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Schaltungsanordnung zur Strom- und Spannungsüberwachung in elektrischen
Stromkreisen Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungseinrichtung mit einer
Schwellwertschaltung zur Überwachung vorbestimmter Spannungs- bzw. Stromsollwerte
in elektrischen Stromkreisen. Insbesondere werden solche Überwachungseinrichtungen
in Netzgeräten für elektronische Anlagen als elektronische Sicherungen benötigt.
Oft werden z. B. mehrere Netzgeräte parallel geschaltet, um einen bestimmten Verbraucherstrom
zu erzeugen. Bei Ausfall eines oder mehrerer dieser Geräte würde eine Überlastung
der verbleibenden betriebsfähigen erfolgen. Die elektronische Sicherung zum Überlastungsschutz
muß wegen der Bestückung der Geräte mit empfindlichen Schaltelementen sehr genau
und relativ trägheitslos funktionieren.
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In bekannten Überwachungseinrichtungen werden bistabile Kippschaltungen
mit zwei oder mehreren Transistoren als elektronische Sicherungen verwendet, die
infolge der Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung u. a. der verwendeten
Transistoren keine temperaturstabilen Schwellen haben. Es ist weiter bekannt, in
einer solchen Schaltung mit Kippverhalten, bei der ein mit seiner gesteuerten Strecke
im Laststromkreis liegender Transistor durch einen Steuertransistor ein- oder ausgeschaltet
wird, den Steuertransistor in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an einem vom
Laststrom durchflossenen Widerstand über einen Spannungsteiler zu steuern, der unter
Benutzung der Durchbruchspannung einer Zenerdiode eine Spannungsschwelle setzt,
oberhalb der der Steuertransistor zur Sperrung des erstgenannten Transistors anspricht.
Wird die Spannungsschwelle unterschritten, so wird der laststromführende Transistor
wieder leitend.
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In neuerer Zeit sind Schwellwertschaltungen bekanntgeworden, in denen
eine Tunneldiode als bistabiles Element in Serie mit einem Widerstand angeordnet
ist. Eine Tunneldiode hat zufolge ihrer bekannten Kennlinie außer einem Bereich
negativen Widerstandes dabei einen stabilen Bereich relativ kleinen und einen stabilen
Bereich relativ großen Widerstandes. Eine Spannung, die an die Serienanordnung von
Widerstand und Tunneldiode gelegt wird, fällt bei Über- bzw. Unterschreitung bestimmter
Schwellwerte entweder zum größeren Teil an dem Serienwiderstand oder an der Tunneldiode
ab. Die Spannung an der Tunneldiode dient zur Steuerung weiterer Schaltelemente.
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Unter Benutzung des Umstands, daß ein Arbeitspunkt im niederohmigen
stabilen Bereich der Stromspannungskennlinie einer Tunneldiode annähernd temperaturunabhängig
ist, und ferner, daß es möglich ist, durch Zuführung eines Grundstromes in Flußrichtung
die Tunneldiode nach dem Kippen in den hochohmigen Zustand in diesem Zustand festzuhalten,
schafft die Erfindung eine Überwachungsschaltung, die schnell arbeitet, temperaturunempfindlich
ist und bei Sollwertüberschreitungen als Sicherung eine bleibende Abschaltung bzw.
eine bleibende Anzeige herbeiführt, die durch Handbetätigung wiederaufgehoben werden
kann.
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Die Überwachungsschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß eine Schwellwertschaltung aus der Serienschaltung einer Tunneldiode mit einem
Widerstand derart parallel an einen vom zu überwachenden Strom durchflossenen Widerstand
angeschlossen ist, daß die Anode der Tunneldiode mit dem positiveren Anschluß dieses
Widerstandes verbunden ist, daß die Tunneldiode über einen Widerstand in Flußrichtung
an eine Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines Haltestromes angeschlossen ist,
daß parallel zur Tunneldiode ein Kurzschlußschalter vorzugsweise in Reihe mit der
Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes liegt und daß weiterhin
ein Schalttransistor vorgesehen ist, dessen Basis über einen Widerstand mit der
Kathode der Tunneldiode verbunden ist, dessen Emitter sowohl über einen Widerstand
mit der Anode der Tunneldiode als auch über einen Widerstand mit dem negativen Anschluß
des vom zu überwachenden Strom durchflossenen Widerstandes verbunden ist und über
dessen Kollektor-Emitter-Kreis Anzeigevorrichtungen bzw. Regelorgane angesteuert
werden. Weitere hierbei nützliche Schaltungsmaßnahmen werden im Zusammenhang mit
den Figuren erläutert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll an Hand der Fig. 1 bis
3 erläutert werden. Dabei zeigt
Fig. 1 das bekannte Prinzip einer
Schwellwertschaltung mit einer Tunneldiode und Fig. 2 den zugehörigen Stromspannungsverlauf
an der Tunneldiode; in Fig. 3 ist eine Überwachungseinrichtung gemäß der Erfindung
und ihre Anwendung auf ein spannungsstabilisiertes Netzgerät dargestellt.
