DE1763346A1 - UEberlastungssicherung fuer elektronische Relaisanordnungen - Google Patents

Description

• Ü@n .1:@tun@;:@icllerun für elektronische Relaisanördxiun en

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  .Die Erfindung be-ieht :.sich auf eine Schaltungsanordnung für

  eine 2i#1Lsttätige Überlastungssicherung elektronischer Schal-

  @, unG en.

  Als elektronische Schaltungen sind it:i folgenden neben elek"

  #roiii:c?:en ächaltern auch elektronische Relaisanordnungen,

  analog arbeitende Verstärker oder ähnliche Einrichtungen zu verstehen. Solche Schaltungen können z.B. zur galvanischen Trennung von Ein- und Ausgangskreisen Übertrager aus ferromagnetischen 'Jerkstoffen enthalten. Dabei ist der maximal zulässige Ausgangsstrom eine Funktion der übertragbaren Leistung. Hei Wechselnder Ausgangsbelastung oder bei Temperaturschwankungen besteht die Gefahr, daß die Ausgangsstrecken solcher elektronischen Schaltungen durch Überstrom oder durch thermische Überlastung zerstört werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlastungssicherung für solche elektronischen Schaltungen gegen Überstrom und thermische Überlastung zu schaffen. Dazu geht die Erfindung von dem bekannten Gedanken aus, daß sämtliche ferro-7:agnetischen ;'erkstoffe oberhalb einer bestimmten Temperatur, die als Curie-funkt bezeichnet wird, die sie kennzeichnende hohe Permeabilität innerhalb eines kleinen Temperaturbereiches, d.Ii. praktisch plötzlich, verlieren. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ir.- Ausgangskreis der elektronischen Schaltung ein Strommeßwiderstand vorhanden ist, dessen Ereärmung über eine thermische Kopplung als thermische Regelgröße für die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetisehen Bauteile wirkt.
• Dabei ist es ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß die Erwärmung des Strommeßvriderstandes sowohl durch den ihn durchfließenden Strom als aber auch durch die Umgebungstemperatur bestimmt ist. Die Sicherung schützt daher die Ausgangsschaltung auch abhängig von der Umgebungsternperatur. Da die Curie-Temperatur konstant und nur vom T:aterial abhängig ist, wird der für die Erwärmung des ferromagnetischen Hauteils nötige Ausgangs-

  atL:om t@it zunehmender Umgebungstemperatur kleiner.

  3 o -äird auch die Verlustleistung in der Ausgangß-

  gi i

  .3chaltung Kleiner, so daß sich im Uberlastuligsrall

  eine von der Umgebungstemperatur nahezu unabhängige

  TemDeratur der Bauelenente in der Ausgangsschaltung

  ergibt. '

  .;ei-tere ürläuterungeii der Erfindung Nerden in folgenden

  anhand 'der Figuren 1, 2, > und 4. gegeben. Dabei zeigt:

  Dir. 1 das Prinzip einer thermischen Kopplung,

  -,ig. 2 eine graphische Darstellung des Ver-

  laufs der Temperatur und der Leistung

  in Abhängigkei t von der Zeit,

  fig. 3 ein praktisches Schaltbeispiel für eine

  ele@@tröiische l-:c:laisanordiiu:ig, bei der

  die galvanische Trennung z#aischen Ein--

  - ünd Ausgangsä,--reis mittels Übertrager

  erreieht ist, -

  r ig. 4 - schließlich eine;eiere vorteilhafte

  Ausgestaltung der Erfindung.

  Zurhliutey°u@g des erfindungsgemäßen Prinzips wird als

  @,Y:,:tes auf die#iöu1 hingeViiesen. Dort ist das Ersatz--

  ue__:xl ibila für eine t:errische Kopplung dargestellt.

