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Überwachungsschaltung für Gleichspannungen Stand der. Technik Es
ist bekannt, zur Überwachung von Gleichspannungen, neben Messinstrumenten mit zwei
Kontakten, die vom Zeiger betätigt werden, Triggerschaltungeg z.B. den Schmitt-Trigger,
zu verwenden. Über-oder untersehreitet die zu überwachende Spannung bei derartigen
Schaltungen den eingestellten Schwellwerts dann wechselt das Ausgangssignal seinen
statischen Zustand. Zur Überwachung einer Gleichspannung innerhalb zweier Grenzen
benötigt man zwei Triggerschaltungen mit unterschiedlich eingestellten Schwellwerten.
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Bei derartigen Triggerschaltungen können Fehler auftreten, die zur
Folge haben, daß beim Überschreiten der Uberwachungsgrenzen das Ausgangssignal seinen
statischen Zustand nicht wechselt, d.h. die Triggerschaltungen bleiben im "Gut"-Zustand
liegen und täuschen somit das Vorhandensein eines richtigen Eingangssignals vor.
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Sollen mehrere Triggerschaltungen zusammengefaßt werden, so stehen
UND-Schaltungen zur VerfUgung. Auch bei diesen Schaltungen besteht die Gefahr, daß
bei Unterbrechung oder Ausfall eines Bauelementes eine logische 1 oder "O" an einem
Eingang vorgetäuscht werden kann, wie nicht näher erläutert zu werden braucht.
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Aufgabe Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum
Überwachen, ob eine Gleichspannung zwischen einer unteren und einer oberen Überwachungsgrenze
liegt, anzugeben, die bei einem oder mehreren Fehlern der Bauelemente die gleichen
Signale abgibt, wie beim Über- oder Unterschreiten der Toleranzgrenzen der zu überwachenden
Spannung.
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Außerdem wird eine Einrichtung zum Zusammenfassen der Ausgangssignale
mehrerer Schaltungsanordnungen, die die gleichen Eigenschaften hat, angegeben.
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Lösung Die Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1 und 5 angegebenen
Mitteln gelöst. In den Ansprüchen 2, 3 und 4 sind Weiterbildungen der Schaltungsanordnung
zum Überwachen einer Gleichspannung angegeben.
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Vorteile Mit der Erfindung lassen sich eine große Anzahl von Gleichspannungen
einfach und zuverlässig überwachen.
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Fehler in der Überwachungseinrichtung selbst haben ebenfalls eine
Fehleranzeige zur Folge.
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Beschreibung Die Erfindung wird nun beispielsweise anhand der Zeichnungen
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Überwachen einer Gleichspannung
und Fig. 2 eine dynamische-UND-Schaltung zum Zusammenfassen der Ausgangssignale
mehrerer Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 Die Schaltungsanordnung zur Überwachung
einer Gleichspannung nach Fig. 1 besteht~i-m==wesentlichen aus einem nicht gegengekoppelten
Operationsverstärker (Differenzverstärker) V1, der als Komparator verwendet wird.
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Am Eingang 1 der Schaltung, der mit dem invertierenden Eingang des
Komparators V 1 verbunden it, liegt die zu überwachende Gleichspannung Ux, die in
den Grenzen Usl und Us2 überwacht werden soll. Am Eingang 2 liegt eine Rechteckspannung
Ur (Tastverhältnis 1:1), die über einen Kondensator C 2 übertragen und über einen
Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R1, R2, R5, als U'r an den nichtinvertierenden
Eingang des Komparators V 1 gelegt wird. Die oberen und unteren Spannungswerte Usl
und Us2 der Rechteckspannung an diesem Komparatoreingang sind gleich den Überwachungsgrenzen
der Gleichspannung Ux.
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Am Ausgang 3 ist das Rechtecksignal (zwischen den Spannungswerten
ca. +Ub und ca. -Ub) nur solange verhanden, wie die zu überwachende Gleichspannung
Ux innerhalb der Überwachungsgrenzen liegt.
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Fällt die Gleichspannung Ux unter die untere überwachungsgrenze Us2,
dann tritt am Ausgang 3 ein Dauersignal von der Größe ca. +Ub auf. Steigt die Gleichspannung
Ux
über die obere Überwachungsgrenze Usl, dann nimmt das Dauerausgangssignal
den Wert ca. -Ub an. Diese beiden Gleichspannungen werden als Störungssignale verwendet.