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Nach Fig. 1 wird an die Eingangsspannung Ui die Serienschaltung eines
Widerstandes R2 mit der Tunneldiode D, angeschlossen. Die Tunneldiode ist in Flußrichtung
gepolt, d. h. mit der Anode an den positiveren Anschluß der Eingangsspannung gelegt.
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Die Stromspannungsverhältnisse der Schaltung nach Fig. 1 sind in Fig.
2 für verschiedene Werte der Eingangsspannung U, und einen festen Wert des Widerstandes
R2 dargestellt. Es gelten die Beziehungen UD +IDR2 = U, und U,
= I R,. Der Widerstand R2 ist so gewählt, daß die Widerstandsgerade bei einer
Eingangsspannung Ui zwei stabile Arbeitspunkte A und B festlegt. Im
Punkt A ist die Tunneldiode niederohmig und im Punkt B hochohmig. Überschreitet
die Eingangsspannung U, einen Wert U,", so daß die Spannung an der Tunneldiode größer
als ein Spannungswert UN, wird, kippt die Diode in den hochohmigen Zustand B': Die
Schaltung wird durch eine unter den Spannungswert U,"' abnehmende Eingangsspannung
U, (Unterschreitung der Spannung UN2 an der Tunneldiode) in den niederohmigen Ausgangszustand
übergeführt, der beispielsweise durch den Arbeitspunkt A" gekennzeichnet ist. Die
Spannungen UN, und UN, schließen den negativen Widerstandsbereich
der Tunneldiodenkennlinie ein, in dem der Betrag des Widerstandes der Tunneldiode
kleiner als der Außenwiderstand Rz ist.
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Fig. 3 stelle eine Überwachungseinrichtung gemäß der Erfindung dar.
Als spezielles Ausführungsbeispiel ; wurde die Anwendung auf ein spannungsstabilisiertes
Netzgerät gewählt. Das Netzgerät ist in den gestrichelt eingerahmten Bereichen 1
und 2 enthalten, die Überwachungseinrichtung in dem Bereich 3.
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Die Schwellwertschaltung besteht aus der Serien-Schaltung der Tunneldiode
D, und dem Widerstand R2. Die Anode der Tunneldiode D, ist über den Widerstand RS
mit dem Emitter des Schalttransistors Ts und die Kathode über den Widerstand R4
mit der Basis dieses Transistors verbunden. Außerdem ist der Emitter des Transistors
Ts über einen Widerstand Re mit dem der Diode D, abgewandten Anschluß des Widerstandes
R2 verbunden. Parallel zur Tunneldiode Dl liegt erstens eine Taste S in Reihe mit
der Parallelschaltung des Widerstandes R9 mit dem Kondensator C2 sowie zweitens
der Kondensator C,. Die Kathode der Tunneldiode D, ist außerdem über den Widerstand
R3 mit dem negativen Pol und die Anode der Tunneldiode mit dem positiven Pol einer
Batterie U3 verbunden. Gemäß der Erfindung liegt die Serienschaltung aus R2 und
Dl (Schwellwertschaltung) parallel zu einem Widerstand R,, der vom zu überwachenden
Strom durchflossen wird. Dabei ist die Anode der Tunneldiode D, mit dem positiveren
Anschluß des Widerstandes R, verbunden. Der Kollektor des Transistors Ts ist an
einem Punkt P
eines elektrischen Stromkreises, beispielsweise des Netzgerätes
1, 2, geführt, von dem aus regelnd in den Stromkreis eingegriffen wird.
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Die an R, abfallende Spannung bildet die Eingangsspannung U, für die
Überwachungseinrichtung 3. Sie liegt einmal an der Serienschaltung von Widerstand
R2 und Tunneldiode D, und gleichzeitig an den Widerständen RS und Re, die als Spannungsteiler
wirken und den Emitter negativ gegenüber der Basis des Schalttransistors vorspannen,
wenn sich die Tunneldiode in dem Zustand kleinen Widerstandes befindet. Der Transistor
Ts ist also gesperrt, wenn die Tunneldiode gut leitet. Kippt die Tunneldiode in
ihren hochohmigen Zustand, bei entsprechender Änderung der Eingangsspannung, dann
ändern sich die Spannungsverhältnisse für den Transistor Ts derart, daß er bis zur
Sättigung leitend wird. Der Basiswiderstand R4 dient zur Begrenzung des Basisstromes
und zur sicheren Aufrechterhaltung des hochohmigen Schaltzustandes der Tunneldiode
D,: Über den Widerstand R3 und die Batterie U, erhält die Tunneldiode einen Haltestrom
IH in Flußrichtung, Die Kennlinie für den Haltestrom ist in Fig. 2 strichpunktiert
eingezeichnet. Sie legt die Arbeitspunkte A" und B" fest. Dieser Strom hat zur Folge,
daß die Tunneldiode nach dem Kippen in den hochohmigen Zustand (Fig. 2, B") in diesem
Zustand verbleibt, wenn die Eingangsspannung U, = I R, auf Null zurückgeht.
