DE2040705A1

DE2040705A1 - Current sensing circuit

Info

Publication number: DE2040705A1
Application number: DE19702040705
Authority: DE
Inventors: King Kenneth Gordon
Original assignee: Westinghouse Brake and Signal Co Ltd
Current assignee: Siemens Mobility Ltd
Priority date: 1969-08-19
Filing date: 1970-08-17
Publication date: 1971-03-04
Also published as: AU1839870A; GB1317560A; ZA705145B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Stromabfühischaltungen und insbesondere auf solche Schaltungen, die in der lage sind, Augenblickströme in der Uähe eines vorbestimmten Wertes abzufühlen bzw. festzustellen.The invention relates to current drainage circuits and in particular to those circuits that are capable of are, instantaneous currents in the vicinity of a predetermined one To feel or determine the value.

Gemäß der Erfindung ist eine Stromabfühlschaltung ge-· schaffen, welche einen vorgespannten Transformator, der einen sättigbaren Kern hat und an dessen eine Wicklung der abzuführende Strom angelegt wird, und eine Einrichtung aufweist, die beim Ansprechen auf eine Änderung der Amperwindungen in einer Eichtung, in der das Bestreben zum Entsättigen des Kernes des Transformators besteht, betätigbar ist und bei Erreichen der Entsättigung ein Ausgangssignal entstehen läßt.According to the invention, a current sensing circuit is create which a pre-stressed transformer which has a saturable core and to one winding of which the current to be dissipated is applied, and a device having, when responding to a change in the ampere turns in a direction in which the effort to desaturate the core of the transformer exists, can be actuated and when desaturation is reached Output signal can arise.

Die Schaltung kann einen Rückkopplungsoszillator enthalten, dessen Rückkopplung über den sättigbaren Transformator erfolgt.The circuit may contain a feedback oscillator, the feedback of which takes place via the saturable transformer.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel einer Stromabftihlschaltung gemäß der Erfindung dargestellt ist. The invention is explained in more detail below with reference to the drawing , in which an embodiment of a Stromabf tihls circuit according to the invention is shown.

ORiGiNALOriginal

10 9110/151510 9110/1515

MlIfKNlMNtM,UIMIWM,KfAM.«WC*■ . HAMM·»MK«MlIfKNlMNt M, UIMIWM, KfAM. «WC * ■. HAMM · »MK«

Gemäß der Zeichnung ist eine Wechselstromquelle über einen Eingangstransformstor T1 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung aufweist und deren Enden über Dioden MR1 und ME2 angeschlossen sind, deren Ausgangsanschlüsse gemeinsam über einen Widerstand R1 laufen, um eine positive Zufuhrleitung für die Schaltung zu schaffen. Die andere Zufuhrleitung ist durch .Anschluß an die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung geschaffen.As shown in the drawing, an AC power source is across connected to an input transformer T1, whose Secondary winding has a center tap and its Ends are connected via diodes MR1 and ME2, whose Output terminals run in common through a resistor R1 to provide a positive feed line for the circuit to accomplish. The other supply line is through .connection created at the center tap of the secondary winding.

Der von dem Transformator T1 und den Dioden ME1 und ME2 gebildete Vollweggleichrichter liefert über einen Grlättungskondensator C1 einen Vorspannstrom an eine Vorspannwicklung W1 eines sättigbaren Transformators T2, wobei der Strompfad zu der Vorspannwicklung W1 den Kollektorpfad eines Transistors VT1 umfaßt, der einen Kollektorwiderstand R3 und einen Emitterwiderstand R4 enthält. Der Basisstrom des Transistors VT1 wird von den oben genannten positiven und negstiven Zufuhrleitungen über ein ein/ά konstantes Potential aufweisendes Netzwerk geliefert, das von einem Widerstand R2 und einer Zenerdiode MR3 gebildet ist.That of the transformer T1 and the diodes ME1 and The full-wave rectifier formed by ME2 supplies a bias current to a bias winding via a smoothing capacitor C1 W1 of a saturable transformer T2, the current path to the bias winding W1 being the collector path a transistor VT1 including a collector resistor R3 and an emitter resistor R4. The base stream of the transistor VT1 is fed from the above-mentioned positive and negative supply lines via an a / ά Delivered constant potential having network formed by a resistor R2 and a Zener diode MR3 is.

