DD145801A1 - Erfassungsbaustein zum nachweis bestimmter strom-bzw.spannungswerte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen universell einsetzbaren Erfassungsbaustein zum Nachweis eines bestimmten Strom- bzw. Spannungswertes in galvanisch vom Informationsverarbeitungssystem getrennten Stromkreisen. Der technische Aufwand ist trotz hoher Ansprechgeschwindigkeit gering, dem zu ueberwachenden Stromkreis wird wenig Energie entzogen. Der Erfassungsbaustein enthaelt erfindungsgemaess ein elektrisch steuerbares Daempfungsglied und einen Aussetzoszillator mit nachgeschaltetem Schwingungsindikator, der eine Ja-Nein-Aussage liefert. Durch Modifikation des Daempfungsgliedes koennen Schwellwert polaritaetsabhaengig oder polaritaetsunabhaengig nachgewiesen werden. -Fig. 1-

Description

Anmelder

Dipl.-Ing. Norbert Heymann

Pat.-Ing. Ernst Wünschig'

Zustellungsbevollmächtigter Pat .-Ing. Ernst 7/ünschig

Berlin, den 22. Aug. 1979 P 1123

Erfassungsbaustein zum Nachweis bestimmter Strom- bzw. Spannungs

G 01 B₁ 19/16

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Lrfassungsbaustein zum Nachweis bestimmter Strom- baw. Spannungswerte in Anlagen mit galvanisch vom Informationsverarbeitungssystem getrenntem. Leistungsteil, der einen Schwingungserzeuger mit nachgeschaltetem Schwingungsindikator aufweist.

Der Jirfassungsbaustein ist wegen des geringen eingangsseitigen Leistungsbedarfs vielseitig einsetzbar, vorzugsweise in der Stromrichtertechnik für die Überwachung das Zustandcs der Sicherungen sowie der Blockierspannung wie auch in hochohniigen Stromkreisen, z. B. bei Sicherheitsschaltungen in der Prüftechnik und zum Hachweis von Schaltsuständen. '.Veiterhin kann die Erfindung zur Signalisierung des über- bzw. Unterschreitens eines vorgegebenen Schwellwertes, auch richtungsabhängig, eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Starkstromtechnik, insbesondere in der Leistungselektronik, werden zur Realisierung schneller Steuerungen und Regelungen Zustandssignalisierungen benötigt, die möglichst verzögerungsfrei in das Informationsverarbeitungssystem gelangen sollen. Diese Signale müssen an vielen Stellen mit teilweise sehr unterschiedlichem Potential gleichzeitig erfaßt werden. Darüber hinaus ist es bei derartigen Anlagen wichtig, für den Nachweis bestimmter Strom- bzw. Spannungswerte, insbesondere aus thermischen Gründen,, dem Lei-

stungsteil möglichst wenig Energie zu entziehen.'Da in vielen Fällen,- wie "beispielsweise in Blockierspannungs- und Sicherungsüberwachungen von Stromrichtern, nur eine Ja-Hein-Aussage benötigt wird, sind Nachweisschaltungen, die einen hohen Schaltungsaufwand auf der Erfassungsseite oder sogar eine Hilfsenergieein-Speisung benötigen, sehr nachteilig. Das gilt insbesondere auch für optoelektronische Varianten, da zuverlässige Optokoppler beim derzeitigen Stand der Technik einen relativ hohen Strombedarf haben.

Es ist eine Schaltungsanordnung bekannt, welche die geschilderten -Nachteile nicht aufweist und mehrere Spannungen gleichzeitig überwacht. Dort ist für jede zu überwachende Spannung ein Adapter vorgesehen. Die Ausgänge der Adapter sind jeweils mit Schaltgliedern verbunden, wobei jedes Schaltglied im Stromkreis einer ihm zugeordneten Kurzschlußwicklung eines Kopplungstransformators liegt. Bei geschlossenem Schaltglied ist dabei die zugehörige Kurzschlußwicklung gleichfalls geschlossen, bei offenem Schaltglied ist die Eurzschlußwicklung aufgetrennt. Der Kopplungstransformator weist außer den Kurzschlußwicklungen noch eine Eingangs- und eine Ausgangswicklung auf. An der Eingangswicklung liegt eine Wechselstromhilfsquelle, an der Ausgangswicklung ein Auswerteglied, Das Auswerteglied kann feststellen, ob die Spannung an der Ausgang swicklung einen vorgegebenen Wert unterschreitet, was der Kurzschließung mindestens einer Kurzschlußwicklung entspricht. Dieser technischen Lösung haftet der bedeutende Nachteil an, daß der darin enthaltene Kopplungstransformator als. Mehrwicklungstransformator ausgebildet ist,.zu dessen HerStellung bekanntlich ein sehr hoher technischer und technologischer Aufwand getrieben werden muß. Besonders.wenn die zu erfassenden Spannungen, wie im Anwendungsfall, stark unterschiedliches Potential aufweisen, müssen aufwendige Isolationen zwischen den einzelnen"Wicklungen vor-, gesehen werden. Selbst wenn nur eine Spannung überwacht werden soll, wird immer noch ein Kopplungstransformator mit 3 Wicklungen benötigt, nämlich mit einer Eingangswicklung, einer Ausgangswicklung und einer Kurzschlußwicklung. Ein v/eiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß auf der Erfassungsseite- ein üchaltglied erforderlich ist, welches im geschlossenen Zustand eine?; sehr niederohmigen Weg darstellen muß, um den Energiefluß von der Eingangs-

