Messeinrichtung für Gleichstromimpulse
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung, mit einem Stromwandler mit zwei Sekundärwicklungen, von denen die eine den Messstromkreis, die andere einen Kompensationsstromkreis speist.
Zur Sekundärmessung von Gleichströmen benutzt man Gleichstromwandler, welche ähnlich wie Transduktoren ausgeführt sind. Der Primärgleichstrom wird als Erreger strom für den Transduktor verwendet. Ausserdem wird an dem Transduktor eine Wechselspannung angelegt, die einen Strom erzeugt, welcher von dem Erregerzustand des Transduktors abhängt. Der Effektivwert des Wechselstromes kann durch geeignete Auslegung des Gleichstromwandlers proportional dem zugeführten Gleichstrom gemacht werden.
Hiermit kann man wohl die Stromhöhe eines kontinuierlichen Gleichstromes, aber nicht die Stromform nachbilden. Für die Erfassung von wellenförmigen Gleichströmen, also von Gleichströmen mit überlagerten Wechselstromanteil hat man mehrere Transduktorkerne vorgesehen, wobei durch Parallelschaltung eine Kompensierung der Übersetzungsfehler und damit eine höhere Genauigkeit für die Messung des Gleichstromanteiles erhalten werden kann. Der Wechselstromanteil kompensiert sich bei dieser Schaltung ebenfalls, so dass er durch den Gleichstromwandler dieser Art nicht erfasst werden kann. Mit Hilfe von mehreren Kernsystemen, welche zugleich von der Primär- und Sekundärwicklung umfasst sind, besteht bei geeigneter Auslegung der Kerne die Mög lichkeit die Gleich- und Wechselstromanteile getrennt zu übertragen.
Das eine Kernsystem ist dann wie ein Transduktor geschaltet, während das andere einen normalen Wechselstromwandler bildet.
Mit diesen Einrichtungen kann man wohl einen Gleichstrom mit überlagertem Wechselstrom anteil übertragen, es ist aber hierbei eine zusätzliche Wechselstromspeisung für den Transduktoranteil erforderlich sowie eine Mehrzahl von Kernen, welche viel Platz beanspruchen.
In Halbleiteranlagen, wo unterbrochene Gleichstromimpulse auftreten, wobei bei Anlagen für höhere Ströme mehrere Kreise parallel geschaltet sind, würde die bekannte Anordnung die Aufteilung der Ströme auf die parallelen Kreise beeinflussen, da Transduktoren einen inneren Widerstand besitzen.
Ausserdem besteht der Wunsch, die einzelnen Ströme während des Betriebes kontrollieren zu können. Hierfür verwendet man bekanntlich Messzangen, welche über den Leiter gelegt werden und dann den Strom messen. Solche Zangen besitzen Kerne und Sekundärwicklungen, welche über den Leiter gelegt werden. Bei den bekannten Ausführungen würde eine solche Einrichtung einen zu grossen Umfang haben, um in einer Halbleiteranlage vorgesehen werden zu können, oder es wird die Halbleiteranlage unnötig gross ausgeführt werden müssen.
Hierfür stellt sich die Aufgabe, eine Messeinrichtung zu finden, welche möglichst geringe Eigenimpedanz besitzt und nur soviel Raum beansprucht, dass ein zusätzliches Anbringen während des Betriebes, vorzugsweise mit Hilfe von Messzangen möglich ist. Dies ist mit den bisherigen Ausführungen nicht zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird daher für eine e solche Messeinrichtung, welche einen Stromwandler mit zwei Sekundärwicklungen aufweist, von denen die eine den Messstromkreis, die andere einen Kompensationsstromkreis speist, vorgeschlagen, dass die letztgenannte Wicklung mit dem Steuerkreis eines Gleichstromverstärkers verbunden ist, derart, dass dieser Verstärker nur dann eine Ausgangsspannung erzeugt, wenn Strom im Primärkreis fliesst und die erstgenannte Wicklung über den Ausgangskreis dieses Verstärkers mit dem Messgerät verbunden ist, wobei der Verstärker so ausgelegt ist, dass seine Ausgangsspannung die Spannungsabfälle im Messkreis kompensiert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel bzw. die Wirkungsweise der Anordnung, Fig. 3 die konstruktive Ausführung.
In der Fig. 1 bedeutet 1 die Leitung, die zum Gleichrichter 2 führt und in welcher der Strom il fliesst. An diese Leitung wird ein Stromwandler 2 angelegt, von dem zunächst die Wicklungen 2,1 und 2,2 besprochen werden. An der Wicklung 2,1 liegt der Ausgangskreis des Verstärkers 3 und der Nebenwiderstand 4, an welchem die Messeinrichtung angeschlossen ist, welche aus einem Strommesser oder einem Oszillographen bestehen kann; die Leitung geht dann über den Transistor 5, der normalerweise leitend ist, zum Wandler zurück. Die Rückführung ist durch die Erdleitung dargestellt. Die Wicklung 2,2 wird an den Steuerkreis des Verstärkers 3 gelegt und ist auf der anderen Seite über den Kondensator 6 mit Erde verbunden.
