DE19732766A1 - Spannungsversorgung für einen Sensor - Google Patents
Spannungsversorgung für einen SensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungsversor
gung eines Sensors aus Energiequellen mit geringer Energie
und Einrichtungen zur Benutzung des Verfahrens. In den nach
folgenden Ausführungen wird als Beispiel für einen Sensor
das Geiger-Müller-Zählrohr zum Detektieren radioaktiver
Strahlung unterstellt. Es wird jedoch darauf hingewiesen,
daß die Erfindung nicht auf Sensoren beschränkt ist, son
dern beispielsweise auch zur Spannungsversorgung von ande
ren Verbrauchern dienen kann, insbesondere wenn diese nur
einen sehr geringen Stromverbrauch bei einer Spannung von
über 100 Volt haben.
Es ist eine Reihe von Verfahren bekannt, die der Spannungs
versorgung von Sensoren dienen. Sie lassen sich einteilen
in gesteuerte und in geregelte Spannungswandler.
Typische gesteuerte Spannungsversorgungen sind der Eintakt
durchflußwandler und der Gegentaktzerhacker,bei denen die
Primärspannung mit einem festen Übersetzungsverhältnis in
die Sekundärspannung umgesetzt wird.
Eintaktsperrwandler speichern bei einem Primärimpuls eine
bestimmte Energie in einer Drossel, die nach Abschalten des
Primärimpulses auf der Sekundärseite abgegeben wird. Bei ei
ner bekannten Belastung der Sekundärseite kann so die er
zielte Sekundärspannung auch gesteuert werden. Ist die se
kundärseitige Belastung jedoch nicht bekannt, so wird die
Sekundärspannung meist geregelt oder begrenzt, wenn sie ei
nen bestimmten Wert aufweisen oder zumindest nicht über
schreiten soll. Eine Begrenzung der Sekundärspannung wird
oft auch durch parasitäre Eigenschaften von Bauelementen er
reicht, wie den Avalanche-Effekt von Dioden oder die Kapazi
tät der Drossel.
Bei einem Verbraucher mit nicht besonders niedrigem Strombe
darf bietet eine Spannungsversorgung nach dem Stand der
Technik einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad.
Geiger-Müller-Zählrohre sind Verbraucher, die für optimale
Meßgenauigkeit mit konstanter Spannung bei einem weiten Be
reich des benötigten Stromes versorgt werden müssen. Bei
spielsweise beträgt der benötigte Strom für ein typisches
Zählrohr bei einer optimalen Meßspannung von 500 Volt bei
fehlender Strahlung 0,25 nA , bei maximaler Strahlung aber
15 µA entsprechend einem Verhältnis von 1 : 60.000.
Die bisher bekannten Verfahren sind mit vielen Problemen be
haftet, die die Primärenergiequelle, beispielsweise eine
Batterie, stark belasten und so die mögliche Einsatzdauer
beschränken, denn die Stromversorgungen von Meßgeräten zur
Messung radioaktiver Strahlung mit einem Geiger-Müller-Zähl
rohr als Sensor können den geringen Strombedarf des Sensors
bei geringer Strahlung nicht mit einem guten Wirkungsgrad
bereitstellen. Dies gilt insbesondere, wenn die Versorgungs
spannung des Sensors auch bei maximaler Strahlung nicht zu
sammenbrechen soll.
Damit ist es für batteriebetriebene Meßgeräte nicht mög
lich, ohne regelmäßig die Batterie zu wechseln bzw. zu la
den über lange Zeit die Strahlung zu messen und zu protokol
lieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten
Verfahren und Geräte zu vermeiden und es zu ermöglichen,
daß zum einen ohne Wartungsaufwand für möglichst lange Zeit
möglichst genaue Messungen durchgeführt, zum anderen eine
präzise langzeitliche Erfassung und Protokollierung der ge
messenen Strahlung realisiert werden.
