DE19857327B4

DE19857327B4 - Stromsensor mit Überstromerkennung

Info

Publication number: DE19857327B4
Application number: DE1998157327
Authority: DE
Inventors: Friedrich Lenhard
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2018-12-12
Also published as: DE19857327A1

Abstract

Stromsensor mit einem Magnetkern (3), dem eine Primärwicklung (2) für den zu messenden Primärstrom und wenigstens eine Sekundärwicklung (4) zugeordnet sind, und mit einer Meßschaltung (5 bis 14, 30 bis 80), die die Sekundärwicklung (4) mit einem sich in Abhängigkeit von der Stärke des Primärstroms periodisch ändernden Spannungssignal beaufschlagt, wobei der vom Spannungssignal hervorgerufene Sekundärstrom den Magnetkern (3) in wenigstens eine Richtung in die Sättigung treibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (5 bis 14, 30 bis 80) eine Überstromerkennung (13) aufweist, die dergestalt ist, daß sie die Dauer von positiven und negativen Halbwellen des Spannungssignals bestimmt und eine Übersteuerung des Stromsensors dadurch erkennt, daß die Dauer einer der Halbwellen eine vorgegebene Mindestzeit unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor mit einem Magnetkern, dem eine Primärwicklung für den zu messenden Primärstrom und wenigstens eine Sekundärwicklung zugeordnet sind, und mit einer Meßschaltung, die die Sekundärwicklung mit einem sich in Abhängigkeit von der Stärke des Primärstroms periodisch ändernden Spannungssignal beaufschlagt, wobei der vom Spannungssignal hervorgerufene Sekundärstrom den Magnetkern in wenigstens eine Richtung in die Sättigung treibt.

Ein derartiger Stromsensor ist aus der WO 98/36283 bekannt. Bei dem bekannten Stromsensor ist die Sekundärwicklung mit einem Spannungssignal aus einer selbstschwingenden Generatorschaltung gespeist. Durch die Generatorschaltung wird das Spannungssignal bei Überschreiten eines bestimmten Maximalstroms durch die Sekundärwicklung umgepolt. Da es von der Stärke der zu messenden, durch die Primärwicklung fließenden Primärstroms abhängt, zu welchem Zeitpunkt die Umpolung stattfindet, hängt die Dauer der an der Sekundärwicklung anliegenden Spannungspulse von der Stärke des Primärstroms ab. Folglich läßt sich durch Ausmitteln der Spannungspulse ein dem Primärstrom proportionales Ausgangssignal der Meßschaltung gewinnen.

Das Ausgangssignal ist jedoch nur unterhalb einer maximalen Stärke des Primärstroms proportional zur Stärke des Primärstroms. Oberhalb des Maximalwerts stellt das Ausgangssignal des Stromsensors keine dem Strom proportionale Meßgröße mehr dar. Insbesondere kann es vorkommen, daß das Ausgangssignal oberhalb des Maximalwerts mit zunehmendem Primärstrom abnimmt. Im praktischen Betrieb ist es daher bei derartigen Stromsensoren oft nicht möglich, zwischen sehr hohen Strömen und sehr kleinen Strömen zu unterscheiden. Trotz eines sehr hohen Stroms liefert ein derartiger Stromsensor beispielswei se ein kleines Ausgangssignal, das unter normalen Umständen einem kleinen Strom entspricht. Wenn der Stromsensor in einem Regelkreis eingesetzt wird, kann ein derartiges Verhalten des Stromsensors zu einer Umkehrung des Regelsinns führen. Je nach Einsatzgebiet des Stromsensors kann dies zu größeren Schäden führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stromsensor mit einer Überstromerkennung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 dazu angegebenen Merkmale, gelöst.

