehrvierpols den Ausgang des Speisegerätes (1) bildet.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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