Erfindungsgemäß ist die obige Aufgabe mit einem Verfahren
und mit zur Anwendung des Verfahrens geeignet ausgestalte
ten Geräten dadurch gelöst, daß zur Erzeugung der Spannung
ein Sperrwandler verwendet wird und der Gleichrichter des
Sperrwandlers auf niedrigen Sperrstrom und schnelles Ab
schalten optimiert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Mes
sung der erzeugten Spannung durch schnelle und geeignet syn
chronisierte Messung der Spannung an der Drossel ersetzt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in der
Regeleinrichtung der Zeitpunkt des nächsten benötigten Pri
märimpulses abgeschätzt und die Regeleinrichtung bis dahin
abschaltet.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die
Spannungsmessung und das Regelverhalten von einem Mikrocon
troller durchgeführt, der den Sensorbetrieb steuert und
auch die Auswertung, Anzeige und Protokollierung des Sensor
signals durchführt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der
Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine typische Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Den Stand der Technik kennzeichnen die derzeit auf dem
Markt befindlichen Strahlungsmeßgeräte, die bereits einen
Stromverbrauch von wenigen Milliampere bei Betriebsspannun
gen von 3 bis 9 Volt erzielen. Wesentliche Probleme ergeben
sich aus dem Stromverbrauch der Regeleinrichtung, dem zur
Spannungsmessung erforderlichen Strom, dem Sperrstrom des
Gleichrichters und den Energieverlusten in der Umschaltzeit
des Gleichrichters vom Leiten zum Sperren. In der Zeichnung
zeigt
Fig. 2 eine typische Schaltung entsprechend
dem Stand der Technik.
Die Batterie 1 versorgt die Schaltung mit der Betriebsspan
nung 12. Die Regeleinrichtung 2 verarbeitet das Meßsignal
10, das der Spannungsteiler, gebildet von den Widerständen
6 und 7 aus der Ausgangsspannung 9 gewinnt, und erzeugt das
Steuersignal 11 des Schalttransistors 3. Ist dieser durchge
schaltet, so liegt die Betriebsspannung 12 an der Drossel
4. Damit steigt der Strom durch diese und speichert zuneh
mend magnetische Energie in ihr, und zwar solange, bis der
Schalttransistor abgeschaltet wird. Da die Induktivität
der Drossel 4 eine schnelle Stromänderung verhindert,
steigt die Spannung an ihr solange an, bis ein Wert er
reicht wird, der der Ausgangsspannung 9 plus der Durchlaß
spannung des Gleichrichters 5 entspricht, und lädt damit
ihre eigene parasitäre Kapazität auf. Nun fließt solange La
destrom in den Kondensator 8, bis die in der Induktivität
der Drossel 4 gespeicherte magnetische Energie verbraucht
ist. Die dafür benötigte Zeit ist hier Kondensatorladezeit
genannt. Sie ist bei niedriger Ausgangsspannung 9 lang, bei
hoher kurz.
Der Gleichrichter 5 braucht eine bestimmte Zeit, bis er wie
der sperrt, die sogenannte Sperrerholzeit. Bis deren Ablauf
treibt die Ausgangsspannung 9 einen zunehmenden Strom durch
die Drossel 4 in umgekehrter Richtung, der Kondensator 8
wird teilentladen, die Drossel 4 mit magnetischer Energie
in umgekehrter Richtung geladen. Wenn der Gleichrichter 5
wieder sperrt, so fließt der Strom solange in die Batterie
1 weiter, und zwar jetzt aus dem nun invers betriebenen
Transistor 3, bis die magnetische Energie abgebaut ist.
Wenn die Batterie 1 durch Akkumulatoren gebildet wird, so
stört die dadurch erzeugte Rückladung nicht. Handelt es
sich aber um speziell für mehrjährigen wartungsfreien Be
trieb geeignete Zellen, wie beispielsweise Lithium-Thio
nylchlorid-Zellen, so wird die Lebensdauer herabgesetzt.