Da die Meßschaltung die Dauer der Halbwellen des Spannungssignals im Hinblick auf eine mögliche Übersteuerung überwacht, ist es möglich, ein Ausgangssignal bereitzustellen, das die Übersteuerung des Stromsensors anzeigt. Dieses Ausgangssignal kann anschließend dazu verwendet werden, durch einen den Primärstrom steuernden Regler den Primärstrom so weit abzuschwächen, daß der Stromsensor wieder im zulässigen Meßbereich arbeitet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines mit einer Überstromerkennung ausgestatteten Stromsensors;
2 den zeitlichen Verlauf des Stroms durch die Sekundärwicklung des Stromsensors aus 1 sowie den zeitlichen Verlauf des Ausgangsspannungs signals und des invertierten Ausgangsspannungssignals;
3 den Verlauf der Hystereseschleife bei ein- und ausgeschaltetem Primärstrom;
4 die Abhängigkeit der Pulsdauer einer Halbwelle des Ausgangsspannungssignals und des invertierten Ausgangsspannungssignals vom Primärstrom durch die Primärwicklung des Stromsensors aus 1;
5 die Abhängigkeit eines über die Halbwellen gemittelten Ausgangsspannungssignals vom Primärstrom sowie die Abhängigkeit der Frequenz der Vollwellen vom Primärstrom;
6 eine Überstromerkennung für den Stromsensor aus 1;
7 eine Weiterbildung des Stromsensors aus 1, der zusätzlich eine Vorrichtung zur Erkennung von Transienten der Primärstromstärke aufweist;
8 ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines mit einer Überstromerkennung und einer Transientenerkennung ausgestatteten Stromsensors;
9 eine mögliche Anordnung zur Unterdrückung von Transienten, die eine in eine Vielzahl von Einzelspulen unterteilte Sekundärwicklung aufweist, die auf einen einen Primärleiter umschließenden Magnetkern aufgebracht sind;
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mit einer Überstromerkennung ausgestatteten Stromsensors; und
11 eine Abwandlung des Stromsensors aus 10.
1 zeigt einen Stromsensor 1, der eine vom zu messenden Primärstrom I₁ durchflossene Primärwicklung 2 aufweist. Die Primärwicklung 2 ist über einen Magnetkern 3 mit einer Sekundärwicklung 4 magnetisch gekoppelt. Die Sekundärwicklung 4 ist ein Bestandteil einer Meßbrücke 5, die neben der Sekundärwicklung 4 von einem Reihenwiderstand 6 und zwei Spannungsteilerwiderständen 7 und 8 gebildet ist. An die Meßbrükke 5 angeschlossen ist ein linearer Operationsverstärker 9, dem zwei Inverter 10 und 11 nachgeschaltet sind. Die Inverter 10 und 11 beaufschlagen die Meßbrücke 5 mit einem Spannungssignal, das als Ausgangsspannungssignal U_A an einem Oszillatorausgang 12 abgegriffen werden kann. Außerdem wird das Spannungssignal einer Überstromerkennung 13 zugeführt, die an einem Überstromsignalausgang 14 ein die Übersteuerung des Stromsensors 1 anzeigendes Überstromsignal U_S ausgibt.
Die Arbeitsweise des Stromsensors 1 wird nachfolgend anhand der 2 bis 5 erläutert. In 2 ist mit einer Linie 15 der zeitliche Verlauf des Sekundärstroms dargestellt. Außerdem ist in 2 der Verlauf 16 des Spannungssignals Q_p und der Verlauf 17 des invertierten Spannungssignals Q_n dargestellt. Sowohl der Verlauf 16 des Spannungssignals Q_p als auch der Verlauf 17 des Spannungssignals Q_n setzen sich aus Halbwellen 22 und 23 zusammen. Bis zu einem Zeitpunkt t_o fließt durch die Primärwicklung 2 kein Strom. Dementsprechend ist die Dauer der beiden Halbwellen 22 und 23 gleich. Zum Zeitpunkt to wird ein Primärstrom eingeschaltet. Dadurch wird, wie in 3 dargestellt, die ursprüngliche Hystereseschleife 18 in Richtung zu einer versetzten Hystereseschleife 19 verschoben. Die ursprüngliche Hystereseschleife 18 ist in 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellt, während