Mit dem Haltestrom läßt sich auch die Höhe der Strom- bzw: Spannungsschwelle ändern,
bei der der Kippvorgang der Tunneldiode vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand
erfolgt, weil in diesem Falle eine geringere Eingangsspannung [ Ui
= U,, ' - U(A") ; s. Fig: 2] nötig ist, um in der Diode den bis zur Überschreitung
des Kennlinenpunktes S' erforderlichen Strom Izv, - IH zu erzeugen.
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Der Kondensator C, verhindert, daß die Schaltung auf kurzzeitige Störimpulse
(etwa T < 0, lms) anspricht: Die gleiche Wirkung erzielt man, wenn man statt
des Kondensators C,, die in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnete Induktivität in Reihe
mit der Diode D, anordnet. Um die Schwellwertschaltung R2, D; in der Überwachungseinrichtung
3 wieder in ihren Ausgangszustand zu versetzen, ist die Taste
S in Serie
mit der Parallelschaltung des Kondensators C2 zum Widerstand R9 vorgesehen. Bei
Betätigung der Taste wird die Spannung UD der Tunneldiode über den Kondensator C2
kurzzeitig kurzgeschlossen. Der Widerstand R9 dient der Entladung des Kondensators.
Prinzipiell würde eindirekter Kurz schl ußüber di e Taste Sohne den Kondensator
C2 die gleiche Wirkung haben. Falls jedoch beispielsweise ein fortdauernder KurzschluB
einer an das Gerät
1, 2 angeschlossenen elektronischen Anlage die Überwachungseinrichtung
zum Ansprechen bringt; würde bei längerem Kurzschließen der Tunneldiode eine Überlastung
des zu überwachenden Stromkreises im Gerät 1, 2 stattfinden.
| Der gestrichelte umrandete Teil 1 des in Fig. 3 als |
| Beispiel dargestellten Netzgerätes enthält einen Trans- |
| formator mit nachfolgendem Gleichrichter, der Teil 2 |
| enthält eine bekannte Form der Spannungsstabilisie- |
| rung. Der negative Ausgang des Gleichrichters ist über |
| die Kollektor-Emitter-Strecke des Serientransistors T,, |
| den vom zu überwachenden Strom I durchflossenen |
| Widerstand R, und einen an die stabilisierte Spannung |
| U2 angeschlossene Ausgangslast Y mit dem positiven |
| Ausgang verbunden. Die Basis des Transistors Tl ist |
| über den Strombegrenzungswiderstand R7 mit dem |
| negativen Anschluß des Gleichrichters und zeit dem |
| Kollektoranschluß P eines Transistors T2 verbunden. |
| Der Transistor T2, der als Verstärkerstufe wirkt, wird |
| an seiner Basis von einem am Potentiometer Ra abge- |
| griffenen Teil der Ausgangsspannung U2 angesteuert. |
| Sein Emitter ist über die Zenerdiode D2 mit dem posi- |
| tiven Anschluß des Gleichrichters verbunden. Die |
| Diode DZ hält das Emitterpotential des Transistors T2 |
| auf einem gegenüber dem positiven Potential des eut |
sprechenden Anschlusses des Spannungsteilerwiderstandes R$ konstant.
Der Transistor TZ steuert den Strom, der durch die Emitter-Kollektor-Strecke des
Transistors T, fließt, über den Anschluß P derart, daß bei einem Anstieg der Ausgangsspannung
U, der Transistor T, mehr gesperrt wird und im umgekehrten Falle der Transistor
T, weniger gesperrt wird.
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Der am Kollektor des Transistors Ts entstehende Spannungssprung wird
dem Punkt P des spannungsstabilisierten Netzgerätes 1, 2 zugeführt. Bei erhöhtem
Stromfluß durch die Ausgangslast V, etwa infolge eines Kurzschlusses, spricht die
Überwachungseinrichtung 3 an, und der Transistor Ts wird leitend. Der Transistor
T, dagegen wird bis auf einen kleinen Reststrom gesperrt, da die Spannung zwischen
Basis und Emitter dieses Transistors über den leitenden Transistor Ts stark herabgesetzt
wird. Die stabilisierte Ausgangsspannung UZ wird bis auf den durch den Reststrom
verursachten Spannungsabfall abgeschaltet, falls nicht ein stationärer Kurzschluß
im Verbraucher Y" vorliegt. Das Netzgerät 1, 2 wird somit vor Überlastung geschützt.
Die Stromüberwachung ist also gleichzeitig mit einer Spannungsabschaltung über die
Spannungsregelorgane verbunden. Ein fortdauernder Kurzschluß der Ausgangsspannung
U2 führt ebenfalls zu keiner Überlastung des Netzgerätes, weil trotz des Fortfalls
der zur Aufrechterhaltung des hochohmigen Zustandes der Tunneldiode D, nötigen Eingangsspannung
U, die Schwellwertschaltung D,, R2 infolge des Haltestromkreises U3, R3, D, in ihrem
einmal beim Umschalten angenommenen Zustand verbleibt.
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Die in dem dargestellten Beispiel angeführten pnp-Transistoren können
selbstverständlich ganz oder teilweise durch solche des npn-Leittyps ersetzt werden.
Ebenfalls ist eine entsprechende Schaltung mit Röhren u. a. möglich.