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wicklung zur Ausgangswicklung auch sicher zu unterbinden, damit Fehlanzeigen vermieden werden. Für bestimmte Anwendungen ist die bei der bekannten Schaltungsanordnung vorgesehene Signalknüpfung nachteilig, weil das Ausgangssignal keine Aussage enthält, welches der zu überwachenden Bauelemente stromführend ist und welches nicht stromführend ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Erfassungsbaustein zum Nachweis bestimmter Strom- bzw. Spannungswerte in Anlagen mit galvanisch vom Informationsverarbeitungssystem getrennten Leistungsteil mit. wesentlich geringerem technischen Aufwand herzustellen, wobei insbesondere für das induktive Koppelglied keine gewickelten Bauelemente zu verwenden sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung eines gedruckten Transformators einen schnell ansprechenden Erfassungsbaustein zu entwickeln, der dem Leistungsteil nur sehr geringfügig Energie entzieht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß ein durch die vom Leistungsteil gelieferte Eingangsgröße gesteuertes Dämpfungsglied mit einer an seinem Ausgang angeordneten Spule induktiv mit der einzigen Spule eines als Aussetzoszillator ausgebildeten Schwingungserzeugers gekoppelt ist, der wiederum gleichstrommäßig mit einem Schwingungsindikator verbunden ist.

Bine besonders vorteilhafte Ausbildung ergibt sich, wenn das •Dämpfungsglied an seinen Steueranschlüssen einen Spannungsteiler aufweist, an dessen Abgriff ein Zweipol mit nichtlinearer Stroin-Spanaungs-Kennlinie angeschaltet und in Reihe mit der am Ausgang angeordneten Spule gelegt ist. Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, die Schaltung des Erfassungsbausteins in bekannter Weise auf eine gedruckte Leiterplatte aufzubringen, auf der auch die Spulen des Dämpfungsgliedes und des Aussetzoszillators in gedruckter Technik vorgesehen sind.

Aussetzosiiillatoren sind Schwingungserzeuger, bei denen die Mitkopplung schwach überkritisch eingestellt ist, so daß bei unge-

;dämpftem."Schwingkreis die Schwingungen einsetzen and bei gedämpftem Schwingkreis die Schwingungen aussetzen. Aussetzoszillatoren werden in Verbindung mit Schwingungsindikatoren bei Schlitzinitiatoren und induktiven Näherungsschaltern verwendet. Für die erfindungsgeniäße Gestaltung des Erfassungsbausteins eignen sich insbesondere solche Schwingungserzeuger als Aussetzoszillatoren, die außer einer nicht angezapften .Schwingkreisspule keine weiteren Induktivitäten benötigen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es stellen dar: . ·

Fig. 1: Blockschaltbild des Erfassungsbausteins

5'ig. 2: Blockschalbild des Erfassungsbausteins mit der Ausbildung des Dämpfungsgliedes.

Die Schaltungsanordnung des Erfassungsbausteins ist in Fig. 1 dargestellt. Die zu überwachende elektrische Größe ist an die Steueranschlüsse 1, 2 eines elektrisch steuerbaren Dämpfungsgliedes 3 gelegt. Das Dämpfungsglied 3 liegt mit seinen Ausgangsanschlüssen 4, 5 a-'t einer Spule 6, die induktiv mit einem aus einer Spule 7 und einem Kondensator 8 gebildeten Schwingkreis gekoppelt ist. Dieser Schwingkreis bildet zusammen mit einem mitgekoppelten Verstärker 9 den Aussetzoszillator 10. Der Verstärker ist gleichstromiaäßig oder kapazitiv mit einem Schwingungsindikator 11 verbunden, an dessen Ausgang 12 das Zustandssignal abgenommen werden kann. .