Weiterhin begrenzt die Sperrerholzeit die maximal erreichba
re Ausgangsspannung 9, weil mit steigender Ausgangsspannung
9 die Kondensatorladezeit in bekannter Weise abnimmt. Der
maximale Grenzwert wird erreicht, wenn keinerlei Stromver
brauch bei der Ausgangsspannung 9, beispielsweise durch
nichtideale Isolation, Diodensperrstrom oder Sensorstrom,
auftritt und die Kondensatorladezeit gleich der Sperrerhol
zeit wird, weil dann die dem Kondensator zugeführte Ladung
gleich der ihm entnommenen wird. Dieses Verhalten erlaubt
den Verzicht auf eine aufwendige Messung der Ausgangsspan
nung 9 der Spannungsversorgung.
Für Sperrwandler zur Versorgung von Geiger-Müller-Zählroh
ren sind sehr kleine Puls-Pausenverhältnisse typisch, also
im Vergleich zu den Pulsabständen lange Pausenzeiten. In
den Pausenzeiten fließt der Sperrstrom durch den Gleichrich
ter. Dieser beträgt für typische Gleichrichter bereits bei
Raumtemperatur einige Mikroampere, beispielsweise für
Dioden des Typs 1N4007 5 µA bei 25°C, 50 µA bei 125°C, also
ein Vielfaches der vom Sensor benötigten Ströme von bei
spielsweise 0,25 nA. Da die Ausgangsspannung 9 oft weit
mehr als das einhundertfache der Betriebsspannung 12 be
trägt, ergibt sich ein dafür erforderlicher durchschnittli
cher Strom der Batterie 1 von weit mehr als dem hundertfa
chen, beispielsweise also in der Größenordnung von 1 mA. Da
mit ist ein mehrjähriger Betrieb mit einer Zelle von bei
spielsweise 2 Ah Kapazität nicht realisierbar.
Auf dem Markt erhältliche Dioden mit kurzer Sperrerholzeit
weisen relativ hohe Sperrströme auf, während Dioden mit be
sonders kleinem Sperrstrom lange Sperrerholzeiten haben. Es
bereitet große Schwierigkeiten, lange Kondensatorladezeiten
zu erreichen, da dazu große Induktivitäten erforderlich
sind, die in der Regel auch relativ große parasitäre Kapazi
täten aufweisen. Selbst bei einer Induktivität von 100 mH
und einer Betriebsspannung von 3 V steigt der Strom in 1 ms
auf 30 mA an. Bei einem Verhältnis von Ausgangsspannung zu
Betriebsspannung von 150 fällt der Strom der Induktivität
linear vom Ausgangswert 30 mA in weniger als 7 µs auf Null
ab. Bei einer parasitären Kapazität der Drossel von nur 150
pF geht davon über 1 µs verloren, und zwar der Teil mit dem
höchsten Strom. So dauert die maximal mögliche Kondensator
ladezeit also weniger als 6 µs, beginnend mit nur noch 25
mA.
Erhebliche Energie verbraucht die Schaltung zur Messung der
Ausgangsspannung 9. Für übliche Regeleinrichtungen sind Re
gelgrößen in der Größenordnung von 1 V erforderlich. So
wird die Ausgangsspannung 9 durch den aus den Widerständen
6 und 7 bestehenden Spannungsteiler auf den geforderten
Wert herabgesetzt. Es ist extrem aufwendig, extrem hochohmi
ge stabile Widerstände zu verwenden. Preiswert sind Wider
stände bis etwa 10 MΩ zu erhalten. Damit beträgt der Meß
strom beispielsweise 50 µA.
Eine typische Anordnung einer Ausgestaltung der Erfindung
ist in Fig. 1 dargestellt.
