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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von
Lichtbögen
in einem Stromkreis, insbesondere einem Kraftfahrzeugbordnetz, umfassend
Filtermittel, die zumindest einzelne Frequenzbereiche eines in dem
Stromkreis fließenden
Stroms oder eines diesem Strom entsprechenden Signals übertragen
können,
Auswertemittel, die die von den Filtermitteln übertragenen Frequenzbereiche
des Stroms oder des diesem entsprechenden Signals auswerten und
bei Vorliegen eines Lichtbogens diesen erkennen können. Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erkennung von
Lichtbögen
in einem Stromkreis, insbesondere in einem Kraftfahrzeugbordnetz.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung der vorgenannten Art sind insbesondere
von Bedeutung für die
Erkennung von Lichtbögen
in 42 V-Bordnetzen von Kraftfahrzeugen. Bei derartigen Bordnetzen
ist aufgrund der vergleichsweise hohen Spannung das Auftreten von
Lichtbögen
deutlich häufiger
als in 12 V-Bordnetzen. Die Lichtbögen können sich bei Kurzschluss gegen
Masse oder an Unterbrechungen im Lastpfad ausbilden. Lichtbögen in Reihe
zur Last werden als serielle Lichtbögen bezeichnet und entstehen
zum Beispiel durch Kabelbruch, lockere Stecker oder beim Ziehen
und Stecken von Steckern und Sicherungen. Lichtbögen parallel zur Last nach Masse
werden als parallele Lichtbögen
bezeichnet und entstehend durch Schäden an der Isolierung des Lastkabel.
Durch hohe Leistungsdichten bis zu einigen kW bei Lichtbögen parallel
zur Last können durch
diese starke Schäden
verursacht werden, wobei insbesondere auch die Gefahr eines Brandes
besteht. Herkömmliche
Sicherungen lösen
bei derartigen Lichtbögen
nicht oder zu spät
aus, da der Lichtbogenstrom durch den Spannungsabfall im Lichtbogen
begrenzt wird. Im Falle des seriellen Lichtbogens ist der Strom
niedriger als der Nennstrom. Beim parallelen Lichtbogen kann der
Fehlstrom dem Nennstrom in etwa entsprechen. Somit müssen zusätzlich zu
der Absicherung, die heute in 42 V-Bordnetzen üblich ist, Lichtbogen erkannt
und beseitigt werden.
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STAND DER
TECHNIK
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art sind aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 43 16 239 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen
Vorrichtung sind parallel zu den Laststrom führenden Leitern zwei Messzweige
angeordnet, die Aktivfilter umfassen, die hochfrequente Anteile
des Laststroms in unterschiedlichen Frequenzbereichen selektiv verstärken, insbesondere
in einem Bereich von etwa 5,5 MHz und in einem Bereich von etwa
10,7 MHz. Die Ausgangssignale dieser Aktivfilter werden gleich gerichtet
und gegebenenfalls verzögert
auf die Steuereingänge
von in Reihe geschalteten Triacstufen gegeben. Für den Fall, dass die von den
Aktivfiltern übertragenen
Anteile der hochfrequenten Signale im wesentlichen identisch sind,
werden die Triacstufen in einen leitenden Zustand versetzt, so dass über einen
Strombegrenzungswiderstand ein Fehlerstrom fließt, der einen Fehlerstromschutzschalter
auslöst.
Auf diese Weise kann die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung
einen Lichtbogen erkennen und entsprechend den Laststrom abschalten.
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Die
Erkennung bei der vorgenannten aus dem Stand der Technik bekannten
Vorrichtung findet seine Begründung
darin, dass ein Lichtbogenstrom aus zeitgleichen breitbandigen hochfrequenten
Anteilen besteht. Auf diese Weise kann die aus dem Stand der Technik
bekannte Vorrichtung bei im wesentlichen identischen hochfrequenten
Anteilen unterschiedlicher Frequenz von der Erkennung eines Lichtbogens
ausgehen.