Aus.setsoszillator 10 und Schwingungsindikator'11 werden aus dem Inf ormationsverarbeitungssystera mit Betriebsspannung versorgt. Das elektrisch gesteuerte Dämpfungsglied 3 muß die Eigenschaft besitzen, daß der zwischen den Ausgangsanschlüssen 4-, 5 meßbare Ausgangswiderstand eine ohmsche Komponente aufweist, die in einer eindeutigen Beziehung zur steuernden Größe an den Steueranschlüssen 1, 2 steht. Dabei ist nicht notwendig,.daß die ohmsche Komponente des Wechselstromwiderständes die Werte Null oder Unendlich annehmen kann, wie es beispielsweise bei Verwendung eines Transistors als gesteuertem Widerstand möglich wäre.

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Der jeweils zwischen den Anschlüssen 4 und 5 liegende Jtfiderstandswert wird entsprechend dem Übersetzungsverhältnis über die Spule induktiv in den aus Spule 7 und Kondensator 8 gebildeten Schwingkreis übertragen und überlagert sich dort mit dem. schon natürlich vorhandenen Dämpfungswiderstand. Diese Transformation bewirkt eine hohe Bedäiüpfung des Schwingkreises 7, 8, wenn zwischen den Anschlüssen 5, 4 ein niedriger Widerstand auftritt und eine geringe Bedäapfung, wenn der Widerstand zwischen 4 und 5 sehr groß wird.. Zur Erklärung der Wirkungsweise des Erfassungsbausteins sei angenommen, daß der Ausgangswiderstand des'Dämpfungsgliedes 3 hoch sei, wenn zwischen den Steueranschlüssen 1, 2 eine zu kleine Ein-, gangsgröße anliegt und daß er niedrig sei, wenn, zwischen den Steueranschlüssen 1, 2 eine Eingangsgröße anliegt, die über, einem vorgegebenen Grenzwert.liegt.

Wie schon erwähnt, schwingt der Aussetzoszillator' 10, wenn der Schwingkreis wenig bedampft wird. Das tritt ein, wennzwischen den Steueranschlüssen 1, 2 eine zu kleine Eingangsgröße anliegt. Der Schwingungsindikator 11 stellt das Vorhandensein von Schwin- gungen fest und gibt an seinem Ausgang 12 ein Gleichspannungssignal- aus. Wenn die Eingangsgröße zwischen den Steueranschlüssen 1, 2 größer als der vorgegebene Grenzwert wird, tritt zwischen den Anschlüssen 4-, 5 ein niedriger ";id er stand swert auf, der Schwingkreis wird so stark bedämpft, daß die Schwingungen aussetzen, der Schwingkreisindikator 11 stellt keine Schwingungen fest und gibt an seinem Ausgang 12 kein Gleichspannungssignal aus.^v

Die Ansprechcharakteristik des Erfassungsbausteins wird wesentlich von der Struktur des Dämpfungsgliedes 3 bestimmt.

Die ELg. 2 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung zum !Nachweis eines bestimmten Wertes einer; Spannung, bei der das Dämpfungsglied 3 besonders einfach aufgebaut ist. Zwischen den Steueranschlüssen 1 und. 2 befindet sich ein aus/den 7/iderständen 13 und 14 gebildeter Spannungsteiler. Am Abgriff 16 des Spannungsteilers ist ein Zweipol 15 mit nichtlinearer Strora-Spannungs-Kenniinie angeschlossen. Die Beihenschaltung dieses Zweipols 15 Eiit der Spule 6 liegt parallel zum Widerstand 14, also zum Ausgang des .Spannungsteilers. Der übrige Aufbau entspricht dem von Fig.. tv

Zur Erklärung der Wirkungsweise sei angenommen, der Zweipol 15 mit .nichtlinearer StroBi-Spannungs-Kennlinie sei eine Siliziumdiode, deren Anode rait dem Abgriff 16 und deren Katode -mit dem Ausgang 4 des Dämpfungsgliedes verbunden ist.