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Mit dem Spannungsteiler aus den Widerständen R1, R2 und R5, von denen
R1 einstellbar ist, können die Amplitude A' der Rechteckspannung U'r und damit die
Überwachungsgrenzen Usl und Us2 symmetrisch zum Sollwert der zu Uberwachenden Spannung
Ux verändert werden. Dem freien Ende des Widerstandes R5 wird dazu eine Hilfsspannung
Uh zugeführt, die gleich dem arithmetrischen Mittelwert der Überwachungsgrenzen
Usl und Us2 ist.
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Oberschreitet die Gleichspannung Ux die Oberwachungsgrenzen langsam,
dann kann es - vor allem, wenn der Gleichspannung beispielsweise noch eine kleine
Wechselspannung überlagert ist - zu einem undefinierten GutOut-FehTsr-bergang kommen.
Dies kann vorteilhaft dadurch vermieden werden, daß ein Teil der Ausgangsspannung
an den nichtinvertierenden Eingang zurückgekoppelt wird. Man erhält auf diese Weise
eine Mitkopplung und dadurch eine Hysterese, also ein ähnliches Verhalten wie bei
einem Schmitt-Trigger. Zu diesem Zweck wird zunächst die Ausgangsrechteckspannung
durch einen Widerstand R3 und einen Kondensator Cl integriert. Ein Spannungsteiler
aus Widerständen R4 und R5 überlagert einen kleinen Teil der integrierten Spannung
der Reehteckspannung U'r am nichtinvertierenden Eingang.
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Unterschreitet bei der so ergänzten Schaltung beispielsweise die zu
überwachende Gleichspannung Ux die untere Überwachungsgrenze Us2, dann bleibt das
Ausgangssignal
auf dem Wert ca. +Ub. Damit steigt die Mitkopplungsspannung an R5 an, die sich der
Rechteckspannung U'r überlagert und diese anhebt. Dadurch wird die Differenz zwischen
der Gleichspannung Ux und dem unteren Spannungswert der Rechteckspannung U'r vergrößert.
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Übersteigt die zu überwachende Gleichspannung Ux die obere Überwachungsgrenze
Usl, dann ergibt sich eine Änderung in der anderen Richtung.
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Eine weitere Verbesserung der Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn
man die Rechteckspannung über den Kondensator C2 einspeist. Man vermeidet damit,
daß sich bei einer Unterbrechung in den Widerständen R2 und/oder R5 die eingestellten
Überwachungsgrenzen vergrößern. -In diesem Falle sinkt nämlich wegen des Komparatoreingangsstromes
die Mittenspannung Uh der Rechteckspannung U'r am nichtinvertierenden Eingang und
als Folge bleibt die Ausgangsspannung auf -Ub liegen. Ist die Mittenspannung Um
der an der Klemme 2 liegenden Rechteckspannung so gewählt, daß sie mindestens eine
volle Rechteckspannungsamplitude A höher oder niedriger als Uh liegt, dann führt
auch ein Kurzschluß des Kondensators C2 sofort zur "Störungs"-Meldung. Für Um muß
also folgende Beziehung gelten: Uh - A UmtUh + A.
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Diese Maßnahme hat außerdem noch den Vorteil, daß die Grenzwerte Usl
und Us2 durch Verändern der Spannung Uh auf einfache Weise parallel verschoben werden
können.
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In Fig.2 ist eine dynamische UND-Schaltung zur Zusammenfassung der
Ausgangssignale von zwei Überwachungsschaltungen nach Fig. 1 gezeigt. Es wird dabei
vorausgesetzt, daß die beiden Überwachungsschaltungen mit der gleichen
Rechteckspannung
Ur gespeist werden.