die versetzte Hystereseschleife 19 in 3 durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t_o befindet sich der Magnetkern 3 auf der versetzten Hystereseschleife 19 im Sättigungszustand 20 und bewegt sich entlang der versetzten Hystereseschleife 19 zu einem Sättigungszustand 21. Da der Magnetkern 3 längs dieses Weges zunächst gesättigt bleibt, sind Strom und Spannung über die Sekundärwicklung zunächst in Phase. Dies führt dazu, daß über die Sekundärwicklung 4 zunächst eine dem Spannungsteilerverhältnis der Impedanzen der Sekundärwicklung 4 und des Vorwiderstands 6 entsprechende kleine Spannung abfällt. Deshalb erfolgt die Ummagnetisierung im Vergleich zum Zustand ohne eingeschalteten Primärstrom langsamer. Umgekehrt erfolgt die Ummagnetisierung wesentlich schneller, wenn der Magnetkern 3 vom Sättigungszustand 21 in den Sättigungszustand 20 umläuft. In diesem Fall setzt die Ummagnetisierung des Magnetkerns 3 sofort ein, so daß Strom und Spannung an der Sekundärwicklung 4 nahezu um 180° in der Phase versetzt sind. Demzufolge fällt an der Sekundärwicklung 4 eine Spannung an, deren Betrag über den Betrag des an der Meßbrücke 5 anliegenden Spannungssignals ist. Aus diesem Grund weist diese positive Halbwelle 22 eine kürzere Dauer als die entsprechenden positiven Halbwellen 22 bei nichteingeschaltetem Primärstrom auf.
In 4 ist die Abhängigkeit der Dauer Δ_tQ_n und Δ_tQ_p der beiden Halbwellen in Abhängigkeit von der Stärke des Primärstroms dargestellt. Dabei verdeutlicht die Kurve 24 die Dauer Δ_tQ_p der positiven Halbwellen 22 und die Kurve 25 die Dauer Δ_tQ_n der negativen Halbwellen 23. Aus 4 geht hervor, daß sowohl die Dauer Δ_tQ_p der positiven Halbwellen 22 als auch die Dauer Δ_tQ_n der negativen Halbwelle 23 zwischen den Stromwerten –I_S und +I_S einen im wesentlichen linearen Verlauf aufweisen. Falls jedoch der Primärstrom durch die Primärwicklung 2 so stark wird, daß die Hystereseschleife 19 nicht mehr vollständig durchlaufen wird, wirkt die Sekundärwicklung 4 zunehmend als Luftspule, so daß die Sekundärstromwerte durch die Sekundärwicklung 4, bei denen die an der Meßbrücke 5 anliegende Spannung umgepolt wird, schneller erreicht werden.
Dementsprechend nimmt die Dauer Δ_tQ_p der positiven Halbwelle 22 oberhalb eines Wertes I_max des Primärstroms stetig bis zu einem minimalen Wert für die Dauer Δ_tQ_p ab. In gleicher Weise sinkt die Dauer Δ_tQ_n der negativen Halbwelle 23 unterhalb eines Wertes –I_max des Primärstroms auf einen minimalen Wert.
Dies hat zum einen die Folge, daß bei Primärströmen mit Stärken oberhalb von +I_max und unterhalb von I_max die Frequenz der aus jeweils einer positiven Halbwelle 22 und einer negativen Halbwelle 23 zusammengesetzen Vollwelle stark ansteigt. Dies wird in 5 durch die Frequenzkurve 26 dargestellt. Weiterhin führt dies dazu, daß ein durch Mittelung des Ausgangsspannungssignals U_A gewonnenes, in 5 durch die Ausgangssignalkurve 27 dargestelltes Ausgangssignal nur für Primärströme mit Werten zwischen –I_max und +I_max mit zunehmendem Primärstrom ansteigt. Außerhalb des durch die maximalen Primärstromstärken –I_max und +I_max begrenzten Maßbereichs geht das Ausgangssignal auf den Wert bei ausgeschaltetem Primärstrom zurück.
Ein dem Stromsensor 1 nachgeschalteter Regler kann folglich nicht zwischen sehr kleinen Primärstromstärken und sehr hohen Primärstromstärken unterscheiden. Außerhalb des von den maximalen Stromstärken –I_max und +I_max begrenzente zulässigen Meßbereich wird folglich der Regelsinn eines nachgeschalteten Reglers umgekehrt. Eine derartige Umkehr des Regelsinns kann jedoch zu schweren Schäden bei der zu regelnden Vorrichtung führen.