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Als
nachteilig bei diesem Stand der Technik erweist sich, dass die Erkennung
des Lichtbogens nur von der Signalstärke der hochfrequenten Signalanteile
abhängig
ist. Das hat zur Folge, dass mittels einer Vorrichtung gemäß dem vorgenannten
Stand der Technik entweder Lichtbögen mit kleinen hochfrequenten
Signalen nicht erkannt werden oder aber andere hochfrequente Anteile
eines Laststroms in einem Kraftfahrzeugbordnetz, wie beispielsweise
das Bürstenfeuer
eines Motors, fälschlicherweise
als Lichtbogen interpretiert werden und zu einer Fehlabschaltung
führen.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung
einer Vorrichtung und eines Verfahrens der eingangs genannten Art, die
effektiver einen Lichtbogen erkennen können.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Dies
wird erfindungsgemäß hinsichtlich
der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich
des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst.
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Gemäß Anspruch
1 ist vorgesehen, dass die Filtermittel ein erstes Filterelement
für die Übertragung
von hochfrequenten Anteilen des Stroms oder des diesem entsprechenden
Signals und ein zweites Filterelement für die Übertragung von niederfrequenten
Anteilen oder Gleichanteilen des Stroms oder des diesem entsprechenden
Signals umfassen, wobei die Auswertemittel sowohl den von dem ersten
Filterelement als auch den von dem zweiten Filterelement übertragenen
Frequenzbereich des Stroms oder des diesem entsprechenden Signals
zur Erkennung eines Lichtbogens auswerten können. Durch die zusätzliche
Auswertung der niederfrequenten Anteile oder Gleichanteile des Stroms
oder des dem Strom entsprechenden Signals kann effektiver entschieden werden,
ob ein Lichtbogen vorliegt oder nicht. Insbesondere kann dabei die
Kombination der niederfrequenten und hochfrequenten Anteile bei
kleinen hochfrequenten Signalpegeln die Empfindlichkeit des Systems
erhöhen
und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit für einen Fehlalarm verringern.
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Dabei
kann erfindungsgemäß das erste
Filterelement als Hochpassfilter oder als Bandpassfilter ausgeführt sein,
wohingegen das zweite Filterelement als Tiefpassfilter und/oder
als Integrator ausgebildet sein kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung werden die von dem ersten Filterelement übertragenen
hochfrequenten Anteile des Stroms oder des diesem entsprechenden Signals
und die von dem zweiten Filterelement übertragenen niederfrequenten
Anteile oder Gleichanteile des Stroms oder des diesem entsprechenden
Signals in einer Signalkombiniereinheit derart miteinander kombiniert,
dass die hochfrequenten Anteile in Abhängigkeit von der Größe der niederfrequenten Anteile
oder Gleichanteile verstärkt
werden. Dadurch kann auch bei geringen hochfrequenten Anteilen der Stromfluss
in kürzerer
Zeit sicher abgeschaltet werden. Die Selektion hochfrequentes Störsignal
oder hochfrequentes Lichtbogensignal erfolgt unter Einbeziehung
der Größe der niederfrequenten
Anteile oder Gleichanteile. Ein zeitweises geringes hochfrequentes
Störsignal
auf der Leitung führt
nicht zur Fehlauslösung
da kein niederfrequenter Anteil oder Gleichanteil vorhanden ist.
Ein geringes hochfrequentes Lichtbogensignal führt in Kombination mit niederfrequenten
Anteilen oder Gleichanteilen zu einer sicheren Auslösung. Weiterhin
kann die Empfindlichkeit den Lastbedingungen adaptiv und bei einem
intelligentem System selbstlernend angepasst werden. Insbesondere
können
hohe niederfrequente Signale oder Gleichanteile derart bewertet
werden, dass diese eigenständig kurzfristig
ein Fehlersignal auslösen und
damit zur Abschaltung des Stromflusses führen.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Komparatormittel,
insbesondere einen Fensterkomparator, in dem die hochfrequenten
Anteile und die niederfrequenten Anteile oder Gleichanteile miteinander
verglichen werden können.
Durch diesen Vergleich von Gleichanteil und hochfrequentem Anteil
kann vergleichsweise fehlerfrei eine Aussage darüber getroffen werden, ob ein
Lichtbogen vorliegt oder nicht.
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Insbesondere
kann die Vorrichtung dabei Integratoren umfassen, in denen die hochfrequenten Anteile
und/oder die niederfrequenten Anteile oder Gleichanteile vor dem
Vergleich in dem Komparatormittel getrennt voneinander aufsummiert
werden können.
Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein,
dass die Vorrichtung einen Spannungsteiler mit mindestens zwei Widerständen umfasst, über den die
niederfrequenten Anteile oder Gleichanteile dem Komparatormittel
zugeführt
werden können.