Ein Potentialteiler, der aus Widerständen R5 und R6 besteht, ist an die positive und die/negative Leitung angeschlossen, und die Verbindungsstelle zwischen diesen Widerständen R5 und R6 ist an eine weitere Wicklung W2 des Transformators T2, die ähnlich der Wicklung W1 gewickelt ist, und über sie an einen Kondensator C3 und einen Widerstand R7 angeschlossen, wobei dieser Stromkreis eine Spannungsquelle zum Vorspannen der Basis eines Transietors VT2 dareteilt, der einen Emitterwiderstand R8 hat und In dessen Kollektorpfad eine weitere Wicklung W3 des Transformators T2 eingeschlossen ist. über die Wicklung 13 de« Transformators T2, die entgegengesetzt zu den Wicklungen W1 und W2 gewickelt ist, let ein weiterer Wideretand B9 geschaltet, an dem der Schaltungaauegang an den Anschlüssen 3 und 4 abgenommen werden kann, wie es dargestellt 1st. A potential divider consisting of resistors R5 and R6 is connected to the positive and the / negative lines, and the junction between these resistors R5 and R6 is to another winding W2 of the transformer T2, which is wound similarly to the winding W1, and connected through them to a capacitor C3 and a resistor R7, this circuit dareteil a voltage source for biasing the base of a Transietor VT2, which has an emitter resistor R8 and in the collector path of another winding W3 of the transformer T2 is included. A further resistor B9 can be connected via the winding 13 of the transformer T2, which is wound opposite to the windings W1 and W2, at which the circuit output can be taken from the connections 3 and 4, as shown.

BAD ORlQIlMALBAD ORlQIlMAL

109110/1565109110/1565

Zusätzlich wird der Schaltungseingang über Eingangsanschlüsse 5 und 6 an eine noch, andere Wicklung W4 des Transformators T2 angelegt, die ähnlich, wie die Wicklung W3 gewickelt ist. Es sei hier bemerkt, daß abhängig von der Größe des abzufühlenden oder festzustellenden Stromes die Wicklung W4 so klein sein kann, daß sie nur eine einzige Windung aufweist. Pur aus dem Nachstehenden erkennbare Zwecke sind Dioden MR4 und MR5 vorgesehen, von denen die erstere zwischen der Verbindungsstelle des Widerstandes E2 und der Diode ME3 und dem Widerstand E3 angeordnet ist, während die letztere zwischen der Kollektorelektrode des Transistors VT2 und der unteren Zufuhrleitung angeordnet ist.In addition, the circuit input is connected to another winding W4 of the via input connections 5 and 6 Transformer T2 applied, which is similar to the winding W3 is wound. It should be noted here that this depends on the magnitude of the current to be sensed or detected the winding W4 can be so small that it has only a single turn. Purely recognizable from the following Purposes are provided diodes MR4 and MR5, of which the the former between the junction of the resistor E2 and the diode ME3 and the resistor E3 arranged is, while the latter is arranged between the collector electrode of the transistor VT2 and the lower supply line is.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der in der Zeichnung dargestellten Schaltung ist es zweckmäßig, zunächst die Arbeitsweise eines vorgespannten sättigbaren Stromtransformators zu betrachten, wie er von dem Transformator T2. dargestellt ist. Y/ird zunächst die Wicklung W2 außer Acht gelassen, die eine Eückkopplungswicklung ist, welche an die Basiselektrode des Transistors VT2 angeschlossen ist, und wird lediglich ein transformator betrachtet, der drei Wicklungen aufweist, wie die Vorspannwicklung WT, eine Hauptstromwieklung W4 und eine Ausgangswicklung W3, dann ist, wenn die magnetislerende magnetmetorisehe Kraft des Transformators vernachlässigt wird und wenn die Wicklung W4 Amperewindungen aufweist, die den der Vorspannwicklung W1 zugeordneten Amperewindungen entgegengesetzt, jedoch in geringerer Anzahl vorhanden sind, der Kern gesättigt, und an. der Ausgang swicklung V/3 wird keine Spannung aufgebaut. Wenn dann der Strom in der Wicklung W4 zunimmt, bis die oben genannten Amperewindungen Gleichheit erreichen, und der Strom weiter zunimmt, wird der Kern aus der Sättigung getrieben und ein Ausgangsstrom an den Widerstand E9 geliefert. Wird angenommen, daß der Strom sich mit merkbarer Geschwindigkeit ändert, dann wird ein ausgeprägter Ausgangsstoß an demTo explain the operation of the in the drawing It is useful to start with the operation of a biased saturable current transformer to look at how he got from the transformer T2. is shown. The winding W2 is initially disregarded left, which is a feedback winding connected to the base electrode of the transistor VT2, and becomes only consider a transformer with three windings has, like the bias winding WT, a main current wave W4 and an output winding W3, then is when the magnetizing magnetometric force of the transformer is neglected and if the winding W4 ampere-turns which oppose the ampere-turns associated with the bias winding W1, but in fewer numbers are present, the core is saturated, and on. the exit winding V / 3 no voltage is built up. If then the current in winding W4 increases until the above Ampere-turns reach equality, and the current continues to increase, the core is driven out of saturation and an output current is supplied to resistor E9. Will Assuming that the current is changing at a noticeable rate, there will be a pronounced output surge at the