  Das- 'erromf:g=etiäche Bauteil ist izdiesem fall ein

  Il:agne tkern :K. Mit %I ist die eiristrd<<äende Leistung, die

  in diesem Fnlle alsrärr.!eci s tung in Erscheinung tritt,

  tozeichnet. Die thernischen ;('orte eines Strommeßwider-

  standen RM sind durch seine Wärmekäpazität CR und durch seinen Wärmewiderstand RRL zwischen Widerstand und umgebender Luft symbolisiert. Die an ihm herrschende Temperatur ist mit eR bezeichnet. Die thermischen Werte des Magnetkerns K sind in ähnlicher 'Meise durch die Wärmekapazität CK und den Wärmewiderstand RKL zwischen Kern und umgebender Luft symbolisiert. Die an ihm herrschende Temperatur ist mit IK bezeichnet. Einem Wärmeaustausch zwischen der ü trommeßwiderstand und dem Magnetkern wirkt der Wärmewiderstand RRK entgegen. Dieser Zweig des Ersatz-Schaltbildes symbolisiert demnach die thermische Kopplung zwischen Magnetkern und Strommeßwiderstand.
• Die Steuerwirkung einer in einem Strommeßwiderstand gebildeten und über die thermische Rückkopplung auf den Kern einwirkenden Steuergröße zeigt die Figur 2. Dort sind in einer ersten Zeile die Temperaturen des Kernes IK (durchgezogene Linie) und des Strommeßwiderstandeo IR (gestrichea_--te Linie) als Funktion der Zeit dargestellt. Eine strichpunktierte Linie gibt den Wort der Curie-Temperatur wN des betreffenden magnetischen Werkstoffes, aus dem der Magnetkern besteht, an. In einer zweiten Zeile ist die den Strommeßwiderstand erwärmende Leistung h1 ebenfalls als Funktion der Zeit dargestellt. Es sei angenommen, daß bis zum Zeitpunkt t0 die Funktionen normal verlaufen, d.h. keile unzulässig hohe Leistung auftritt. Ein zu diesem Zeitpunkt einsetzender plötzlicher Leistungsanstieg bedingt eine Erhöhung, der Widerstandstemperatur M (erste Zeile der Figur 2). Die thermischen Größen des ätrommeßwiderstanden und der thermischen Kopplung sind dabei so gewähl t, daß die Temperatur des Strommeßwiderstandes steiler ansteigt als die des Magnetkernes. Dadurch ergibt sich die in :Figur 2 mit tän bezeichnete "Verzögerungszeit"

  für den Regelvorgang. Durch die Verwendung eines Heiß-

  leiters als S±rommeßwiderätand kann dieser Temperaturan-

  stieg noch steiler gemacht werden. Zum Zeitpunkt t1 er-

  reicht die Terperatur .f'ci des 1,=agne-Lkernes dessen Curie-

  Temperatur 'C, d.h., der Magnetkern verliert seine Per-

  meabilität. Der Stromfluß wird Null, d.h. die Leistung rd

  geht ebenfalls auf den Y'ier t Null zurück.- Die sich daran

  ,anschließende Abkühlung des Strommeßwiderstandes und des

  i,agnetlterne ä führt zum Zeitpunkt t2 dazu, daß infolge der

  höheren z'ärhek@:pazität des Magnetkernes eine Umkehr des

  "Wärmeflusses eintritt. Zum Zeitpunkt t3 erreicht der

  r=ägne-tkern wiederum die Curie-Temperatur, während die Teni-

  peratür deo StrommeßWiderständes tiefer liegt. Nach Unter-

  schreiten der Curie-Temperatur erhält der @'Iagnetkern s"ine

  magi:eti@Tchen Eigenschaften wieder, so daß der Stromfluß

  erneut einsetzt. Infolgedessen steigt die Temperatur nji?