Die Größe dieser
Widerstände
sowie deren Verhältnis
zueinander können
dabei in Abhängigkeit
von Informationen gewählt
werden, die sich aus den typischen Verhältnissen von hochfrequenten
Anteilen zu Gleichanteilen eines Lichtbogenstroms ergeben.
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Es
besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
dass der Spannungsteiler ein nichtlineares Verhalten aufweist. Hierbei
können
die Widerstände durch
Elemente ersetzt werden, mit denen eine nichtlineare Kennlinie erzeugt
wird.
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Es
besteht weiterhin die Möglichkeit,
dass die Vorrichtung einen Temperatursensor umfasst, der die Temperatur
mindestens eines Bereichs des Stromkreises erfassen kann, um eine
durch Lichtbögen
bewirkte Temperaturerhöhung
zu detektieren. Ein derartiger Temperatursensor kann beispielsweise in
einem Gerätestecker
oder in der Nähe
eines derartigen Steckers angeordnet sein. Die durch einen derartigen
Temperatursensor mögliche
Temperaturmessung kann eine zusätzliche
Sicherheit zur Vermeidung von Fehlabschaltungen gewährleisten.
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Weiterhin
besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
dass die Vorrichtung mindestens einen Photosensor umfasst, der das
von einem Lichtbogen ausgehende Licht detektieren kann. Beispielsweise kann
zu den Lastleitungen im Kabelbaum eines Kraftfahrzeugs parallel
ein Lichtleiter verlegt werden, der mit einer Mehrzahl von Einkoppelmöglichkeiten
von optischen Signalen in den Lichtleiter versehen ist. Durch diese
zusätzliche
optische Detektionsmöglichkeit
von Lichtbögen
kann wiederum die Wahrscheinlichkeit für die Auslösung eines Fehlalarms gesenkt werden.
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Die
Bewertung der erfassten Lichtbogensignale kann in einer integrierten
Schaltung oder durch einen Mikrocontroller erfolgen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung
mit einem Stromsenseausgang eines Halbleiterschalters verbunden
werden kann, wobei an dem Stromsenseausgang Signale anliegen, die
dem Strom in dem Stromkreis entsprechen. Als alternative Ausführungsform
kann die vorliegende Erfindung wie eine Open Load oder Kurzschlusserkennung
integrierter Bestandteil eines intelligenten Halbleiterschalters
sein. Durch die Anbringung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Stromsenseausgang
eines Halbleiterschalters oder als Bestandteil eines Halbleiterschalters
ergeben sich diverse Vorteile. Es zeigt sich nämlich, dass im ungünstigsten
Fall an jedem Lastausgang eines Kraftfahrzeugsbordnetzes eine erfindungsgemäße Vorrichtung
angebracht werden muss, da speziell für parallele Lichtbögen keine
Einschränkungen
gemacht werden können,
so dass diese überall
auftreten können.
Aufgrund der Tatsache, dass wichtige Funktionen wie das Stromsense
und das Schalten bereits in Halbleiterschaltern untergebracht sind,
die in Kraftfahrzeugbordnetzen üblicherweise
vorgesehen sind, können
die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
in integrierte Steuereinheiten des Halbleiterschalters integriert
werden. Auf diese Weise kann vermittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein Lichtbogenschutz mit minimalen Kosten realisiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch
13 sieht folgende Verfahrensschritte vor:
- – Herausfiltern
eines hochfrequenten Anteils und eines niederfrequenten Anteils
oder Gleichanteils aus einem in dem Stromkreis fließenden Strom oder
einem diesem Strom entsprechenden Signal;
- – Auswerten
dieser Anteile nach vorgegebenen Kriterien zur Erkennung von Lichtbögen.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass die hochfrequenten Anteile und die niederfrequenten
Anteile oder Gleichanteile derart miteinander kombiniert werden,
dass die hochfrequenten Anteile in Abhängigkeit von den niederfrequenten
Anteilen oder Gleichanteilen verstärkt werden, um die Selektion
zwischen hochfrequentem Störsignal
und Auswertesignal zu verbessern. Alternativ dazu können die
hochfrequenten Anteile und die niederfrequenten Anteile oder Gleichanteile
miteinander verglichen werden. In der alternativen Ausführungsform
kann zur Unterdrückung
von systembedingten hochfrequenten Anteilen wie beispielsweise Rauschen
das Ausgangssignal im Hochfrequenzpfad vermindert werden.