Die Wirkungsweise ist nun folgende. Der Strom i1 ist in Fig. 2 im oberen Diagramm schematisch dargestellt und besteht aus einem impulsförmigen Gleichstrom, der nun durch den Wandler 2 übertragen wird auf die Sekundärspule 2,1. In dieser fliesst der Strom i, welcher etwa die gleiche Form haben soll, wie der Strom i1. Um nun die Spannungsabfälle auf der Primär- und Sekundärseite des Wandlers und in den Zuleitungen zu kompensieren, wird dieser Strom i2 dem Ausgangskreis des Verstärkers 3 zugeführt. Dieser kompensiert diese Spannungsabfälle, wirkt also als negativer Widerstand, so dass insgesamt keine zusätzliche Impedanz durch die Wicklung 2,1 an der Leitung 1 entsteht. In der Wicklung 2,2 entsteht nun während der Zeit, in welcher der Impuls auftritt, ebenfalls eine Spannung, welche den Verstärker 3 freigibt.
Im Augenblick, wo die Spannung verschwindet, wird der Verstärker 3 gesperrt, und es kann bei richtiger Arbeitsweise des Verstärkers kein Strom durch die Messeinrichtung fliessen. Auch die Höhe des durch den Verstärker 3 durchfliessenden Stromes i2 wird durch die Spannung an der Sekundärwicklung 2,2 gesteuert.
Damit nun erreicht werden kann, dass die Spannungsabfälle tatsächlich kompensiert werden, muss der Verstärkungsgrad des Verstärkers eine bestimmte Höhe haben. Es wird verlangt, dass auch die Wicklung 2,2 möglichst impedanzlos ist. Dies kann dadurch erreicht werden dass der Eingang am Verstärker 3 möglichst hochohmig ist. Damit nun trotzdem eine völlige Kompensation der Spannungsabfälle bei hohen Strömen eintreten kann, muss der Verstärkungsgrad verhältnismässig hoch sein. Es wird vorgeschlagen, hierfür den Verstärkungsgrad 1000 zu wählen.
Es muss nun darauf geachtet werden, dass der Verstärker 3 tatsächlich während der stromlosen Pause, also während der Lücke in dem Gleichstrom il, völlig auf 0 gesteuert ist. Um dies prüfen zu können, ist noch eine besondere Einrichtung vorgesehen, die in dem Falle, dass durch Ungenauigkeiten, Temperatureinflüsse usw., doch eine Spannung am Verstärker 3 entsteht, die Steuerung des Verstärkers so beeinflusst, dass wieder die Spannung 0 entstehen kann. Dies geschieht nun mit einem zweiten Wandler 7, welcher einen getrennten Eisenkern besitzt. Dieser Wandler überträgt ebenfalls den Gleichstromimpuls.
Dieser wird nun aber durch ein Filter 8 so umgeformt, dass eine Sinuskurve entsteht, wie sie im untersten Teil der Fig. 2 dargestellt ist. Es entsteht dort der Strom i3 aus der Rechteckform. Es wird also die Grundwelle durch das Filter 8 ausgesiebt.
Diese Grundwelle wird dann durch den Verstärker 9 verstärkt und auf einen Impulserzeuger 10 gegeben.
Der Impuls entsteht dann, wenn die Grundwelle durch 0 hindurchgeht; dies ist ebenfalls aus dem Diagramm zu erkennen. Dieser Impuls steuert nun die beiden Transistoren 5 und 11, und zwar wird der Transistor 5 gesperrt, so dass also die Verbindung mit der Erde aufgehoben und der Transistor 11 ge öffnet wird. Die beiden Transistoren sind also entgegengesetzt ausgeführt (PNP und NPN). Ist nun noch eine Spannung (Fig. 2 Mitte) am Widerstand 4 vorhanden, so wird diese Spannung auf den Kondensator 6 gegeben, dadurch erhält der Stromkreis der Sekundärwicklung 2,2 eine Spannung, welche den Verstärker in dem Sinne steuert, dass er nun den Ausgang 0 erhält. Diese Einrichtung arbeitet in jeder Lücke, so dass jederzeit dafür gesorgt wird, dass der Verstärker 3 richtig gesteuert ist. Die beiden Transistoren 5 und 11 bilden hierbei ein elektronisches Schaltglied.
Die ganze Ausführung kann nun so gemacht werden, dass, wie Fig. 3 zeigt, der Wandler in einer Messzange untergebracht ist und die angeschlossenen Instrumente und sonstigen Glieder in einem besonderen Messgehäuse liegen. Die Verbindung zwischen der Messzange und diesem Gehäuse kann durch normale Kabel hergestellt werden. Die Messwandler 2 und 7 sind an der Zange 12 untergebracht. Die Zange besitzt einen Handgriff 13, mit welchem das Anlegen an den Leiter, der nicht gezeichnet ist, erfolgen kann.
Die Zange wird durch den Hebel 14 bewegt und über den Leiter geklemmt. Ferner ist noch ein Schutzschild 15, welcher aus Plexiglas besteht, vorgesehen, um die Hand vor Berühren mit den spannungsführenden Teilen zu schützen. 16 ist das Kabel, welches zum Messgehäuse 17 führt, in welchem die übrigen Geräte eingebaut sind. Es wird über den Stecker 12 und den Steckkontakt 22 mit dem Gehäuse verbunden. 19 ist der Anschluss für einen Oszillographen und 20 ist die Zuführung einer Hilfsspannung für die Steuerung der Transistoren.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass auch in Halbleitergleichrichteranlagen mit geringem Platz eine Messung der Ströme der einzelnen parallelen Zweige, ohne diese zu beeinflussen, möglich ist und diese mit einer völligen Genauigkeit die Form und die Stromhöhe nachbildet. Ausserdem ergibt es die Möglichkeit, dass eine selbsttätige Regelung der Einrichtung erfolgen kann.