1 0 9 8 10/15651 0 9 8 10/1565

Widerstand R9 erzeugt, wenn der Zustand des Kernes sich aus dem Zustand der Sättigung heraus und in Richtung gegen Sättigung in entgegengesetztem Sinn bewegt.Resistance R9 creates when the state of the core is up moves out of the state of saturation and towards saturation in the opposite sense.

Ein solcher vorgespannter Stromtransformator kann daher ein einfaches und wirksames Verfahren schaffen, um anzuzeigen, wenn ein Strom, beispielsweise der der Wicklung V/4 zugeführte Strom, einen gegebenen Wert übersteigt, so lange die Geschwindigkeit oderdas Ausmaß der Änderung des Stromes ausreichend hoch ist. Jedoch arbeitet der Transformator bei geringen Inderungsgeschwindigkeiten des Eingangsstromes nicht wirksam, um ein nützliches üusgangs-Such a biased current transformer can therefore create a simple and effective method of indicating when a current, for example that of the winding V / 4 supplied current, exceeds a given value as long as the rate or amount of change of the current is sufficiently high. However, the transformer operates at low rates of change Input current is not effective in order to obtain a useful output

fc signal, beispielsweise ein Signal, wie es oben erwähnt ist, zu erzeugen. Dies ist der G-rund dafür, daß der Transistor VT2 in der Schaltung angeordnet und der sättigbare Transformator als Mittel dafür vorgesehen ist, eine Rückkopplung in einem auf dem Transistor VT2 basierendem Oszillator zu schaffen. Der Oszillator kann dahingehend arbeiten, daß er Ausgangssignale für Änderungsgeschwindigkeiten des Eingangsstromes bis herab zum Wert Null erzeugt.fc signal, for example a signal as mentioned above, to create. This is the reason why the transistor VT2 and the saturable transformer are placed in the circuit is provided as a means for providing feedback in an oscillator based on transistor VT2 create. The oscillator can operate to provide output signals for rates of change of the Input current down to the value zero.