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ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 schematisch eine Schaltungsanordnung
einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 schematisch eine Schaltungsanordnung
einer zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
in 1 abgebildete Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann eine Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug betreffen.
Insbesondere kann dabei an einem Batterieausgang 1, der
sogenannten Klemme 30, ein Halbleiterschalter 2 angeschlossen
sein, der einen Ausgang 3 zur Last 4 aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 5, 6 kann
in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel
auf zwei unterschiedliche Weisen in ein Kraftfahrzeugbordnetz integriert
sein. Zum einen kann die mit dem Bezugszeichen 5 versehene
erfindungsgemäße Vorrichtung
in den Lastzweig integriert sein. Zum anderen kann dann, wenn der
Halbleiterschalter 2 einen Stromsenseausgang 7 aufweist,
die mit dem Bezugszeichen 6 versehene erfindungsgemäße Vorrichtung
mit diesem Stromsenseausgang 7 verbunden sein. Als integrierte
Schaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
Bestandteil des Halbleiterschalters 2 sein. In allen genannten
Fällen
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 5, 6 aufgebaut sein,
wie im nachfolgenden zu der Vorrichtung 6 detailliert beschrieben.
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Die
Vorrichtung 6 weist zwei zueinander parallel angeordnete
Filterelemente, nämlich
ein erstes Filterelement 8 und ein zweites Filterelement 9 auf.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel
ist das erste Filterelement 8 als Hochpassfilter ausgebildet,
wohingegen das zweite Filterelement 9 als Tiefpassfilter ausgebildet
ist. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, anstelle eines Hochpassfilters
einen Bandpassfilter zu verwenden. Weiterhin besteht die Möglichkeit,
anstelle eines oder zusätzlich
zu einem Tiefpassfilter einen Integrator zu verwenden.
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Die
von dem ersten Filterelement 8 übertragenen hochfrequenten
Signale treten durch ein Detektionsschwellenfilter 10 hindurch,
das vorgibt, ab welchem Schwellwert Signale ausgewertet werden. Die
von diesem Detektionsschwellenfilter 10 durchgelassenen
Signale werden in einer Signalkombiniereinheit 11 mit den
durch das zweite Filterelement 9 übertragenen Signalen kombiniert.
Die durch das zweite Filterelement 9 übertragenen niederfrequenten
Signale können
vor dem Eintritt in die Signalkombiniereinheit 11 durch
ein Timerelement 12 hindurchtreten, das die Zeitspanne
von dem Auftreten eines niederfrequenten Signals bis zum Beginn
der Auswertung und die Zeitspanne nach dem Beenden eines niederfrequenten
Signals bis zum Beenden der Auswertung vorgeben kann.
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Die
Signalkombiniereinheit 11 verstärkt den durch das erste Filterelement 8 übertragenen
hochfrequenten Anteil in Abhängigkeit
von der Größe des durch
das zweite Filterelement 9 übertragenen niederfrequenten
Anteils. Das durch das zweite Filterelement 9 übertragene
niederfrequente Signal kann dabei insbesondere proportional zu der
Abweichung des in dem zu untersuchenden Stromkreis fließenden Stroms
von einem erwarteten Strom sein. Diese Abweichung kann bei seriellen
Lichtbögen
eine negative Abweichung sein, d. h. eine Abweichung aufgrund eines
geringeren real fließenden
Stromes gegenüber
dem Sollwert oder Normalwert. Bei parallelen Lichtbögen wird
die Abweichung eine positive Abweichung sein, d. h. es wird ein
größerer realer
Strom fließen
als der Sollstrom oder normale Strom.
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Der
Ausgang der Signalkombiniereinheit 11 ist mit einer Vorgabeeinheit 13 für eine Auslöseschwelle
verbunden. Durch diese Vorgabeeinheit 13 kann vorgegeben
werden, ab welcher Signalhöhe
die erfindungsgemäße Vorrichtung 6 das
Vorliegen eines Lichtbogens erkennt und dementsprechend eine Abschaltung
des entsprechenden Stromkreises beispielsweise durch den Halbleiter 2 veranlasst.
Die Signalkombiniereinheit 11 und die Vorgabeeinheit 13 können zusammen
als Rechnereinheit ausgeführt sein.