Um eine Umkehrung des Regelsinns eines dem Stromsensor 1 nachgeschalteten Reglers zu verhindern, ist bei dem Stromsensor 1 aus 1 die Überstromerkennung 13 vorgesehen. In 6 ist eine Ausführungsbeispiel der Überstromerkennung 13 dargestellt. Das Spannungssignal Q_p liegt an einem Eingang 30 an. In gleicher Weise liegt das Spannungssignal Q_n an einem Eingang 31 an. Einen wesentlichen Bestandteil dieser Überstromerkennung bilden die beiden Latch-Bausteine 32 und 33, die beispielsweise unter der Bezeichnung 74HC75 lieferbar sind. Das Spannungssignal Q_p wird dem ersten Latch-Baustein 32 am Eingang LE (Latch Enable) zugeführt. Das Signal Q_p beaufschlagt ferner über ein aus einem Widerstand 34 und einem mit Masse verbundenen Kondensator 35 bestehendes RC-Glied einen Eingang D1 des Latch-Bausteins 32. Parallel zum Widerstand 34 ist eine Diode 36 angeordnet, die den Kondensator 35 entlädt, falls sich der Eingang 30 auf Massepotential befindet. Der Widerstand 34, der Kondensator 35 und die Diode 36 bilden somit ein rücksetzbares Verzögerungsglied. In gleicher Weise beaufschlagt das am Eingang 31 anliegend Spannungssignal Q_R unmittelbar den Eingang LE des Latch-Bausteins 33 und über ein aus einem Widerstand 37 und einem Kondensator 38 bestehendes RC-Glied einen Dateneingang D1 des Latch-Bausteins 33, wobei der Widerstand 37 von einer Diode 39 überbrückt ist. Jeweils der dem Dateneingang D1 zugeordnete nichtinvertierte Ausgang Q1 der Latch-Bausteine 32 und 33 ist auf den Eingang D2 des jeweils anderen Latch-Bausteins 32 und 33 zurückgeführt. Zwei Dioden 40 und 41, welche jeweils an den den Dateneingängen D2 der Latch-Bausteine zugeordneten Ausgängen Q2 der beiden Latch-Bausteine 32 und 33 angeschlossen sind, bilden zusammen mit einem Widerstand 42 ein ODER-Gatter.
Wenn während der Halbwelle 22 am Eingang 30 ein High-Signal anliegt, steigt die Spannung am Dateneingang D1 des Latch-Bausteins 32 langsam an, um dann sofort abzufallen, wenn das Spannungssignal Q_p an Eingang 30 in den Low-Zustand zurückfällt. Wenn die Dauer des High-Zustandes des Spannungssignals Q_p lang genug ist, erreicht die Spannung am Dateneingang D1 des Latch-Bausteins 32 einen dem High-Zustand entsprechenden Wert, so daß der dem Eingang D1 zugeordnete Ausgang Q1 vom Low-Zustand zum High-Zustand wechselt. Dieser Zustand wird beibehalten, sobald das am Eingang LE anliegende Spannungssignals Q_p vom High-Zustand in den Low-Zustand wechselt. Um ein definiertes Ausgangssignal zu erhalten, das solange im High-Zustand verbleibt, wie der Stromsensor im Überstrombe reich arbeitet, wird der dem Dateneingang D1 entsprechende Ausgang Ql zum Dateneingang D2 des Latch-Bausteins 33 geführt und am Ende der Halbwelle 23 am Ausgang Q2 des Latch-Bausteins 33 festgehalten.
