DE1763346C3 - Schaltungsanordnung zur Überlastungssicherung für elektronische Relaisanordnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Überlastungssicherung für elektronische Relaisanordnungen mit ferromagneiiseher Übertragerkopplung.

Elektronische Relaisanordnungen enthalten beispielsweise zur galvanischen Trennung zwischen Ein- und Alisgangskreisen als Koppelelemente Übertrager aus fcrromagnetischen Werkstoffen. Dabei ist der maximal zulässige Ausgangsstrom eine Funktion der übertragbaren Leistung. Bei wechselnder Ausgangsbelastung oder bei Temperaturschwankungcn besteht die Gefahr, daß die Ausgangoschaltcr der elektronischen Relaisanordnungen durch Überstrom oder durch thermische Überlastung zerstört werden.

Es ist bekannt, daß sämtliche ferromagnetische^ Werkstoffe oberhalb einer bestimmten Temperatur, die als sogenannte Curie-Temperatur bezeichnet wird, die sie kennzeichnende hohe Permeabilität innerhalb eines kleinen Temperaturbereiches, d. h. praktisch plötzlich, verlieren.

Diese Eigenschaften ferromagnetische Werkstoffe werden für den Überstromschutz elektrischer Maschinen ausgenützt. In einer bekannten Anordnung zum Überstromschutz dient ein aus solchem Material gebildetes vom Überwachungsstrom durchtlosscncs Organ als feststehender Anker eines Magnetsysteins. Bei Überschreitung des als Curie-Temperatur bezeichneten Temperaturwertes wird durch Abfall eines beweglichen Kernes des Magnetsystems ein Auslösemechanismus betätigt (deutsche Patentschrift 959 475).

Eine solche Anordnung arbeitet als einfacher Schalter. Als Überlastungssicherung für elektronische Relaisanordnungen ist sie jedoch nicht geeignet, da bereits unmittelbar nach Erreichen des kritischen Temperaturwertes die Abschaltung erfolgt. Um die über Relaisanordnungen weiterzugebenden Informationen, beispielsweise die Schrittfolgen von Telegrafiezeichen nicht unverhältnismäßig oft zu unterbrechen, ist eine Anordnung erforderlich, die bei kurzzeitiger Überlastung wirkungslos wird, die jedoch bei längerer Überlastung anspricht und die Verlustleistung der Ausgangsschalter der Relaisanordnung auf einen zulässigen Wert begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

ίο Schaltungsanordnung zu schaffen, die diese Forderungen erfüllt und die somit als Sicherung gegen elektrische und thermische Überlastungen für elektronische Relaisanordnungen geeignet ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis der elektronischen Relaisanordnung ein vom Ausgangsstrom durchfiossener Strommeßwiderstand vorhanden ist, dessen Erwärmung über eine thermische Kopplung als thermische Regelgröße für die magnetischen Eigenschaften der Übertrager wirkt iind daß die thermischen Werte des Strommeflwiderstandes (Wärmewiderstand, Wärmekapazität) und des oder der übertrager (Wärmewidersland, Wärmekapazität) derart bemessen sind, daß die Zeilkonstante für die Erwärmung bzw. Abkühlung des Stronimeßwiders'andes größer ist als die des Übertragers.

Da die Erwärmung des Strommeßwidersiandes sowohl durch den ihn durchfließenden S'rom als aber auch durch die Umgebungstemperatur bestimmt ist, schützt die Anordnung nach der Erfindung die Ausgangsschaltung auch abhängig von der Umgebungstemperatur. Da die Curie-Temperatur konstant uno nur vom Material abhängig ist, wird der für die Erwärmung des Übertragers nötige Ausgangsstrom mit zunehmender Umgebungstemperatur kleiner. Somit wird auch die Verlustleistung in. der Ausgangsschaltung kleiner, so daß sich im Ü'ierlastungsfall eine von der Umgebungstemperatur nahezu unabhängige Temperatur der Bauelemente in der Ausgangsschaltung ergibt.

Weitere Erläuterungen der Erfindung werden im folgenden an Hand der F i g. 1, 2 und 3 gegeben: Fs zeigt

F i g. 1 das Prinzip einer thermischen Kopplung.

