NoodstroomvoorzieningEmergency power supply
De uitvinding betreft een noodstroomvoorziening, die gekoppeld kan worden aan een netgevoede schakelende voeding en die gebruikt kan worden voor apparatuur, waarvoor het wenselijk is, dat deze blijft werken als de netspanning uitvalt, bijvoorbeeld procesregelcomputers, of zogenaamde 'servers' in een computernetwerk. Bekend zijn centrale noodstroomvoorzieningen, die een wisselspanning opwekken zodra de netspanning wegvalt. Deze centrale noodstroomvoorzieningen zijn echter vrij duur. Een andere oplossing is de noodstroomvoorziening te koppelen aan de schakelende voeding, die de apparatuur voedt die bij netuitval moet blijven werken, zoals bijvoorbeeld beschreven in artikel 'Battery Backed Switcher Provides UPS Capability' , door Patrick Hunter, gepubliceerd in tijdschrift PCIM-Europe, november 1989, verder aan te duiden als publicatie 1. In dit artikel worden diverse mogelijkheden beschreven om een zogenaamde battery-back-up te bieden, die echter alle gemeenschappelijk hebben, dat er voor het laden van de accu's een afzonderlijke battery-charger gebruikt wordt. Uit de publicatie 'Analysis of the control behavior of a bidirectional high-frequency DC-DC-converter', gepubliceerd in de proceedings of the fifteenth International PCI-Conference 6-9 juni 1988 - München, biz. 344 e.v. is bekend, dat de ver-mogensstroom in twee richtingen door een DC-DC-converter kan worden geleid, zodat in de in publicatie 1, fig. 5 getoonde schakeling de battery charger kan vervallen door de upconverter (boost) bidirec-tioneel te maken. Verder is er in de bekende oplossingen voor noodstroomvoorzieningen een supervision en control-circuit nodig, dat het laden van de accu's en het inschakelen van de noodstroomvoorziening regelt, en is de gehele schakeling bij de voeding ingebouwd, zie bijvoorbeeld fig. 6 en fig. 7 van publicatie 1. Dit verhoogt de kostprijs van de voeding aanzienlijk. Hoewel de accu's extern aangesloten kunnen worden voor die gevallen dat er noodstroomvoor-ziening gewenst wordt, betekent dit voor de gevallen waarin deze noodstroomvoorziening niet gewenst wordt een onnodige kostprijsverhoging voor het produkt.The invention relates to an emergency power supply, which can be coupled to a mains-powered switching power supply and which can be used for equipment for which it is desirable that it continues to operate if the mains voltage fails, for example process control computers, or so-called 'servers' in a computer network. Central emergency power supplies are known, which generate an alternating voltage as soon as the mains voltage fails. However, these central emergency power supplies are quite expensive. Another solution is to link the emergency power supply to the switching power supply, which supplies the equipment that should continue to operate in the event of a power failure, as described, for example, in article 'Battery Backed Switcher Provides UPS Capability', by Patrick Hunter, published in PCIM-Europe magazine, November 1989, to be referred to as publication 1. This article describes various options for providing a so-called battery backup, which all have in common that a separate battery charger is used for charging the batteries. From the publication 'Analysis of the control behavior of a bidirectional high-frequency DC-DC converter', published in the proceedings of the fifteenth International PCI-Conference June 6-9, 1988 - Munich, biz. 344 ff., It is known that the power current can be passed in two directions through a DC-DC converter, so that in the circuit shown in publication 1, fig. 5 the battery charger can be dispensed with by the upconverter (boost) bidirectional to make. Furthermore, in the known solutions for emergency power supplies, a supervision and control circuit is required, which controls the charging of the batteries and the switching on of the emergency power supply, and the entire circuit is built into the power supply, see for instance fig. 6 and fig. 7 from publication 1. This significantly increases the cost of the food. Although the batteries can be connected externally for those cases where emergency power supply is desired, for the cases where this emergency power supply is not desired, this means an unnecessary increase in cost for the product.