Ebenso wie die Dauer der positiven Halbwelle 22 wird die negative Halbwelle 23 mit Hilfe des Latch-Bausteins 33 überprüft. Immer dann, wenn die Dauer der positiven Halbwelle 22 oder der negativen Halbwelle 23 einen bestimmten, durch das Verhältnis der Widerstände 34 und 37 zu den Kondensatoren 35 und 38 einstellbaren Wert unterschreitet, liegt an den Ausgängen Q2 der Latch-Bausteine 32 und 33 ein High-Signal an, das durch ein mit den Dioden 40 und 41 sowie den Widerstand 42 gebildetes ODER-Gatter zu einem an einem Ausgang 14 anliegendem Ausgangssignal U_S verknüpft wird. Dieses Signal geht immer dann in den High-Zustand, wenn der Stromsensor außerhalb des zulässigen Meßbereichs arbeitet.
Das am Überstromsignalausgang 14 anliegende Überstromsignal U_S kann dazu verwendet werden, einen Alarm auszulösen oder einen dem Stromsensor 1 nachgeschalteten Regler auf einen sicheren Wert zurückzustellen.
Die Schaltung aus den 1 und 6 läßt sich beispielsweise noch durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Zusatzschaltung erweitern, die einen zusätzlichen Ausgang zur Verfügung stellt, der auf dem Maximalwert des Übersteuerungsbereichs des Stromsensors 1 stehenbleibt. Dies läßt sich bewerkstelligen, indem die pulsweitenmodulierten Ausgangsspannungen Q_p und Q_n über einen weiteren Latch-Baustein geführt werden, dessen Eingang LE mit dem Überstromsignal U_S beaufschlagt wird.
Ein Problem des Stromsensors 1 ist, daß bei der Messung von Primärströmen mit schnellen Transienten im Bereich von dI₁/dt > 100 A/μs eine so hohe Spannung in der Sekundärwicklung 4 entsteht, daß die Invertierung des an der Meßbrücke 5 anliegenden Spannungssignals und damit eine schnelle Überstromerkennung verhindert wird. Die schnellen Transienten des Primärstroms täuschen der Meßschaltung einen ungesättigten Magnetkern 3 vor.
Bei der in 7 dargestellten abgewandelten Ausführungsform des Stromsensors 1 ist zur Erkennung von Transienten des Primärstroms der Primärwicklung 2 eine primäre Transientenwicklung 50 nachgeschaltet, der eine sekundäre Transientenwicklung 51 zugeordnet ist. Die primäre und sekundäre Transientenwicklung 50 und 51 können Luftspulen mit der gleichen Dimension wie die Primärwicklung 2 und die Sekundärwicklung 4 oder aber auch aus Einzelspulen zusammengesetzt sein. Die sekundäre Transientenwicklung 51 ist an eine Auswerteschaltung 52 angeschlossen, die das Integral aus der magnetischen Kopplung multipliziert mit dem Stromanstieg ∫ dt M × dI/dt bildet und ein dazu proportionales Ausgangssignal U_I erzeugt. Das Integrationssignal U_I ist zusammen mit dem Überstromsignal U_S zu einem ODER-Gatter 53 geführt, um auf diese Weise ein einen gefahrenträchtigen Zustand anzeigendes gemeinsames Ausgangssignal zu erzeugen.
In 8 ist zur Unterdrückung plötzlich auftretender Transienten des Primärstroms die sekundäre Transientenwicklung 51 in Reihe zur Sekundärwicklung 4 geschaltet. Die Sekundärwicklung 4 und die sekundäre Transientenwicklung 51 sind dabei so gewickelt, daß die durch die plötzliche Transiente des Primärstroms erzeugte Spannung in der Sekundärwicklung 4 durch die in der sekundären Transientenwicklung 51 erzeugte Spannung kompensiert wird.
