DE3325361C2 - Schaltungsanordnung zum Speisen einer Last in Abhängigkeit von logischen Steuersignalen - Google Patents

Abstract

Eine testbare Lasttreiberschaltungsanordnung enthält einen Festkörperlasttreiber zum Steuern einer Wechselstromlast (28), die mit einer Wicklung (58) einer Drossel (52) mit einem sättigbaren Kern (63) in Reihe geschaltet ist, welche zum Abfühlen des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Laststrom in einer Laststromüberwachungseinrichtung (78) benutzt wird, die mit einer weiteren Wicklung (70) der Drossel verbunden ist. Die Lasttreiberschaltungsanordnung kann während des Schaltungsbetriebes getestet werden, indem ein Signal eingegeben wird, dessen Dauer nicht ausreicht, um die Lastschaltung wesentlich zu beeinflussen.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Speisen einer Last in Abhängigkeit von logischen Steuersignalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der Zeitschrift Electronics, Bd. 51, Heft 13, 22. Juni 1978, Seiten 105-112, bekannt.
• Manche Steuerfunktionen erfordern die Verwendung von relativ hohen Wechselströmen in Schaltungen, die Drahtlängen bis zu 1,85 km (1Meile) oder mehr haben. Die relativ langen Hochstromkreise bringen besondere Steuerungsprobleme mit sich. Beispielsweise sind die langen Stromkreise unerwünschten Hochspannungs- und Hochstromsprüngen aufgrund sowohl der äußeren Umgebung als auch der Induktivität in der Schaltung ausgesetzt. Trotzdem muß der Strom in der getriebenen Schaltung von einem entfernten Ort aus genau gemessen werden können.
• Bislang werden Hochstromlasttreiberschaltungen mit logischen Signalen niedrigen Pegels über eine Gleichstromschaltungsanordnung und Schaltungen mit mechanischen Kontaktrelais gesteuert. Die Zuverlässigkeit und die Störfestigkeit sind bei solchen Schaltungsanordnungen nicht immer gewährleistet. Darüber hinaus haben mechanische Relais von Haus aus nur eine endliche Lebensdauer. Das häufige Testen einer Relaisschaltung hat zur Folge, daß die Relaiskontakte sich verschlechtern, wodurch die Zuverlässigkeit der Schaltung verschlechtert wird. Darüber hinaus sind die Testprozeduren so, daß ein Relais zum Testen aus seinem normalen Stromkreis entfernt werden muß, um eine Auswirkung auf die Last zu vermeiden. Die Verschlechterung, die durch Selbsttesten verursacht wird, ist in einer Umgebung, die eine hohe Zuverlässigkeit verlangt, im allgemeinen nicht akzeptabel.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie ständig und sicher getestet werden kann, ohne daß dadurch ihr bestimmungsgemäßer Gebrauch beeinträchtigt wird.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Lasttreiberschaltung durch eine Testtechnik, bei der Signale kurzer Dauer eingegeben werden, getestet werden kann, ohne daß die Lasttreiberschaltung beeinträchtigt wird, und der Strom kann mit vernachlässigbarer Auswirkung auf die Lastschaltung abgefühlt werden. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung mit einer wechselstromgesteuerten Feldmagnetspule verwendet werden, die in einem Abstand von bis zu etwa 900 m mit der Steuerquelle verbunden ist, wie beispielsweise in der Umgebung einer arbeitenden Kernreaktoranlage. Die Erfindung ist vorteilhafterweise auch dort einsetzbar, wo relativ hohe Stromwerte durch Signale mit Standardlogikpegel gesteuert werden und wo mechanische Kontaktrelais in der Betriebsumgebung nicht ausreichend zuverlässig sind.
• Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Die Figur zeigt ein Schaltbild einer Lasttreiberschaltung und einer Laststromüberwachungsschaltung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Die Figur zeigt die Lasttreiber- und Stromabfühlschaltung mit zwei HEXFETs 12, 14, die miteinander verbundene Gateelektroden 16 und 18, miteinander verbundene Sourceelektroden 20, 22 und Drainelektroden 24, 26 hat, welche an eine Last 28, die mit einer Stromquelle 30 in Reihe geschaltet ist, über relativ lange Signalwege 32, 34 verbunden sind. Die Signalwege 32, 34 können aus einem verdrillten Doppeldraht bestehen, dessen Länge typisch in der Größenordnung von 800 m liegt. Die Last 28 kann eine Feldwicklung einer elektromechanischen Magnetspule sein. Die Stromquelle 30 ist üblicherweise eine Wechselstromversorgung, obgleich auch eine Gleichstromversorgung benutzt werden kann. An die Drainelektroden 24, 26 ist eine aus Dioden bestehende Amplitudenbegrenzungsschaltung 36 angeschlossen. Die Amplitudenbegrenzungsschaltung 36 dient zum Unterdrücken von unerwünschten Übergangsvorgängen, die sich auf den Signalwegen 32, 34 ausbilden können, sie ist aber für den normalen und richtigen Betrieb der Schaltungsanordnung nicht notwendig. Die HEXFETs 12, 14 sind Feldeffekttransistoren mit drei Anschlüssen, die sowohl Wechselstromsignale als auch Transistorgleichstromsignale in der Schaltungsanordnung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nach der Erfindung leiten können. Bevorzugt verwendet werden N-Kanal-Feldeffekttransistoren des Typs IRF350, die von der Firma International Rectifier, Los Angeles, California, hergestellt werden. Die Source-Anschlüsse 20, 22 sind mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt 38 verbunden, und die Drainelektroden 24, 26 sind mit der Last 28 und der Wechselstromquelle 30 in Reihe geschaltet, welch letztere beispielsweise eine 120 V, 60 Hz-Quelle ist, die zu der Last 28 in Reihe geschaltet ist.
• Die HEXFET-Vorrichtungen 12, 14 werden wegen ihrer hohen Strombelastbarkeit und wegen ihres sehr niedrigen Durchlaßwiderstands, der jeweils bei Betrieb in Durchlaßrichtung typisch in dem Bereich von 0,3 Ohm liegt, gewählt.
• Die Lasttreiberschaltung wird über einen Transformator 40 aus einer Oszillatorschaltung angesteuert, die einen Feldeffekttransistor (FET) 42 enthält, der an die Primärwicklung 44 des Transformators 40 angeschlossen ist. Die Oszillatorschaltung arbeitet bei etwa 100 kHz an einem Oszillatoreingang 43, der zu einem UND-Gatter 45 führt, das den FET 42 ansteuert. Eine Sekundärwicklung 46 ist über eine Gleichrichterdiode 48 angeschlossen, die in einer Halbwellengleichrichterschaltung arbeitet. Die gleichgerichtete Halbwellengleichspannung wird durch einen Kondensator 50 gefiltert, der parallel zu der Sekundärwicklung 46 und parallel zu einem Lastwiderstand 54 geschaltet ist, an dem eine Gleichspannung gebildet wird, wenn die Oszillatorschaltung in Betrieb ist. Der gemeinsame Schaltungspunkt 38 der Sourceelektroden ist mit einer Klemme des Filterkondensators 50 verbunden. Die Sourceelektroden 20, 22 sind nur in der Treiberschaltungsanordnung erforderlich, da die Gateelektroden 16, 18 durch ihren eigenen getrennten und gleichgerichteten Gleichstrom unter der Steuerung des die Primärwicklung 44 des Transformators 40 ansteuernden Oszillators angesteuert werden.
• Das Oszillatoreingangssignal 43 wird zu dem FET 42 nur in Gegenwart entweder eines Wähleingangsimpulses aus einem Wähleingangssignal an einem Schaltungspunkt 53 über ein ODER-Gatter 47, der im allgemeinen eine Dauer von etwa 1 ms hat, oder eines gehaltenen Eingangsimpulses auf einer Leitung 51 aus einem nichtinvertierenden Ausgang Q eines monostabilen Multivibrators 49 durchgelassen. Die Dauer eines solchen gehaltenen Signals ist so lang, wie es durch die Last verlangt wird. Eine typische Dauer beträgt ungefähr 100 ms.