  des S trömmeßwiderstandes erneut an o "Penn zum Zeitpunkt t4

  der 1agnetkorn und der Strörrmeßwders tand wiederum gleiche

  ='cr::peratur besitzen, beginnt auch die Temperatur des Ker-

  nes erneuet zu steigen, erreicht zum Zeitpunkt t5 erneut

  den Curie-Punkt, so daß der Stromfluß erneut unterbrochen

  wird und der .torgang sich wiederum wiederholt. Man erkennt

  anhand der Figur 2 deutlich, daß sowohl zum Zeitpunkt t2

  al s auch zum Zeitpunkt t4 Magnetkern und Wiederstand je-

  weis gleiche Temperatur aufweisen. Im ersten fall liegt

  diese Temperatur jedoch über, im zweiten Fall unterhalb

  des Gui-ie-Punktes ö Durch die thermische -Kopplung zwischen

  Strommeß"@iderstand und Magnetkern entsteht also eine

  periodische Abfrage des Auegang:.stromeso Die Abfragefre-

  auenz ist bei konstanteriii Ausgangsstrom abhängig von den

  thermioehen Größen, die entsprechend der Darstellungs- -

  weise in Figur 1 auch als thermische Zeitkonstanten be-

  zeichnet werden können. @`v'ählt man demnach die zwischen dem

  Strommeßwiderstand und dem Magnetkern vorhandene thermische Kopplung RRK, die thermischen Werte des Strommeßwiderstandeo, nämlich Wärmewiderstand RRL und Wärmekapazität CR, sowie die des Magnetkernes, nämlich dessen Wärmewiderstand RKZ und dessen Wärmekapazität CK günstig, so kann man bei niedriger Verlustleistung oder Ausgangsschaltung eine kurze Blockierungszeit nach Beenden einer Überlastung erhalten.
• Dadurch, daß die Temperatur des Strommeßwiderstandes auch abhängig von der Umgebungstemperatur ist, wird vorteilhafter ;leise der für die Erwärmung des Magnetkernes nötige Ausgangsstrom mit zunehmender Umgebungstemperatur kleiner, was gleichzeitig eine Verringerung der Verlustleistung bedeutet. Anhand der Figur 2 erkennt man,_daß der Ansprechwert der Überlastungssicherung durch das Produkt aus fließendem Überstrom und Zeitdauer der Überlastung bestimmt ist. Dabei ist es ein besonderer Vorteil der erfindungsger:äßen Anordnung, daß bei allen Überlastungen, die unterhalb des Ancprechwertes der Überlastungssicherung liegen, die normale Arbeitsweise der elektronischen Schaltung nicht beeinflußt wird und daß nach Beenden .einer Überlastung und Abkühlen des Kernes auf eine Temperatur unterhalb des Curie-Punktes die Sicherung selbsttätig in den eingeschalteten Zustand zurückkehrt.
• Ein praktisches Ausführungsbeispiel zeigt die Figur 3. Dort ist eine den Magnetkern K enthaltende elektronische Relaisanordnung RA dargestellt, in deren Ausgangskreis der von Strom IA durchflossene Strommeß:°riderstand R.M geschaltet ist. Die in der Figur i als Wärmewiderstand RRK symbolisierte thermische Rückkopplung ist hier lediglich durch eine schraffierte Linie angedeutet worden. Der

  Strommeßwi derstand kann beispiels;,ieise aus einer biflar

  tiderständs-#rieklung auf dem V2agnetkern selbst

  e:@tcherz. Bei einer anderen elektronischen Relaisanord-

  nung, die nach dem Modulatorprinzip arbeitet, können

  @:attel einer 1'r'i derstandswiclrlung die ModulatorUbertrager

  über den Curic-Punkt er:rärnt und die Ausgang s:-transistoren

  hierdurch gesperrt -irerQen.