9 zeigt eine weitere Lösungsmöglichkeit, die darin besteht, daß die Sekundärwicklung 4 in Einzelspulen 54 aufgeteilt wird, die so um einen die Primärwicklung 2 bildenden Primärleiter 55 angeordnet sind, daß die magnetische Kopplung zwischen Primärleiter 55 und den Einzelspulen 54 bei gesättigtem Magnetkern 3 gegen Null geht. Zu diesem Zweck werden die Einzelspulen 54 so angeordnet, daß das vom Primärleiter 55 erzeugte Magnetfeld bei gesättigtem Magnetkern 3 nahezu senkrecht durch die Einzelspulen 54 verläuft. Bei ungesättigtem Magnetkern 3 wird das vom Primärleiter 55 erzeugt Magnetfeld vom Magnetkern 3 geführt und in die Einzelspulen 54 eingekoppelt. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Sekundärwicklung 4 von der Primärwicklung 2 bei gesättigtem Magnetkern 3 magnetisch entkoppelt ist. Demnach können schnelle Transienten des Primärstroms auch bei gesättigtem Magnetkern 3 nicht ein störungsfreies Arbeiten des Stromsensors 1 vortäuschen.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform des Stromsensors 1 mit Überstromerkennung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Überstromerkennung durch Einsatz eines Bausteins 60 mit vier D-Flipflops 65 bis 68 bewerkstelligt. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Baustein mit der Bezeichnung 74AC175.
Der zu messende Primärstrom I₁ fließt durch die auf den Magnetkern 3 aufgebrachte Primärwicklung 2. An die Sekundärwicklung 4 wird über Vorwiderstände 61 und 62 ein Spannungssignal mit wechselnder Polarität angelegt. Um dieses Spannungssignal zu erzeugen, sind die Enden der Sekundärspule 4 mit einem logischen NAND-Gatter verbunden, dem ein als Inverter geschaltetes weiteres NAND-Gatter 64 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des NAND-Gatters 64 beaufschlagt den Eingang CP des Flipflop-Bausteins 60. Wenn sich die Eingänge des NAND-Gatters 63 auf gleichem Potential befinden, was bei gesättigtem Magnetkern 3 der Fall ist, schaltet das NAND-Gatter 63 und der Flipflop-Baustein 60 wird gesetzt. Dabei dient ein erstes Flipflop 64 auf nachfolgend näher beschriebene Weise dem Erzeugen eines Überstromsignals, während die D-Flipflops 66 bis 68 dazu dienen, das an der Sekundärwicklung 4 anliegende Spannungssignal zu erzeugen. Da der invertierende Ausgang Q3 des D-Flipflops 67 über ein von einem Widerstand 69 und einem Kondensator 70 gebildetes RC-Glied auf die Daten eingänge D1 bis D3 zurückgeführt ist, werden die Ausgänge Q1 bis Q3 sowie die invertierenden Ausgänge Q1 bis Q3 alternierend auf den Low-Zustand und den High-Zustand gesetzt. Nach der Umpolung des an der Sekundärspule 4 anliegenden Spannungssignals fällt zunächst an der Sekundärwicklung 4 eine Spannung ab, die die Eingänge des NAND-Gatters 63 in unterschiedliche logische Zustände versetzt. Nachdem der Magnetkern 3 die Hystereseschleife durchlaufen hat und sich in der Sättigung befindet, ist der Widerstand der Sekundärwicklung 4 gegenüber dem Widerstand der Vorwiderstände 61 und 62 zur vernachlässigen, so daß die Eingänge des NAND-Gatters 63 auf gleichem Potential zu liegen kommen. Wenn dieser Zustand erreicht wird, schaltet das NAND-Gatter 63, und die D-Flipflops 65 bis 68 im Flipflop-Baustein 60 werden neu gesetzt. Am Ende jeder Halbwelle 22 und 23 wird somit durch den Flipflop-Baustein 60 ein Triggerpuls erzeugt.
Um zu gewährleisten, daß der Stromsensor 1 beim Einschalten zu schwingen beginnt, ist der Ausgang des NAND-Gatters 63 über ein von einem Widerstand 71 und einem Kondensator 72 gebildetes RC-Glied an einen Eingang des NAND-Gatters 63 zurückgeführt.