Es soll nunmehr die gesammte Schaltung im einzelnen betrachtet werden. Bei Hichtvorhandensein von Oszillation läßt die positive Vorspannung, die über die Wicklung W2 an den Basisstromkreis des Transistors VT2 angelegt wird, einen Kollektorstrom entstehen, der durch das VerhältnisThe entire circuit will now be considered in detail. In the absence of oscillation leaves the positive bias voltage applied to the base circuit of transistor VT2 via winding W2, a collector current is created by the ratio

" der Vorspannung zu dem Wert des Widerstandes R8 bestimmt ist» Wenn der über die Vorspannwicklung W1 dem Stromkreis zugeführte Strom so eingestellt ist, daß die magnetmotorische Kraft zufolge des oben genannten Kollektorstromes annähernd neutralisiert ist, schwingt der Stromkreis mit Rechteckwellenausgang so lange, wie die geschaffene Schleifenverstärkung größer als eine Einheit ist,, Die Schwingungsperiode hängt von der Zeit ab, die der Kern braucht, um unter dem Einfluß der an der Wicklung W3 aufgebauten Spannung Sättigung zu erreichen. Ideal ist es daher möglich, die Vorspannungen an dem Stromkreis so einzustellen, daß für einen gegebenen"the bias voltage is determined by the value of the resistor R8 is »If the current supplied to the circuit via the bias winding W1 is set in such a way that the magnetomotive Force is almost neutralized due to the collector current mentioned above, the circuit oscillates with a square wave output as long as the created loop gain is greater than one unit, the period of oscillation depends from the time it takes the core to saturate under the influence of the voltage built up on winding W3 reach. Ideally, it is therefore possible to set the bias voltages on the circuit so that for a given

109810/1565109810/1565

Wert des über die Anschlüsse 5 und 6 an die Wicklung W4 angelegten Stromes der Transformator T2 sich aus der Sättigung herausbewegt und einen schnell ansteigenden schwingenden -Ausgang an dem Widerstand E9 erzeugt.Value of the via the connections 5 and 6 to the winding W4 applied current of the transformer T2 is derived from the Saturation moved out and a rapidly increasing oscillating output generated at resistor E9.

Es gibt jedoch eine Anzahl von Gesichtspunkten, die berücksichtigt werden müssen, um ein solches zufriedenstellendes Arbeiten zu erzielen. Zuerst ist es nicht natürlich, daß die Schaltung nicht schwingt, wenn der Transformator gesättigt ist, weil Schwingung auf eine andere Art und WeiseThere are a number of considerations, however must be taken into account in order to be such a satisfactory one Work to achieve. At first it's not natural that the circuit does not oscillate when the transformer is saturated, because oscillation in a different way

auftreten kann als Ergebnis wechselseitiger Kopplung zwischen den Wicklungen W3 und W2 des Transformators, und zwar unabhängig von dem Vorhandensein eines Kernes. Dies führt zu dem Ergebnis, daß ein ungehindertes Bestreben zum Schwingen vorhanden sein kann, weil die Schleifenverstärkung nicht von den KernCharakteristiken abhängt, wenn die Wicklungen genügend fest gekoppelt sind. Demgemäß ist, um zu ermöglichen, daß die Schaltung in der beabsichtigten Weise arbeitet, der Kondensator CJ vorgesehen, der die Wirkung hat, das Änderungsausmaß bzw. die Änderungsgeschwindigkeit des Kollektorstromes des Transistors VT2 zu begrenzen und auf diese Weise die Schleifenverstärkung zu verringern, während die Transformatorinduktanz unter dem Einfluß der sättigenden magnetmotorischen Kraft in dem Transformator sich verringert. Bsist in der Braxis weiterhin gefunden worden, daß es erwünscht ist, den Widerstand S7 in Beine mit dem Kondensator C3 zu schalten, um einen ausreichend klaren Übergang/zwisohen dem Schwillst and und dem JTichtschwingzustand der Schaltung zu gewährleisten, ohne durch eine Zwischenstufe von Schwingung höherer Frequenz in einer unterschiedlichen Weise hindurchzugehen.can occur as a result of mutual coupling between the windings W3 and W2 of the transformer, regardless of the presence of a core. this leads to the result that there may be an unimpeded tendency to vibrate because the loop gain does not depend on the core characteristics, if the windings are sufficiently tightly coupled. Accordingly, In order to enable the circuit to operate in the intended manner, capacitor CJ is provided which has the effect has, the extent of change or the rate of change to limit the collector current of the transistor VT2 and in this way to reduce the loop gain while reducing the transformer inductance under the influence of the saturating magnetomotive force in the transformer decreases. Bs is still found in the Braxis been that it is desirable to put the resistor S7 in legs with the capacitor C3 to switch to a sufficient clear transition / between the Schwillst and the JTichtschwingungsstatus to ensure the circuit without going through an intermediate stage of higher frequency oscillation in a different way of going through it.