Het doel van de uitvinding is een noodstroomvoorziening mogelijk te maken, die extern aan een schakelende voeding gekoppeld kan worden, zonder de kostprijs voor deze voeding noemenswaardig te verhogen, en die door zijn eenvoud tegen geringe kosten te vervaardigen is.The object of the invention is to make possible an emergency power supply, which can be coupled externally to a switching power supply, without appreciably increasing the cost price for this power supply, and which can be manufactured at low cost due to its simplicity.
Dit doel wordt bereikt door de noodstroomvoorziening via een los-neembare elektrische verbinding te koppelen aan de gelijkgerichte netspanning die in de schakelende voeding aanwezig is, terwijl tevens een signaalleiding meegevoerd wordt die aangeeft dat de noodstroomvoorziening op de voeding is aangesloten, terwijl er een bidirectionele omzetter gebruikt wordt, die zowel de accu's kan opladen vanuit de gelijkgerichte netspanning als in geval van noodstroomvoorziening vanuit de accu's gelijkspanning kan opwekken voor de schakelende voeding. De uitvinding zal hierna verder worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld, onder verwijzing naar de tekeningen, waarin achtereenvolgens worden getoond: - in fig. 1 een blokschema van een schakelende voeding met extra aansluiting voor noodstroomvoorziening - in fig. 2 een blokschema van de noodstroomvoorziening - in fig. 3 een nader gedetailleerd uitvoeringsvoorbeeld van een noodstroomvoorziening - in fig. 4 een tijddiagram, behorend bij netuitval.This objective is achieved by coupling the emergency power supply via a detachable electrical connection to the rectified mains voltage present in the switching power supply, while also carrying a signal line indicating that the emergency power supply is connected to the power supply, while using a bidirectional converter which can both charge the batteries from the rectified mains voltage and, in the event of emergency power supply from the batteries, generate DC voltage for the switching power supply. The invention will be further elucidated hereinbelow on the basis of an exemplary embodiment, with reference to the drawings, in which are shown successively: - in Fig. 1 a block diagram of a switching power supply with additional connection for emergency power supply - in Fig. 2 a block diagram of the emergency power supply - in fig. 3 a more detailed exemplary embodiment of an emergency power supply - in fig. 4 a time diagram, associated with mains failure.
In de in fig. 1 getoonde schakelende voeding wordt de binnenkomende netwisselspanning 1 gelijkgericht door gelijkrichter 2 en afgevlakt door condensator 3. Een gelijkspanning-gelijkspanningsomzetter 4 zet de gelijkspanning op condensator 3 om in één of meer galvanisch gescheiden uitgangsspanningen 5. De gelijkspanning op condensator 3 wordt tevens aangeboden op bus 8 en 9 van een plug 7 die in de voeding is aangebracht, en waarop de noodstroomvoorziening kan worden aangesloten. Tevens wordt een hulpspanning verbonden met bus 10, die typisch. 5 V tot 30 V gelijkspanning ten opzichte van pen 9 voert, welke gelijkspanning in vele schakelende voedingen reeds aanwezig is voor de voeding van de primaire stuurschakelingen in de gelijk-spanninggelijkspanningsomzetter 4 van fig. 1. Voorts is via een signaalschakelaar 6 de DC-DC-converter in- en uit te schakelen. De enige extra voorziening in de voeding is dus de aansluitplug 7 met aansluitdraden naar de bussen 8, 9 en 10.In the switching power supply shown in Fig. 1, the incoming AC voltage 1 is rectified by rectifier 2 and smoothed by capacitor 3. A DC-DC converter 4 converts the DC voltage on capacitor 3 into one or more galvanically separated output voltages 5. The DC voltage on capacitor 3 is also offered on buses 8 and 9 of a plug 7 which is fitted in the power supply and to which the emergency power supply can be connected. Also, an auxiliary voltage is connected to bus 10, which is typically. 5 V to 30 V DC with respect to pin 9, which DC voltage is already present in many switching power supplies for the supply of the primary control circuits in the DC-DC converter 4 of FIG. 1. Furthermore, via a signal switch 6, the DC-DC switch the converter on and off. The only additional provision in the power supply is therefore the connection plug 7 with connection wires to the sockets 8, 9 and 10.