Wenn am Steueranschluß 1 eine gegenüber Steueranschluß 2 negative Spannung anliegt, wird gemäß Spannungsteilerregel auch die Spannung am. Abgriff 1.6 gegenüber Ausgang 5 negativ. Der Zwei- · pol 15, in diesem Fall die Diode, ist gesperrt. Die Schwingungen des Aussetzoszillators 10, die von Spule 7 in Spule 6 induziert werden, können im Stromkreis, der von Spule 6, Widerstand 14 und Zweipol 15 gebildet wird, keinen Stromfluß hervorrufen. Der Schwingkreis''des Aussetzoszillators 10 wird also 'nicht'bedämpft. . .

Wird eingangsseitig die Polarität gewechselt, dann fließt durch den Zweipol 15, in diesem Fall durch die Diode, ein Strom. Damit ist der-Zweipol 15 leitend, und es kann auch im Stromkreis, der von Spule 6, 'widerstand 14 und Zweipol 15 gebildet wird, ein Strom fließen. Der Schwingkreis wird jetzt so stark bedämpft, daß die Schwingungen sehr klein v/erden bzw. aussetzen. Die Auswertung des Signals erfolgt, wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben. ·

Aus diesen Ausführungen folgt, daß bei Ausbildung des Dämpfungsgliedes 3 nach Fig. 2 bei Verwendung einer Siliziumdiode als Zweipol 15 ein Erfassungsbaustein entsteht, mit dem die Polarität einer Spannung nachgewiesen werden kann, sofern nicht hohe Forderungen an die Genauigkeit der Nulldurchgangserfassung gestellt werden.

Als Zweipol 15 können auch zwei gleiche gegeneinander in Heine geschaltete Z-Diodeη mit kleiner Sperrschichtkapazität verwendet, werden. Dann erhält man einen Erfassungsbaustein, mit dem man die Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwertes einer niederfrequenten Wechselspannung ermitteln kann.

Durch Verwendung anderer Zweipole 15 mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie, beispielsweise Vierschichtdioden,· kann ein Hystereseverhalten des Erfassungsgliedes erreicht werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich die erfindungsgemäße Lösung mit den rütteln der integrierten .Schaltungstechnik und.Leiterplatten-

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technik raiisieren, insbesondere wenn der Aussetzoszillator mit einer möglichst iaoiien Frequenz "betrieben wird. Bis auf die Spule 7 des ochwingkreises lassen sich Aussetzoszillator 10 und Schv/insuns-sindikator 11 auf einem Halbleiterplättchen unterbringen.

Bei genügend hoher Schwingfrequenz des Aussetzoszillators 10 können die Spulen 6 und 7 durch einen in gedruckter Leiterplattentechnik ausgeführten Transformator ohne Eisenkern realisiert v/erden, wobei das Leiterplattenmaterial die Spannungsfestigkeit zwischen Leistungsteil und Inforniationsverarbeitungssystem garantiert. Damit ergeben sich, gegenüber dem bekannten Stand der Technik entscheidende Vorteile. Durch den völligen Fortfall von Wickelbauelementen wird die Herstellungstechnologie wesentlich vereinfacht.

Die Verwendung des Aussetzoszillators 10 erfordert nur einen minimalen Energiebedarf an den Steueranschlüssen 1, 2 des Dämpfungsgliedes 3·

Darüber hinaus ergibt sich noch eine hohe Unempfindlichkeit bezüglich auftretender Störspannungen, weil die Filterwirkung des Schwingkreises 7, 8 zusammen mit dem Schaltverhalten des Schwingungsindikators 11 eine ausreichende Störunterdrückung bewirkt.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch .

   1. Erfassungsbaustein zum Nachweis bestimmter Strom- bzw. Spannungswerte in anlagen mit galvanisch vom Informationsverarbeitung s system, getrenntem Leistungsteil, der einen Schwingungserzeuger mit nachgeschaltetem Schwingungsindikator aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß ein durch die vom Leistungsteil gelieferte Eingangsgröße-gesteuertes Dämpfungsglied (3) über eine an seine Ausgangsanschlüsse (4, 5) angeschlossene Spule (6) induktiv mit der einzigen Spule (7) eines als Aussetzoszillator (10) ausgebildeten Schwingimgserzeugers gekoppelt ist.
2. 2. Erfassungsbaustein nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Dämpfungsglied von eiaem olimschen Spannungsteiler (13, 14) mit ausgangsseitig in Seihe liegendem Zweipol (15) mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie gebildet wird.
3. 3. Erfassungsbaustein nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß seine Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte aufgebracht ist, auf der auch die Spule (6) des Dämpfungsgliedes (3) und die Spule (7) des Aussetzöszillators (10) in gedruckter Technik angeordnet sind.

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