Bie&er jlrfc auf die funktion des !transistors ff 1 keift beeonderer Bezug genommen worden. Dieser Transistor W ar~ beitet daMngehend, eine zweckentsprechend hohe Imp©dana in Reihe alt der Transformatorwicklung ψί zu achaffan, um •inen !ebenechluß dte Auagangaßtroffikraicea durch Sie WicklungBie & er jlrfc no particular reference has been made to the function of the transistor ff 1. This transistor W ar ~ beitet daMngehend, an appropriately high Imp © dana in series old the transformer winding ψί to achaffan, • inen to! Ebenechluß dte Auagangaßtroffikraicea by you winding

101010/1586 ^BAD OBIGtNAi 101010/1586 ^BAD OBIGtNAi

W1 zu verhindern. Der Transistor VT1 bildet weiterhin die Quelle konstanten Vorspannstromes für die Zufuhr zu der Wicklung W1, und er ist zweckmäßiger als eine Induktanz, die stattdessen verwendet werden könntet.W1 to prevent. The transistor VT1 also provides the source of constant bias current for the supply of winding W1, and it is more convenient than an inductance which could be used instead.

Die Dioden MR4 und MR5 sind hauptsächlich vorgesehen, um den Aufbau übermäßigen Spannungen zu verhindern, wenn das Änderungsausmaß bzw. die Änderungsgeschwindigkeit des Eingangsstromes zu der Wicklung W4 der Schaltung hoch ist»The diodes MR4 and MR5 are mainly provided, to prevent the build-up of excessive stress when the rate of change of the Input current to winding W4 of the circuit is high »

Die Erfindung ist vorstehend in Anwendung bei einer besonderen Form eines ^szillatorstromkreises bzw» eines Schwingkreises beschrieben worden, jedoch ist sie offen- W sichtlich nicht auf einen solchen besonderen Stromkreis beschränkt, sondern kann auch bei anderen Stromkreisen angewendet werden.The invention has been described above as applied to a particular form of a ^ szillatorstromkreises or "a resonant circuit, but it is open- W clearly not limited to such a special circuit, but can also be applied to other circuits.

Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß durch geeignetes Vorspannen die Schaltung veranlaßt werden kann, als ausreichend empfindlicher Nullstromdetektor zu arbeiten, jedoch ist die Erfindung insbesondere auf solchen Gebieten von Interesse, wo es erforderlich ist, ein Ausgangssignal entsprechend dem Erreichen eines vorbestimmten Grenzstromwertes zu erzeugen. Solche Anwendungsgebiete umfassen das Gebiet der elektrischen Fahrzeugregler, bei denen ein Thyristor-Zerhackerregler für ein elektrisches Fahrzeug ^ durch einen Kommutierungsetromkreis automatisch immer dann abgeschaltet wird, wenn der darin fließende Strom einen vorbestimmten Wert erreicht. Gewöhnlich wird in solchen Schaltungen das Anschalten durch geeignete Zeitgeberstromkreise gesteuert, wobei das Impuletastverhältnie des einer Motorlast von einer Gleichstromquelle zugeführten Stromes durch die Zeitgeberstromkreiee bestimmt und mittels eines Pedals oder einer von Hand betätigbaren Vorrichtung gesteuert wird. From the foregoing it can be seen that by suitable biasing the circuit can be made to operate as a sufficiently sensitive zero current detector, but the invention is of particular interest in those areas where it is necessary to generate an output signal corresponding to a predetermined limit current value being reached. Such areas of application include the field of electrical vehicle regulators, in which a thyristor chopper regulator for an electric vehicle ^ is automatically switched off by a commutation circuit whenever the current flowing therein reaches a predetermined value. Usually in such circuits the power-up is controlled by suitable timer circuits, the pulse duty factor of the current supplied to a motor load from a direct current source being determined by the timer circuits and controlled by means of a pedal or a manually operated device.