Het blokschema van de noodstroomvoorziening volgens de uitvinding is getoond in fig. 2. Via een aansluitkabel 18 met aan het eind een steker worden de gelijkspanning van condensator 3 van de voeding en de hulpspanning toegevoerd aan een bidirectïonele gelijkspanning-gelijkspanningsomzetter 15, die is verbonden met accu’s 16, en aan een regelschakeling 17. De werking is nu als volgt. Zolang er netspanning aanwezig is, ligt de gelijkspanning op condensator 3, inclusief een rimpelspanning met dubbele netfrequentie tussen twee waarden Umin en Umax. De accu's kunnen nu, indien nodig, worden bijgeladen via de omzetter 15 op een op zichzelf bekende wijze. In het geval van loodaccu’s kan dit bijvoorbeeld gebeuren volgens één van de methodes aangegeven in norm DIN 57510. Als de netspanning wegvalt, zoals aangegeven in fig. 4 op tijdstip tl zal de spanning op condensator 3 langzaam zakken, totdat op tijdstip t2 een waarde Ubu is bereikt. Vanaf dit moment levert de omzetter vanuit de accu's vermogen aan de voeding, waarbij de spanning op condensator 3 ongeveer constant gehouden wordt. Dit gaat door totdat de netspanning terugkeert of totdat de accuspanning te ver is gedaald of totdat de noodstroomvoorziening via een niet getoonde verbinding met bijvoorbeeld de computer, waarin de voeding is ingebouwd door een stuurcommando wordt uitgeschakeld.The block diagram of the emergency power supply according to the invention is shown in Fig. 2. Via a connection cable 18 with a plug at the end, the DC voltage of capacitor 3 of the power supply and the auxiliary voltage are supplied to a bidirectional DC-DC converter 15, which is connected to batteries 16, and on a control circuit 17. The operation is now as follows. As long as mains voltage is present, the direct voltage is on capacitor 3, including a ripple voltage with double mains frequency between two values Umin and Umax. The batteries can now, if necessary, be charged via the converter 15 in a manner known per se. In the case of lead acid batteries this can be done, for example, according to one of the methods indicated in standard DIN 57510. If the mains voltage drops, as indicated in fig. 4 at time tl, the voltage on capacitor 3 will slowly decrease, until at time t2 a value Ubu has been reached. From this moment on, the converter supplies power from the batteries to the power supply, the voltage on capacitor 3 being kept approximately constant. This continues until the mains voltage returns or until the battery voltage has fallen too far or until the emergency power supply is switched off by means of a control command, for example via a connection (not shown) to the computer in which the power supply is installed.