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Es
besteht die Möglichkeit,
dass bei sehr großem
niederfrequentem Signal die Signalkombiniereinheit 11 in
Verbindung mit der Vorgabeeinheit 13 eine Abschaltung des
Stromkreises bewirkt, selbst wenn kein hochfrequenter Anteil durch
das erste Filterelement 8 übertragen wird. Weiterhin besteht
die Möglichkeit,
dass bei einem sehr großen hochfrequenten
Signal die Signalkombiniereinheit 11 zusammen mit der Vorgabeeinheit 13 eine
Abschaltung des Stromkreises bewirkt, selbst wenn kein niederfrequenter
Anteil durch das zweite Filterelement 9 übertragen
wird.
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Die
Grenzfrequenz eines als Tiefpassfilter ausgeführten zweiten Filterelements 9 könnte beispielsweise
bei etwa 1 kHz liegen. Die Grenzfrequenz eines als Hochpassfilter
ausgeführten
ersten Filterelementes 8 könnte beispielsweise bei 1 MHz liegen.
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Aus 2 ist die Schaltungsanordnung
einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 14 ersichtlich.
Bei dieser Vorrichtung 14 sind gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Das erste Filterelement 8 kann wiederum
als Hochpassfilter oder als Bandpassfilter ausgebildet sein. Das
zweite Filterelement 9 kann ebenfalls wiederum als Tiefpassfilter
ausgebildet sein. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel werden die durch
das zweite Filterelement 9 übertragenen Signale in einen
Integrator 15 gegeben. Aufgrund dieses Integrators 15 kann
unter Umständen auch
auf das als Tiefpassfilter ausgeführte zweite Filterelement 9 verzichtet
werden. Alternativ besteht die Möglichkeit,
das Tiefpassfilter 9 und den Integrator 15 in
einem Bauteil zusammenzufassen.
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Die
von dem ersten Filterelement 8 übertragenen hochfrequenten
Signale gelangen in einen Leistungsdetektor 16, der quadratische
Mittelwerte der hochfrequenten Signale bildet. In einer alternativen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der Leistungsdetektor 16 durch
einen einfachen Gleichrichter ersetzt werden.
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Die
aus dem Leistungsdetektor austretenden Signale werden in einem weiteren
Integrator 17 aufsummiert. Die Vorrichtung umfasst weiterhin
ein Timerelement 18, das die Aufsummierzeiten für die Integratoren 15, 17 vorgibt
und diese gegebenenfalls periodisch zurücksetzt.
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Die
Vorrichtung umfasst weiterhin einen Trigger 19, der einerseits
dazu dienen kann, die ansteigende Flanke eines möglichen Lichtbogensignals zu detektieren,
und auf diese Detektion hin die Filterelemente 8, 9 freischalten
kann. Andererseits kann der Trigger 19 auch das Timerelement 18 ansteuern
und damit die Integratoren 15, 17 in Gang setzen.
Weiterhin kann mit dem Trigger 19 berücksichtigt werden, dass ein
Lichtbogen unterbrochen werden kann.
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Der
Ausgang des Integrators 17 ist direkt mit einem Eingang
eines Fensterkomparators 20 verbunden. Der Ausgang des
Integrators 15 ist über
einen durch zwei Widerstände 21, 22 gebildeten
Spannungsteiler mit einem anderen Eingang des Fensterkomparators 20 verbunden.
Wenn die an diesen beiden Eingängen
anliegenden Signale in einem vergleichbaren Bereich liegen, kann
der Fensterkomparator 20 die Abschaltung des zu überwachenden Stromkreises
veranlassen.
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Die
Größe der Widerstände 21, 22 sowie
deren Verhältnis
zueinander können
so gewählt
werden, dass typische Lichtbögen
vergleichsweise fehlerfrei erkannt werden können. Es zeigt sich, dass die hochfrequenten
Anteile und die Gleichanteile von Lichtbögen in bestimmten Verhältnissen
zueinander stehen, die abhängig
sind von der Größe des Gleichanteils.
Durch die vorgenannte geeignete Wahl der Widerstände 21, 22 kann
somit eine zuverlässige
Erkennung von Lichtbögen
ermöglicht
werden. Die Widerstände 21, 22 können auch
durch Elemente ersetzt werden, mit denen eine nichtlineare Kennlinie erzeugt
wird.