Im Vergleich zum in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik
wird die Batterie 1 durch eine Einzelzelle mit hoher Span
nung und Lebensdauer realisiert, beispielsweise eine Lithi
um-Thionylchlorid-Zelle der Größe AA, auch Mignon genannt,
mit einer Lebensdauer von 10 Jahren, einer Kapazität von 2
Ah und einer Spannung von 3,7 V. Die Gefährdung dieser Zel
le durch eine oben angesprochene Rückladung wird vermieden
durch zwei Pufferkondensatoren 16 und 17 sowie die Schottky
diode 18. Letztere kann ersetzt werden durch einen geeignet
gesteuerten Schalter, beispielsweise einen Feldeffekttransi
stor, der parallel zu Transistor 3 angesteuert wird. Dann
hat der Kondensator 17 den Ladestrom für Kondensator B zu
übernehmen. Bei den oben dargestellten Werten wird eine La
dung von 0,5.7 µs.30 mA = 105 nC benötigt, der Spannungsab
fall bei einer Kapazität von 1 µF beträgt also 0,105 V. Der
Kondensator 17 hat auch die Rückladung aufzunehmen, bei
spielsweise entsprechend 10% der in der Drossel 4 zunächst
gespeicherten magnetischen Energie, also selbst bei Vernach
lässigung der dadurch erfolgenden Spannungserhöhung
0,1.0,5.1 ms.30 mA = 1,5 µC entsprechend einer Spannungser
höhung am Kondensator 17 um 1,5 V. Der Kondensator 16 entla
stet die Batterie 1 gegenüber Sperrströmen der Schottky
diode 18 einerseits und gemeinsam mit dem Kondensator 17
bei der Bereitstellung des Stromes zur Speicherung magneti
scher Energie in der Drossel 4 andererseits.
Im Vergleich zum in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik
wird die Regeleinrichtung 2 realisiert durch einen Pulsge
ber 14, der einen Zeitschalter 15 durch Übertragung einer
Ausschaltzeit 19 so programmiert, daß während dieser die
Versorgung des Pulsgebers durch den Schalter 20 abgeschal
tet ist. Eine derartige Regeleinrichtung kann beispielswei
se durch Mikrocontroller mit sogenannten Low-Power-Modes
realisiert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestal
tung der Erfindung übernimmt dieser Mikrocontroller auch
weitere Funktionen wie die Aktivierung des Sensors nur zu
bestimmten Zeiten oder in Abhängigkeit von der verbliebenen
Batteriekapazität oder Anzeige, Dosisberechnung und Proto
kollierung der Meßwerte des Sensors.
Im Vergleich zum in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik
wird die Ausgangsspannung 9 vor dem Gleichrichter gemessen.
Damit ändert sich zwar nicht der benötigte Meßstrom, aber
die zeitliche Dauer desselben, denn er fließt nur noch wäh
rend der Kondensatorladezeit und der Sperrerholzeit. Damit
ergibt sich eine Dauer des Signals von wenigen Mikrosekun
den. Man kann dieses Problem durch Verwendung einer Abtast-Halte
schaltung oder eines schnellen Analog/Digitalwandlers
lösen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
wird ein im Mikrocontroller vorhandener Analog/Digitalwand
ler mit relativ langsamer Abtast-Halteschaltung verwendet,
wobei erfindungsgemäß das Steuersignal 11 mit dem Analog/Di
gitalwandler synchronisiert wird, und zwar so, daß dessen
Abtast-Halteschaltung eine bestimmte Zeit vor dem Abschal
ten des Steuersignals 11 mit der Abtastung des Meßwertes be
ginnt und diese nach Ablauf einer festen Zeit so rechtzei
tig beendet, daß selbst bei maximaler noch zu messender Aus
gangsspannung 9 die Kondensatorladezeit noch nicht beendet
ist. Damit ist unabhängig von der Kondensatorladezeit die
effektive Abtastzeit des Meßsignals 10 zwar kürzer als die
von der Abtast-Halteschaltung zum Einschwingen benötigte
Zeit, steht zu dieser aber in einem festen Verhältnis. Eine
entsprechende Korrektur kann entsprechend dem Verhältnis
der effektiven Abtastzeit des Meßsignals 10 zur Zeitkonstan
ten der Abtast-Halteschaltung in allgemein bekannter Weise
durchgeführt werden.