De regelschakeling en de stuurschakelingen worden gevoed door de hulpspanning die uit de voeding wordt betrokken. Op deze wijze wordt voorkomen dat de accu's worden ontladen, als de noodstroomvoorziening is uitgeschakeld, als de voeding niet werkt of als de noodstroomvoorziening is ontkoppeld (steker 14 niet aangesloten, bijvoorbeeld bij opslag voor levering). Tevens wordt hiermee bereikt, dat, als de steker uit de plug in de voeding wordt getrokken, de noodstroomvoorziening niet gaat werken. Indien de regel- en stuurschakelingen door de accu's gevoed zouden worden, zou bij het loskoppelen van de steker 14 van plug 7, de regel schakeling 17 een te lage gelijkspanning constateren, waardoor de noodstroomvoorziening dan zou gaan werken en de accu's zeer snel ontladen zouden worden. Als de voeding via signaalschakelaar 6 is uitgeschakeld, is er ook geen hulpspanning Uaux aanwezig, doch wel een gelijkspanning op condensator 3. Als in deze toestand de netspanning wegvalt, bijvoorbeeld door het verwijderen van de netsteker die de netwissel-spanning 1 levert, zal de noodstroomvoorziening niet gaan werken. Tevens wordt door deze wijze van aan/uitschakelen voorkomen, dat de noodstroomvoorziening gaat werken elke keer als de gelijkspanning op condensator 3 wegvalt, zoals het geval zou zijn als het in- en uitschakelen van de voeding plaats zou vinden door een schakelaar die de netspanning 1 in- en uitschakelt, hetgeen een zware belasting van de accu's zou betekenen, zeker indien dit dagelijks één of meer malen zou plaatsvinden. Dit zou tot een aanmerkelijke verkorting van de levensduur van de accu's leiden of noodzaken tot het gebruik van veel duurdere accu's.The control circuit and the control circuits are powered by the auxiliary voltage taken from the power supply. This prevents the batteries from being discharged, if the emergency power supply is switched off, if the power supply does not work or if the emergency power supply is disconnected (plug 14 not connected, for example for storage before delivery). This also ensures that if the plug is pulled out of the plug in the power supply, the emergency power supply will not work. If the control and control circuits were supplied by the batteries, when disconnecting the plug 14 from plug 7, the control circuit 17 would find a DC voltage that was too low, so that the emergency power supply would work and the batteries would be discharged very quickly . If the power supply is switched off via signal switch 6, there is also no auxiliary voltage Uaux, but there is a DC voltage on capacitor 3. If the mains voltage fails in this state, for example by removing the mains plug supplying the mains AC voltage 1, the emergency power supply will not work. This way of switching on / off also prevents the emergency power supply from working every time the DC voltage on capacitor 3 is lost, as would be the case if the power was switched on and off by a switch that switches the mains voltage 1. switch on and off, which would mean a heavy load on the batteries, especially if this was done one or more times a day. This would lead to a significant reduction in battery life or would require the use of much more expensive batteries.
De bidirektionele halfgeleiderschakelaars 22 en 23 kunnen transis-toren van het MOSFET-type zijn, waarbij de ingebouwde antiparallel-diodes als gelijkrichters gebruikt kunnen worden. Omdat de dynamische eigenschappen van genoemde diodes vrij slecht zijn, wordt vaak een diode opgenomen in serie met de MOSFET- en wordt een aparte paralleldiode gebruikt. Het spreekt vanzelf dat ook andere typen halfgeleiders kunnen worden toegepast, die in één richting de spanning kunnen blokkeren, en in twee richtingen stroom kunnen doorlaten, waarbij in één richting het doorlaten stuurbaar is. De stuurschakelingen voor de halfgeleiderschakelelementen van de gelijk-spanning-gelijkspanningsomzetter kunnen ook gevoed worden uit de primaire gelijkspanning of de accuspanning, maar slechts dan, als een speciale signaleringskabel aangeeft, dat de noodstroomvoorzie-ning verbonden is met de schakelende voeding. Ook op deze wijze wordt voorkomen, dat de noodstroomvoorziening gaat werken als de verbinding met de schakelende voeding zou worden verbroken.The bidirectional semiconductor switches 22 and 23 may be MOSFET type transistors, the built-in anti-parallel diodes being used as rectifiers. Because the dynamic properties of said diodes are quite poor, a diode is often included in series with the MOSFET and a separate parallel diode is used. It goes without saying that other types of semiconductors can also be used, which can block the voltage in one direction and allow current to flow in two directions, while the transmission can be controlled in one direction. The control circuits for the semiconductor switching elements of the DC-DC converter can also be supplied from the primary DC voltage or the battery voltage, but only if a special signaling cable indicates that the emergency power supply is connected to the switching power supply. This also prevents the emergency power supply from operating if the connection to the switching power supply is broken.