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Temperatur und der Leistung in Abhängigkeit von der Zeit,

F i g. 3 ..in praktisches Schaltbeispiel für cl.ie elektronische Relaisanordnung, bei der die galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangskreis mittels Übertrauer erreicht ist.

Zur Erläuterung des crfindungsgemäßen Prinzips wird als erstes auf die F i g. 1 hingewiesen. Dort ist das Ersatzschaltbild für eine thermische Kopplung dargestellt. Das ferromagnetische Bauteil ist in diesem Fall ein Magnetkern K. Mit /V ist die einströmende Leistung, die in diesem Faüc :■'> Wärmeleistung in Erscheinung tritt, bezeichnet. Die thermischen Werte eines Strommeßwiderstandes RM sind durch seipe Wärmekapazität CR und durch seinen Wärmewiderstand RRL zwischen Widerstand und umgebender Luft symbolisiert. Die an ihm herrschende Temperatur ist mit üR bezeichnet. Die thermischen Werte des Magnetkerns K sind in ähnlicher Weise durch die Wärmekapazität CK und den Wärmewiderstand RKL zwischen Kern und umgebender Luft symbolisiert. Die an ihm herrschende Temperatur ist mit $K bezeichnet. Einem Wärmeaustausch zwischen dem Strom-

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meßwiderstand und dem Magnetkern wirkt der Wärmewiderstand RRK entgegen. Dieser Zweig des Ersatzschaltbildes symbolisiert demnach die thermische Kopplung zwischen Magnetkern und Strommeßwiderstand.

Die Steuerwirkung einer in einem Strommeßwidcrstand gebildeten und über die thermische Rückkopplung auf den Kern einwirkenden Steuergröße zeigt die F i g. 2. Doii sind in einer ersten Zeile die Temperaturen des Kernes HK (durchgezogene Linie) und des Strommeßwiderstandes Oft (gestrichelte Linie) als Funktion der Zeit dargestellt. Eine strichpunktierte Linie gibt den Wert der Curie-Temperatur OC des betreffenden magnetischen Werkstoffes, aus dem der Magnetkern besteht, an. In einer zweiten Zeile ist die den Strommeßwiderstand erwärmende Leistung /V ebenfalls als Funktion der Zeit dargestellt. Es sei angenommen, daß bis zum Zeitpunkt lO die Funktionen normal verlaufen, d. h. keine unzulässig hohe Leistung auftritt. Ein zu diesem Zeitpunkt einsetzender plöizHcher Leistungsanstieg bedingt eine Erhöhung der Widerstandstemperalur i\R (erste Zeile der F i g. 2). Die thermischen Größen des Strommeßwiderstandes und der thermischen Kopplung sind dabei so gewählt, daß die Temperatur des Strommeßwiderstandes steiler ansteigt als die des Magnetkernes. Dadurch ergibt sich die in F i g. 2 mit tan bezeichnete »Verzögerungszeitc für den Regelvorgang. Durch die Verwendung eines Heißleiters als Strommeßwiderstand kann dieser Temperaturanstieg noch steiler gemacht werden. Zum Zeitpunkt / 1 erreicht die Temperatur i)K des Magnetkernes dessen Curie-Temperatur OC, d. h., der Magnetkern verliert seine Permeabilität. Der Stromfluß wird Null, d. h. die Leistung N geht ebenfalls auf den Wert Null zurück. Die sich daran anschließende Abkühlung des Strommeßwiderstandes und des Magnetkernes führt zum Zeitpunkt i 2 dazu, daß infolge der höheren Wärmekapazität des Magnetkernes eine Umkehr des WärmeHusses eintritt. Zum Zeitpunkt / 3 erreicht der Magnetkern wiederum die Curie-Temperatur, während die Temperatur des Strommeßwiderstandes tiefer liegt. Nach Unterschreiten der Curie-Temperatur erhält der Magneikern seine magnetischen Eigenschaften wieder, so daß der Stromfluß erneut einsetzt. Infolgedessen steigt die Temperatur ü/? des Strommeßwiderstandes erneut an. Wenn zum Zeitpunkt / 4 der Magnetkern und der Stronimeßwiderstand wiederum gleiche Temperatur besitzen, beginnt auch die Tempcratui des Kernes erneut zu steigen, erreicht zum Zeitpunkt / 5 erneut den Curie-Punkt, so daß der Strom· fluß erneut unterbrochen wird und der Vorgang sich wiederum wiederholt. Man erkennt an Hand der F i g. 2 deutlich, daß sowohl zum Zeitpunkt r 2 als auch zum Zeitpunkt/4 Magnetkern und Widerstand jeweils gleiche Temperatur aufweisen. Im ersten Fall liegt diese Temperatur jedoch über, im zweiten Fall unterhalb des Curie-Punktes. Durch die thermische Kopplung zwischen Strommeßwiderstand und Magnetkern entsteht also eine periodische Abfrage des Ausgangsstromes. Die Abfragefrequenz ist bei konstantem Ausgangsstrom abhängig von den thermischen Größen, die entsprechend der Darstellungsweise in F i g. 1 auch