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Es sind Transistoren Tl und T2 vorgesehen, deren Basen die an den
Klemmen 3.1 und 3.2 anliegenden Signale über Widerstände R11.1 und R11.2 zugeführt
werden. Liegen die zu überwachenden Gleichspannungen innerhalb der Überwachungsgrenzen
und arbeiten die zwei Anordnungen nach Fig. 1 einwandfrei, dann werden die Transistoren
T1 und T 2 im Takte der synchronen Rechteckspannungen durchgeschaltet. Die Kollektoren
der Transistoren sind je über einen Widerstand R7.1 und R7.2 mit einem gemeinsamen
Arbeitswiderstand R6 verbunden. Die Widerstände R7.1 und R7.2 sind gleichgroß und
so dimensioniert, daß ihre Parallelschaltung gleich R6 ist. Sind die Transistoren
gesperrt, dann ist am Punkt B eine Spannung von + Ub vorhanden, sind die Transistoren
leitend, dann ist die Spannung + Ub/2 Die B hteckspannung am Punkt B mit der Amplitude
Ub/2 wird über einen Kondensator C3 übertragen und durch eine Diode Dl und einen
dieser parallel liegenden Widerstand an die durch einen Spannungsteiler R12, R13
erzeugte Spannung + 2 Ub geklammert, so daß - wenn man die Diodenrestspannung vernachläßigt
- die Rechteckspannung am invertierenden Eingang eines als Komparator arbeitenden
Differenzverstärkers V2 zwischen + 2/3 . Ubund + 1/6 . Ub verläuft. Der nichtinvertierende
Eingang des Differenzverstärkers V2 liegt durch einen Spannungsteiler R9/RlO auf
der Spannung + .Ub. Die Rechteckspannung am invertierenden Eingang unterschreitet
diese Spannung bei jeder negativen Halbwelle. Dadurch entsteht am Ausgang 4 des
Differenzverstärkers V2 ebenfalls eine Rechteckspannung.
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Die UND-Bedingung wird nicht mehr erfüllt, wenn z.B. an einer der
Eingangsklemmen 3.1 und 3.2 ständig logisch "O" oder logisch "1" anliegt. Die Rechtec-kspannungsamplitude
am Punkt B wird dann immer kleiner alsUb/2, wie nachstehend gezeigt wird: Fall a:
Einer der Transistoren ist ständig durchgeschaltet, der andere wird weiterhin durch
Rechteckspannung gesteuert.
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Die verbleibende Rechteckspannungsamplitude am Punkt B ist dann 2
Ub - 1 Ub = 1 Ub 32 6 Fall b: Einer der Transistoren ist ständig gesperrt, der andere
wird weiterhin durch Rechteckspannung gesteuert.
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Die verbleibende Rechteckspannungsamplitude am Punkt B ist dann Ub
- 2 Ub = 3 Ub 3 3 Fall c: Beide Transistoren sind ständig leitend oder gesperrt.
Am Punkt B stellt sich eine Gleichspannung von entweder + Ub + ) Ub oder + 2- Ub.
ein.
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3 2 Die verbleibende Rechteckspannungamplitude am Punkt B ist also
in den Fällen a und b kleiner als die Amplitude von 12 Ub, im Fall c ist sie 0.
Im ungünstigten Fall (b) liegt am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers
V2 eine Rechteckspannung mit einem unteren Spannungswert
von: 2
1 + 2 Ub - 1 Ub = + 1 Ub.
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3 3 3 Die eingestellte Schwelle von 1 Ub am nicht invertierenden
Eingang wird nicht mehr erreicht und das Signal am Ausgang 4 des Differenzverstärkers
bleibt auf dem Wert "O" liegen.
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Man sieht, daß sowohl Eingangssignalunterbrechung, als auch Fehler
in der UND-Schaltung selbst, nämlich Kollektor-Emitter-Kurzschluß oder -Unterbrechung
usw.
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zur t'Störungs"-Meldung führen.
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Die beiden Eingänge des Differenzverstärkers V2 können auch vertauscht
werden. Man erhält dann im fehlerfreien Falle eine Phasenverschiebung von 180° zwischen
Eingangs- und Ausgangsrec htecksignal und im Fehlerfall ständig logisch 1 am Ausgang.
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Die dynamische UND-Schaltung nach Fig.2 läßt sich auch mit drei und
mehr Eingängen aufbauen. Die Kollektorwiderstände R7 der Transistoren werden vorzugsweise
alle gleich groß gemacht und 80 dimensioniert, daß ihresParallelschaltung gleich
R6 ist. Außerdem muß die mit R9 und R10 eingestellte Schwelle neu festgelegt werden.
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Zur Anzeige des jeweiligen "Gut"- bzw. "Fehler"-Zustandes kann das
Ausgangssignal einer Überwachungsschaltung nach Fig.1 oder einer UND-Schaltung nach
Fig. 2 direkt oder über einen Frequenzteiler eine Lampe steuern. Die blinkende Lampe
zeigt gut an, während "Lampe ständig aus" oder "Lampe ständig an" Fehler bedeutet.
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Soll mit dem Ausgangs signal ein Schaltvorgang ausgeführt werden,
z.B. Umschaltung von gestörter Anlage auf Reserveanlage oder Auslösung eines akustischen
Dauersignals, dann wird hierzu aus dem Rechtecksignal durch Integration ein statisches
Steuersignal gebildet.
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5 Patentansprüche 2 Fig.