  Ir-: :fahren der Erfindung ist es auch möglich, die eher-

  I sehe Koplilung zurl Steuerkreis einer Relaisanordnung zu-

  rückzuführen. In einen solchen Fall ist es nicht erfor-

  derlich,-die --Regelung über die Beeinflussung des magne-

  -,.i,@c?:o=t @enkmteffes durehzurihren. Vielmehr kann bei-

  spi,_el @--cise im Steuerkreis ein sogenannter Heiß- bzwo

  Kaltleiter an ,geeigneter Stelle vorhanden sein. Figur 4a

  zeigt. eine solche Anordnung mit eine:: Heißleiter HZ,

  Figur 4b eine mit einer:: Kaltleiter KZ. Zn beiden Fällen

  ist der Strerine2;riderettnd wiederum mit R!Mbdzeichne to

  Seine '#L'e-reatur ist einerseits von dem ihn durchfließen-

  den Strom M, andererseits vor. der Umgebungstemperatur ab-

  @..ir:z;ig. @:ei.`?- bzw. Kaltleiter sind in diesem Beispiel

  fremdbeheizt. Dabei ist die Heizung dieser temperaturab-

  T:,'_1: g--g#e- i der stände durch die therriwcr#e Kopplung die

  in den Beispielen der i-igur 4a und 4b schraffiert ange-

  deutet ist, realisiert. hei zu: hohen Ausgangsströmen

  s=chließ t dem cißleiter EI, der Figur 4a: den Steuerkreis

  kurz, zehrend der Faltleiter Kh in Figur 4b den Eingangs-

  widerstand des Steuerkreises erhöht. In beiden Fällen

  *vir l`+ die _fi@i.stazdsv eränd-er urg regelnd auf die elek.-

  trcnische uela#.isanordnung.

Claims (1)

1. P ,a t e n t a n s p r ü c h e ----------------------------- 1. Schaltungsanordnung für eine selbsttätige Über-' lastungssieherung elektronischer Schaltungen mit ferromagnetischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in Ausgangskreis der elektronischen Schaltung ein S trommeßwiderstand (FTI) vorhanden ist, dessen Erwärmung über eine thermische Kopplung (RRK) als thermische Regelgröße für die magnetischen Eigen- schaften der ferromagnetischen Bauteile wirkt: 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1dadurch Bekenn- zeichnet, daß die zwischen dem Strommeßwiderstand (RII) und deri oder den ferromägneti schon Bautoden (K) vorhandene thermische Kopplung (RRh)die eher- mizcheii' Jerte des Strohmeßwiderstandeü ("ärme@@@ider- stand RFI:, :ämekapa.zität CR) und des oder der ferro- mc:gnetischen Bauteile (i`Tärme-#iiderstand RKZ, lärme- kapüzi tät CK) derart bemessen sind, daß der Beginn eines Regelvorganges, nach Überschreiten der Terpe- ratur am Stromr:eßwiderstaiid (PJf) um eine bestimmte Zeit (tan) verzögert ist: 3: Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, die Igr;ärmung des Strommeßwider- Stande s (PII) durch den ihn durch-fließenden Ström (IA) und/oder durch die Umgebungstemperatur be- stimmt ist. .: Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis >dadurch gekennzeichnet, daß der obere ;ert für den Beginn eines Regelvorganges durch die Curie-Temperatur (@G) de:i magnetischen Materials des oder der fe-rro- magnetischen Bauteile (K) bestimmt ist. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßrrideratänd (Rhfi) als Viderstandswicklung auf dem die Steuerenergie über- tragenden ferromagnetischen Bauteil (K) ausgebildet ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stronmeßvrderstand (RPZ) ein Beißleiter ist. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßwiderstand (RM) als Heizung für einen temperaturabhängigen Vider s Land dient. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn-- zeichnet, daß" der tempezaturabhängige Widerstand (R1,1) ein fremdbeheizter Kaltleiter (KZ) bzw. Heißleiter (HZ) ist. @. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet,- daß der Kaltleiter (KZ) bzw. Heiß- leiter (HZ) im Steuerkreis der elektronischen Relais- anordnung liegt.