• Die Wähleingangsleitung SEL an dem Schaltungspunkt 53 wird benutzt, um sowohl Testeingangssignale als auch Funktionseingangssignale zu liefern. Die Funktionseingangssignale werden über eine RC-Tießpaßfilterschaltung geleitet, die aus Widerständen 55 und 57 und aus einem Kondensator 59 besteht, wobei die Signale über den Widerstand 57 an eine Eingangsklemme eines Schmitt-Triggers 61 angelegt werden. Der Schmitt- Trigger 61 dient zum Schutz vor Eingangssignalzittern, um dadurch ein falsches Triggern des Multivibrators 49 zu verhindern. Ein Signal, das eine Dauer von wenigstens 1 ms und im allgemeinen in der Größenordnung von 5 ms hat, wird über den Schmitt-Trigger 61 zu dem monostabilen Multivibrator 49 geleitet, um einen Zeitsteuerkondensator 62 zu laden oder das ODER-Gatter 47 über die Logiksignalleitung 51 für die Dauer der Zeitverzögerung, die durch den Zeitsteuerkondensator 62 hervorgerufen wird, freizugeben. Auf diese Weise kann die Lasttreiberschaltungsanordnung mit einem Testimpuls von 1 ms getestet werden, der den Oszillator über das UND-Gatter 45 für einen kurzen, d. h. 1 ms dauernden Test aktiviert, ohne daß der Multivibrator 49 für die volle Dauer der Lasttreibfunktion eingesetzt zu werden braucht.
• Einer der Vorteile dieser Schaltungsanordnung ist die Möglichkeit, den Strom ständig und zuverlässig messen zu können, ohne den vorgesehenen funktionalen Betrieb zu unterbrechen oder anderweitig zu verschlechtern. Für diesen Zweck ist eine Abfühleinrichtung in Form eines Abfühltransformators 52 vorgesehen, bei dem es sich um einen Transformator mit sättigbarem Kern handelt, um das Vorhandensein von Gatetreiberpotentialen oder Ausgangslaststrom zu erkennen. Der Transformator 52 hat einen Schnittbandkern 63 und eine Lastabfühlwicklung 58, von der eine erste Klemme 56 mit der Drainelektrode 26 und eine zweite Klemme 60 mit der Last 28 in Reihe verbunden ist. Ein erster Schalter 64 oder eine festverdrahtete Verbindung wird zum Hindurchleiten des Stroms durch die Last benutzt. Alternativ wird ein großer Widerstand 39, der mit den Gateelektroden 16, 18 verbunden ist, mit einer Klemme 68 einer zweiten Transformatorwicklung 70 verbunden, deren andere Klemme 72 mit einem Stromfühler 78 verbunden wird. Die Verbindung kann über einen zweiten Schalter 76 als Teil einer mechanisch gekuppelten Schaltanordnung 66 mit dem ersten Schalter 64 erfolgen. Der Transformator 52 kann so zwei Funktionen dienen, nämlich als Gatestromfühler und als Laststromfühler. Statt dessen kann die zweite Wicklung 70 mit dem Stromfühler 78 festverdrahtet sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können getrennte Transformatoren und Aufnehmer zum Gatestrom- und Laststromabfühlen benutzt werden, so daß der Mehrfachschalter 66 eliminiert werden kann und beide Abfühloperationen gleichzeitig ausgeführt werden können.
• Der Stromzustand in dem Abfühltransformator 52 wird durch eine Testwicklung 80 überwacht. Eine Vormagnetisierungswicklung 82 magnetisiert den Abfühltransformator 52 auf einen gewünschten Stromwert vor, bei dem er sich der Sättigung nähert. Die Vormagnetisierung wird so gewählt, daß ein erhöhter Strom entweder in der Lastabfühlwicklung 58 oder in der Gateabfühlwicklung 70 den Kern 63 in die Sättigung treibt und dadurch einen hohen Strom in der Abfühlwicklung 80 immer dann fließen läßt, wenn an diese eine Spannung angelegt wird.
