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1. (WO2017202569) PRIMARY-PULSED SWITCHING POWER SUPPLY
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

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