Die Stromabfunisonaltung ist nicht darauf beschränkt, obere Stromgrenzwerte abzufühlen, sondern sie kann gleichfalls dazu verwendet werden_f das Vorhandeneein von Stro»The Stromabunisonaltung is not limited to sense upper current limit values, but it can also be used _for the presence of current »

109810/1668109810/1668

an' einer unteren Änderungsgrenze festzustellen. Sie könnte somit in einem vollstromgesteuerten Zerhackerregler verwendet -werden, in welchem Vorspannströme zu zwei Dedektoren zusammen mittels einer Handsteuerung geändert werden, wobei ein Unterschied zwischen ihnen dem zugelassenen Spitze-zu-Spitze-Brummstrom in einer Last entspricht. Die Art des
Betriebs würde im wesentlichen darin bestehen, Mittel vorzusehen, die auf die obere Grenze ansprechen, um den Zerhacker abzuschalten. &s ist ersichtlich, daß bei einer
solchen Anwendung die Last gewöhnlich mit einem geeigneten freilaufenden Bfad zu versehen ist, um zu ermöglichen, daß der Strom in der Last kontinuierlich aufrechterhalten wird.at 'a lower change limit. It could thus be used in a full-current controlled chopper regulator in which bias currents to two detectors are changed together by means of a hand control, a difference between them corresponding to the permitted peak-to-peak ripple current in a load. The type of
Operation would essentially consist in providing means responsive to the upper limit to shut down the chopper. & s it can be seen that with a
for such application the load is usually to be provided with a suitable free running path to enable the current in the load to be continuously maintained.

Eine weitere einfachere Anwendung einer Stromabfühlschaltung gemäß der Erfindung liegt in einer Reihenreglerschaltung, wodurch eine Brechstangen-Wirkung hervorgerufen werden kann, um den Regler und die Last in dem Fall zu umgehen, daß ein Strom erreicht wird, der einen vorbestimmten Viert überschreitet. ;Another simpler application of a current sense circuit according to the invention lies in a series regulator circuit, creating a crowbar effect to bypass the regulator and load in the event that that a current is reached which exceeds a predetermined fourth. ;

10 9 810/156510 9 810/1565

Claims

1J current sensing circuit characterized by a biased transformer (T2) that has a saturable Has core and to one winding of which the current to be dissipated is applied, and by a device that at Responding to a change in ampere turns in one Direction in which the effort to desaturate the core of the transformer is viewed, can be actuated and when it is reached the desaturation gives rise to an output signal.

^ 2. Circuit according to claim 1, characterized in that that the sättigälbre transformer (T2) is connected as a feedback transformer in an oscillating circuit.

3. A circuit according to claim 2, characterized in that the transformer (T2) has three further Y / icklungs, a bias winding (W1) receiving a current biasing the transformer, a feedback winding (V / 2) and an output winding (W3) that are contained in the resonant circuit sim.

4o circuit according to claim 3, characterized gekennzeicnii- o » that the resonant circuit contains a transistor (VT2) whose collector current path contains the output winding (W3) and whose -ßasisärompfad contains the feedback winding ('Λ2), fe 5. A circuit according to claim 4, characterized by a Capacitor (C3) connected to control the amount of change or the rate of change of the base bias difficult at the transistor (VT2).

6. A circuit according to claim 5, characterized in that the capacitor (C3) in series with a resistor (R7) is connected between the base electrode of the transistor (VT2) and a common point of the circuit »

7. Circuit according to one of claims 1 to 6, characterized by the bias winding (W1) of the transformer (T2) feeding transistor (VT1) with a device which determines its base bias voltage in order to the TransfPrmato, r to apply a predetermined bias current.

10 9 8 10/156510 9 8 10/1565