ίο als thermische Zeitkonstanten bezeichnet werden können. Wählt man demnach die zwischen dem Strommeßwiderstand und dem Magnetkern vorhandene thermische Kopplung durch den Wärmewiderstand RRK, die thermischen Werte des Strommeßwiderstandes, nämlich Wärmewiderstand RRL und Wärmekapazität CR, sowie die des Magnetkernes, nämlich dessen Wärmewiderstand RKL und dessen Wärmekapazität CK günstig, so kann man bei niedriger Verlustleistung oder Ausgangsschaltung eine kurze 3Kikkierungszeit nach Beenden e.^; -er Überlastung erhalten. Dadurch, daß die Temperatur des Strommeßwiderstandes auch abhängig von der Umgebungstemperatur ist, wird vorteilhafter Weise der für die Erwärmung des Magnetkernes nötige Ausgangsstrom mit zunelimender Umgebungstemperatur kleiner, was gleichzeitig eine Verringerung der Verlustleistung bedeutet. An Hand der F i g. 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 erfindungsgemäßen Anordnung, daß bei allen Überlastungen, die unterhalb des Ansprechwertes 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 Fig. 3. Dort ist eine den Magnetkern K enthaltende elektronische Relaisanordnung RA dargestellt, in deren Ausgangskreis der von Strom IA durchflogen.: Strommeßwiderstand RM geschaltet ist. Die in der F i g. 1 als Wärmewiderstand RRK symbolisierte thermische Rückkopplung ist hier lediglich durch eine schraffierte Linie angedeutet worden. Der Sirommeßwiderstand kann beispielsweise aus einer bifilar gewickeltcn Widerstandswickliing auf dem Magnetkern selbst bestehen. Bei einer anderen elektronischen Relaisanordnung, die nach dem Moduhitionsprinzip arbeitet, können mittels einer WiJerstandswicklung die Modulatorübertrager über den Curie-Punkt erwärmt und die Ausgangstram,istorcn hierdurch gesperrt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Überlastungssicherung für elektronische Relaisanordnungen mit ferromagneiischer Übertragerkopplung, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis der elektronischen Relaisanordnung ein vom Ausgangsstrom durchflüssener Strommeßwiderstand (RM) vorhanden ist, dessen Erwärmung über eine thermische Kopplung (Wärmewiderstand RRK) als thermische Regelgröße für die magnetischen Eigenschaften der Übertrager (Magnetkern K) wirkt und daß die thermischen Werte des Strommeßwiderstandes (Wärmewiderstaind RRL, Wärmekapazität CA) und des oder der Übertrager (Wärmewiderstand RKL, Wärmekapazität CK) derart bemessen sind, daß die Zeitkonstante tür die Erwärmung bzw. Abkühlung des StroimwJerstandes [RM) größer ist als die des Übertrager* (Magnetkern K).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßwiderstand (RM) als Widerstandswicklung auf dem die Steuerenergie übertragend c-n ferromagnetische!! Bauteil (Magnetkern K) ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßwiderstanci (RM) ein Heißleiter ist.