• Die Spannung wird an die Testwicklung 80 mittels eines Testimpulses, der im allgemeinen eine Dauer in der Größenordnung von 1 ms hat, über einen Puffer 83 und einen Strombegrenzungswiderstand 84 angelegt, der mit dem ersten Eingang eines Komparators 86 verbunden ist. Der zweite Eingang des Komparators 86 ist mit einem Pegeleinstellpotentiometer 88 verbunden. Eine erste Diode 90 an dem Komparatoreingang verhindert, daß die Testleitung negativ wird. Eine zweite Diode 92 in Reihe mit der Abfühlwicklung 80 trennt diese von unerwünschten negativen Impulsen. Im Betrieb wird ein Testimpuls mit einer Dauer von 1 ms über den Puffer 83 und dadurch an die Abfühlwicklung 80 angelegt. Wenn der Kern 63 nicht gesättigt ist und dadurch das Vorhandensein von Strom in der Last angibt, stellt die Abfühlwicklung 80 eine hohe Impedanz dar und dadurch liegt ein logisches Signal hoher Spannung an dem Eingang des Komparators 86 an. Der Spannungswert wird durch den Komparator 86 abgefühlt und als ein logisches Ausgangssignal über einen Systemausgangswiderstand 94 geleitet, dessen Spannungswert ungefähr 800 µs nach dem Anlegen eines Eingangstestimpulses abgetastet wird. Wenn dagegen der Kern 63 gesättigt ist, wird die Abfühlwicklung 80 eine niedrige Impedanz gegen Masse darstellen und den Abfühleingang des Komparators 86 auf Masse ziehen. Dieser Wert wird durch den Komparator 86 abgefühlt und als ein Logikpegelsignal über den Ausgangswiderstand 94 dargeboten. Beim Abtasten des Systemausgangssignals nach 800 µs wird der andere Logikpegel erfaßt und als eine Anzeige für einen Stromfluß erkannt. Diese Ausgangsanzeige wird eine logische Eins sein, wenn eine positive Logik angenommen wird.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Speisen einer Last in Abhängigkeit von logischen Steuersignalen, mit einer Feldeffekttransistoranordnung, die mit einer Wechselstromquelle und einer Last in Reihe geschaltet ist und durch logische Eingangssignale durchschaltbar ist, wobei die Feldeffekttransistoranordnung einen ersten Feldeffekttransistor und einen zweiten Feldeffekttransistor aufweist, die jeweils an ihren Gateelektroden und ihren Sourceelektroden miteinander verbunden sind und deren eine Drainelektrode mit der einen Seite der Reihenschaltung aus Wechselstromquelle und Last und deren andere Drainelektrode mit der einen Seite der Reihenschaltung verbunden ist, derart, daß ein geschalteter Stromkreis für Wechselstrom über die Feldeffekttransistoranordnung gebildet ist, die auf Änderungen im Spannungspotential zwischen den Sourceelektroden und den Gateelektroden hin umschaltet, gekennzeichnet durch eine Abfühleinrichtung (52) zum Überwachen des Betriebs der Feldeffekttransistoranordnung (12, 14), die eine erste Stromabfühlwicklung (58) in einer Drossel mit einem leicht sättigbaren Kern (63) aufweist, die zusammen mit der Wechselstromquelle (30), der Last (28) und der Feldeffekttransistoranordnung (12, 14) in Reihe geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühleinrichtung (52) eine zweite Stromabfühlwicklung (70) in einer Drossel mit einem leicht sättigbaren Kern (63) aufweist, die zwischen die beiden Gateelektroden (16, 18) und die beiden Sourceelektroden (20, 22) geschaltet ist und den Strom abfühlt, der eine Spannung zwischen den Gateelektroden und den Sourceelektroden bildet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühleinrichtung (52) zum Erkennen der Sättigung der Drossel eine Stromerfassungsschaltung enthält, die eine dritte Stromabfühlwicklung (80) auf dem Kern (63), einen Komparator (86) und eine Einrichtung (82, 84) zum Anlegen eines Teststroms an die dritte Wicklung (80) aufweist, die eine hohe Impedanz, wenn der Kern nicht in Sättigung ist, und eine niedrige Impedanz aufweist, wenn Kernsättigung vorliegt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Gate-Sourceschaltungsanordnung zum Erzeugen der logischen Eingangssignale, mit einer mit einem Oszillator (42) verbundenen Steuerschaltung (47, 49) zum Steuern eines Oszillatorsignals (43), mit einem Gleichrichter (48) der mit der Steuerschaltung verbunden ist, um das Oszillatorsignal gleichzurichten, wobei der Gleichrichter bei den Ansteuersignalen ein Gleichstromsignal zwischen der ersten und der zweiten Gateelektrode (16, 18) und der ersten und der zweiten Sourceelektrode (20, 22) liefert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate- Sourceschaltungsanordnung eine Zeitsteuereinrichtung (62) aufweist, die auf einen Eingangsimpuls, der wenigstens eine Mindestdauer hat, anspricht, um die Steuerschaltung (47) für eine vorgewählte Dauer durchgeschaltet zu halten.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (82, 84) zum Eingeben eines Testimpulses in die Gate- Sourceschaltungsanordnung und durch eine Einrichtung (47, 61) zum Trennen der durch die Testimpulseingabeeinrichtung angelegten Testimpulse von der Zeitsteuereinrichtung (62), um zu verhindern, daß die Zeitsteuereinrichtung die Gate-Sourceschaltungseinrichtung einrasten läßt.