Die Annäherung des Stromsensors 1 an den Überstrombereich wird mit Hilfe des D-Flipflops 65 detektiert. Zu diesem Zweck wird ein Kondensator 73 über die vom NAND-Gatter 64 erzeugten Triggerpulse über eine Diode 74 aufgeladen und durch einen Widerstand 75 entladen. Der Kondensator 73, die Diode 74 und der Widerstand 75 bilden somit ein nachtriggerbares Verzögerungsglied. Falls die Triggerpulse so schnell aufeinanderfolgen daß sich der Kondensator 73 nicht schnell genug über den Widerstand 75 entladen kann, liegt am Dateneingang D0 des D-Flipflops 65 ein High-Signal an, das an die Ausgänge Q0 oder Q0 übertragen wird. Falls die Dauer einer Halbwelle 22 oder 23 einen bestimmten Grenzwert unterschreitet, tritt an den Ausgängen Q0 und Q0 des D-Flipflops 65 für die Dauer der nachfolgenden Halbwelle 22 oder 23 eine Zustandsänderung auf, die dazu verwendet werden kann, die Annäherung des Stromsensors 1 an den Überstrombereich zu erkennen.
11 zeigt ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Stromsensors 1 aus 10. Bei dieser Schaltung sind zwei Flipflop-Bausteine 76 und 77 vorgesehen. Der Flipflop-Baustein 76 erfüllt dabei im wesentlichen die Funktion des Flipflop-Bausteins 60 aus 10, während der Flipflop-Baustein 77 der Überstromerkennung dient. Der Eingang CP des Flipflop-Bausteins 77 ist mit dem Ausgangssignal eines von dem Kondensator 73 der Diode 74 und dem Widerstand 75 sowie einem NAND-Gatter 78 gebildetes Monoflop 79 beaufschlagt. Die Taktimpulse setzen das Monoflop 78. Wenn das Monoflop 78 zurückfällt, wird der nachgeschaltete Flipflop-Baustein 77 getriggert. Falls die das Monoflop 79 triggernden Taktimpulse in einem zu geringen zeitlichen Abstand aufeinanderfolgen, fällt das Monoflop 79 nicht zurück, und nur jeder zweite Triggerimpuls wird an den CP-Eingang des Flipflop-Bausteins 77 weitergegeben. Der Ausgang Q1 des Flipflop-Bausteins 76 bleibt somit auf einem am Dateneingang D1 anliegenden Wert einer der beiden Halbwellen 22 und 23 stehen. Der Wert des Ausgangs Q1 ist als Spannungssignal U_Z an einem Ausgang 80 abgreifbar. Das Ausgangssignal U_Z oszilliert genauso wie das Ausgangssignal U_A, solange sich der Stromsensor 1 in seinem normalen Meßbereich befindet. Wenn das Ausgangssignal U_Z gemittelt wird, ist das gemittelte Signal proportional zur Stärke des Primärstroms, solange sich der Stromsensor 1 im zulässigen Meßbereich befindet, und nimmt außerhalb des Meßbereichs einen den Grenzen des Meßbereichs entsprechend Wert an.
Bei einem weiteren in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Überstromerkennung mit Hilfe von Zeit-Zähler-Bauelementen bewerkstelligt, mit denen die Dauer der Halbwellen des Ausgangssignals bestimmt wird. Bei Unterschreiten einer bestimmten vorgegebenen Zeit für die Dauer einer Halbwelle, wird ein Signal für die Übersteuerung des Stromsensors 1 an einen Ausgang abgegeben.
Abschließend sei angemerkt, daß die anhand der 7 bis 9 dargestellten Maßnahmen zur Unterdrückung schneller Transienten auch bei den in den 10 und 11 dargestellten Ausführungsbeispielen anwendbar sind.
Weiterhin sei angemerkt, daß das rücksetzbare Verzögerungsglied aus 6 und das nachtriggerbare Verzögerungsglied aus den 10 und 11 auch von einer Transistorschaltung gebildet werden können.

Claims

Stromsensor mit einem Magnetkern (3), dem eine Primärwicklung (2) für den zu messenden Primärstrom und wenigstens eine Sekundärwicklung (4) zugeordnet sind, und mit einer Meßschaltung (5 bis 14, 30 bis 80), die die Sekundärwicklung (4) mit einem sich in Abhängigkeit von der Stärke des Primärstroms periodisch ändernden Spannungssignal beaufschlagt, wobei der vom Spannungssignal hervorgerufene Sekundärstrom den Magnetkern (3) in wenigstens eine Richtung in die Sättigung treibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (5 bis 14, 30 bis 80) eine Überstromerkennung (13) aufweist, die dergestalt ist, daß sie die Dauer von positiven und negativen Halbwellen des Spannungssignals bestimmt und eine Übersteuerung des Stromsensors dadurch erkennt, daß die Dauer einer der Halbwellen eine vorgegebene Mindestzeit unterschreitet.
Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – die Meßschaltung (5 bis 14, 30 bis 80) eine Zusatzschaltung und einen damit verbundenen Ausgang (80) aufweist, – die Zusatzschaltung dergestalt ist, daß bei Übersteuerung des Stromsensors das Ausgangssignal (U_Z) am Ausgang (80) auf dem Maximalwert des Meßbereichs stehenbleibt.
Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (5 bis 14, 30 bis 80) eine Meßbrücke (5) umfaßt, an die ein linearer Verstärker (9) angeschlossen ist, dem die Meßbrücke (5) mit dem Spannungssignal beaufschlagende invertierende Verstärker (10, 11) nachgeschaltet sind.
Stromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssignal eines Inverters (11) unmittelbar am LE-Eingang und über ein rücksetzbares Verzögerungsglied (34, 35, 36) an einem Dateneingang eines ersten Flipflops (32) anliegt und das von einem zweiten Inverter (10) erzeugte, in vertierte Spannungssignal unmittelbar am LE-Eingang und über ein rücksetzbares Verzögerungsglied (37, 38, 39) am Dateneingang eines zweiten Flipflops (33) anliegt, wobei die Datenausgänge der beiden Flipflops (32, 33) mit Hilfe von Dioden (40, 41) zu einem ODER-Glied verschaltet sind.
Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der beiden Flipflop-Bausteine (32, 33) jeweils nochmals über den jeweils anderen Flipflop-Baustein (32, 33) geführt sind.
Stromsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rücksetzbare Verzögerungsglied ein RC-Glied (34, 35, 37, 38) umfaßt, wobei die Kondensatoren (35, 38) der RC-Glieder (34, 35, 37, 38) über Dioden (36, 39) entladbar sind.
Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (4) in Reihe mit Vorwiderständen (61, 62) geschaltet ist, wobei an die Enden der Sekundärwicklung (4) die Eingänge eine Logikschaltung (63, 64) angeschlossen ist, die mit einem Ausgang an den CP-Eingang eines die Vorwiderstände (61, 62) mit dem Spannungssignal beaufschlagenden Flipflops (60, 65 bis 68) angeschlossen sind.
Stromsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dateneingang des Flipflops (60, 65) über ein nachtriggerbares Verzögerungsglied (73, 74, 75) an den Ausgang der Logikschaltung (63, 64) angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Flipflops (60, 65) ein für die Übersteuerung des Stromsensors charakteristisches Ausgangssignal (U_S) liefert.
Stromsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kondensator (73) des nachtriggerbaren Verzögerungsglieds (73, 74, 75) ein Logikgatter (78) angeschlossen ist, dem ein weiteres Flipflop (77) nachgeschaltet ist, wobei der Ausgang des Flipflops (77) ein dem maximalen Meßbereich entsprechendes Ausgangssignal (U_Z) liefert.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwicklung (2) eine primäre Transientenwicklung (50) nachgeschaltet ist.
Stromsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der primären Transientenwicklung (50) eine sekundäre Transientenwicklung (51) zugeordnet ist, die an eine Integratorschaltung (52) angeschlossen ist, die ein für einen Mittelwert charakteristisches Integrationssignal (U_I) liefert.
Stromsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Überstromsignal (U_S) und das Integrationssignal (U_I) ein ODER-Glied (53) beaufschlagen.
Stromsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der primären Transientenwicklung (50) eine in Reihe mit der Sekundärwicklung (4) geschaltete sekundäre Transientenwicklung (51) zugeordnet ist.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (4) in eine Vielzahl von Sekundärspulen (54) aufgeteilt ist, die auf einen die Primärwicklung (2) bildenden Primärleiter (55) umgebenden Magnetkern (3) aufgewickelt sind.