Im Vergleich zum in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik
wird der Gleichrichter 5 aus zwei Dioden 21 und 22 reali
siert, wobei die ausgangsseitige Diode 22 durch besonders
kleinen Sperrstrom bei Verzicht auf besonders kurze Sperrer
holungszeit und die Diode 21 auf besonders kurze Sperrerho
lungszeit bei Verzicht auf besonders kleinen Sperrstrom rea
lisiert wird. Gegen Ende der Kondensatorladezeit sind zu
nächst beide Dioden 21 und 22 leitend. Bei Stromumkehr wird
Diode 21 als erste ihre Sperrerholzeit erreichen und ab
schalten. Danach wird die Diode 22 langsam sperren, aber we
gen des im Vergleich zu der Diode 21 niedrigeren Sperr
stroms für den wesentlichen Teil der Pausenzeit zwischen
zwei Pulsen den Sperrstrom des Gleichrichters 5 bestimmen.
Insgesamt wird für wenige Mikrosekunden der Sperrstrom der
Diode 21 fließen, für den Rest der Pausenzeit der der Diode
22. Durch die vorgeschlagene ausgangsseitige Anordnung der
Diode 22 läßt sich auch der Leckstrom der Schaltung minimie
ren. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist
der ausgangsseitige Anschluß, die Kathode, der Diode 22
nicht mehr auf die Leiterplatte geführt, sondern direkt an
einen freitragenden Anschluß des Speicherkondensators 8. So
mit werden durch die Leiterplatte hervorgerufene Leckströ
me, die leicht die Größenordnung des Sensorstromes errei
chen können, vermieden.
1
Batterie
2
Regeleinrichtung
3
Schalttransistor
4
Drossel
5
Gleichrichter
6
,
7
Widerstand
8
Speicherkondensator
9
Ausgangsspannung
10
Meßsignal
11
Steuersignal
12
Betriebsspannung
13
Bezugsmasse
14
Pulsgeber
15
Zeitschalter
16
,
17
Pufferkondensator
18
Schottkydiode, Schalttransistor
19
Ausschaltzeit
20
Schalter
21
,
22
Diode
Claims (6)
1. Spannungsversorgung für einen hochohmigen Verbraucher von
hoher Spannung,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung der hohen Spannung 9 aus niederer Spannung 12
ein Sperrwandler verwendet wird, dessen Gleichrichter 5 aus
mindestens einer Diode 22 mit niedrigem Sperrstrom und minde
stens einer Diode 21 mit kurzer Sperrerholungszeit besteht.
2. Spannungsversorgung für einen hochohmigen Verbraucher von
hoher Spannung,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung der hohen Spannung 9 aus niederer Spannung 12
ein Sperrwandler verwendet wird, dessen erzeugte Spannung
durch schnelle oder geeignet mit dem Primärimpuls synchroni
sierte Messung der Spannung an der Drossel 4 abgeschätzt wird.
3. Spannungsversorgung für einen hochohmigen Verbraucher von
hoher Spannung,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung der hohen Spannung aus niederer Spannung ein
Sperrwandler verwendet wird, dessen Pulsgeber 14 zwischen den
Primärimpulsen des Steuersignals 11 abgeschaltet wird.
4. Spannungsversorgung für einen hochohmigen Verbraucher von
hoher Spannung,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung der hohen Spannung aus niederer Spannung ein
Sperrwandler verwendet wird, dessen Rücklaufstrom durch einen
Kondensator 17 aufgenommen wird.
5. Spannungsversorgung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Rückfließen des Rücklaufstroms des Sperrwandlers in die
Batterie durch einen Schalter oder eine Diode verhindert wird.
6. Spannungsversorgung nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Regeleinrichtung mit einem Mikrocontroller realisiert
wird, der auch weitere Funktionen zur Aktivierung des Verbrau
chers oder zur Verarbeitung seiner Werte durchführt.
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