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Schaltungsanordnung zur Speisung und Überwachung einer elektrischen
Einrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltüngsenordnung zur Speisung
und Überwachung einer elektrischer tung.
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Elektrische Einrichtungen, z.B. Pegelstandme.r, 3ra;-melder, Temperatur-Mess-
und Übervachungseinrichtungen werden meist von einer zentralen Stromversorguncseinrichtung
gespeist. Die Speiseleitungen zu den eir.-elner meist räumlich weit auseinanderliegenden
Geräten werden dabei mittels Schmelzsicherungen und dergleichen abgesichert, welche
auf Kurzschlüsse etc. ansprechen. Diese weisen jedoch den Nachteil auf, ein nicht
genau definiertes Ansprechverhalten aufzuweisen. Ein weiterer Nachteil
ist
darin zu sehen, dass Schmelzsicherungen einen Ansprechstrom aufweisen, der wesentlich
über dem estrom liegt. Sollen solche Sicherungen im Zusammehang mit Überwachungseinrichtungen
zusammenarbeiten, die inexplosionsgefährdeten Räumen installiert sind, so kann nen
bei allfälligen Kurzschlüssen oder Erdschlüssen der Speiseleitungen explosionsauslösende
Funken entstehen.
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Weiterhin ist es bei schmelzsicherungsgeschützten Überwachungseinrichtungen
nur mit zusätzlichem Aufwand mcclich, einen Unterbruch der Speiseleitungen zu detektieren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordriunc zur Speisung
und Überwachung von elektrischen Einrichtungen zu schaffen, welche die vorgenannten
Nachteile nicht aufweist und welche mit einfachen Mitteln zu realisieren ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schal tungs anordnung der genannten Art
erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in eine der Speiseleitungen der elektrischen
Einrichtung ein strombegrenzendes Element geschaltet ist und dass jeder der Speiseleitungen
mindestens eine Grenzwer.uberwachungseinrichtung zugeordnet ist.
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Unter einem strombegrenzendem Element soll dabei ein solches Element
verstanden werden, das bis zu einer bestimmten, einstellbaren Grenzstromstärke eine
monoton steigende Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist, ab der Grenzstromstärke
den Strom auf einen konstanten Wert begrenzt. Derartige Elemente sind zum Beispiel
aus Verstärker-Dreipolen aufgebaute Konstantstromquellen, Feldeffekt-Dioden und
dergleichen.
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Die Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung wird nachstehend anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert.
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In der Figur ist eine Last L mittels zweier Speiseleitungen 1 und
2 an ein Netzgerät 3 angeschlossen. Der eine Pol des Netzgeräts liegt an Erde. In
die Speiseleitung 1 zum positven Anschluss des Netzgeräts 3 ist eine sogenannte
Konstantstromquelle in Darlington-Schaltung eingeschaltet. Diese besteht aus zwei
npn-Transistoren 4 und 5, einem aus den Widerständen 6, 7 und 8 besteenden Basisspannungsteiler
zur Einstellung des Stromes und einem Emitterwiderstand 9. Die andere Speiseleitung
2 liegt über einen Widerstand 10 an Erde.
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Den Speiseleitungen 1 und 2 ist jeweils eine Grenzwert-Uberwachungseinrichtung
t'I bzw. 12 zugeordnet. Letztere
können beispielsweise als Schmitt-Trigger
mit einstellbarer Ansprechschwelle ausgebildet sein. Auch eignen sich vorzugsweise
als monolithisch integriert Schaltungen erhältliche Komparatoren für diesen Z eck.
Die Anschaltung von Komparatoren ist in der Figur be-.spielsweise veranschaulicht.
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Der Signaleingang ES des Komparators 12 ist ar die Speiseleitung 2,
sein Vergleichs- oder Referenzeingang ER an Erde angeschlossen. Der Signaleingang
ES Hes Komparators 11 ist an die Speiseleitung 1, sein Vereichs-oder Referenzeingang
ER an die Speiseleitung 2 angeschlossen.
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Die interne Beschaltung beider Komparatoren ist so ausgelegt, dass
unter normalen Betriebsverhältnissen beide Komparatoren nicht ansprechen: Die Stromquelle
sei auf einen bestimmten Stromwert 10 eingestellt. Dieser Strom verursacht in der
Last L einen Spannungsabfall ULo und im Widerstand 10 einen Spannungsabfall U10
. Der Komparator 11 soll also auf Abveichungen von ULo, der Komparator 12 auf Abweichungen
von U100 ansprechen.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung geht aus folgendem hervor:
Im
Falle eines Erschlusses der Speiseleitung 2 wird der Widerstand 10 kurzgeschlossen,
die Spannung U100 wird Null. Dies bringt den Komparator 12 zur Ansprechen.
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Bedingt durch die Anspeisung der Last L mit konstantem Strom 10 ändert
sich der Spannungsabfall an der Last nicht, der Komparator 11 spricht nicht an.
Das Ansprechen des Komparators 12 kann also zur Sinaiis-erung "Erdschluss der Speiseleitung
2" herangezogen werden. Ein Kurzschluss zwischen beiden Speiseleitungen 1 und 2
bringt den Komparator 11 zum Ansprechen, nicht aber den Komparator 12.
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Ein Erdschluss der Speiseleitung 1 lässt beide Komparatoren 11 und
12 ansprechen. Schaltet man an die Ausgänge beider Komparatoren 11 und 12 ein UND-Glied
13, so bedeutet die Änderung sies Signalzustandes des Ausgangs dieses UND-Glieds
13 "Brdschluss der Speiseleitung 1Z'.
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Ähnliche Verhältnisse ergeben sich, wenn eine der beiden Speiseleitungen
durch irgendwelche Umstände mit der auf UB-Potential liegenden Klemme des Netzgeräts
in Berührung kommen: Ensteht ein Kurzschluss zwischen der UB-Leitung und der Speiseleitung
1, so wird die Stromquelle kurzgeschlossen. An der Speiseleitung 1 liegt die volle
Betriebspannung UB. Der Spannungsabfall UL an der Last vergrössert sich, ebenso
der am Widerstand 10.
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Zur Erfassung dieses Betriebs zustandes sind die beiden Komparatoren
an sich nicht geeignet, da diese - bedingt durch ihre Bauart - nur Veränderungen
ihrer Spannungs- -differenzen zwischen ihren Eingängen in einer Richtung detektieren.
Aus diesem Grunde ist ein weiterer Komparator 14-vorgesehen, dessen Signaleingang
E5 an der Speiseleitung 1 und dessen Vergleichs- oder Referenzeingang ER an Erde
liegt. Überschreitet die Differenzspannung zwischen den genannten Eingängen einen
bestimmten Wert, so spricht dieser Komparator 14 an. 9uf Verkleinerung von UL und/oder
ULo+ U10o , d.h. auf Erdschlüsse der Speiseleitungen 1 und 2 bzw. Kurzschluss zwischen
beiden Speiseleitungen, spricht der Xomparator 14 hingegen nicht an.
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Neben den geschilderten Überwachungsmöglichkeiten weist die beschriebene
Schaltungsanordnung den grossen Vorteil auf, definierte Kurzschlüss-Ströme einzustellen.
Diese können sich nach der Grösse der Last richten und sind, wenn die Last eine
elektrische oder elektronische über uachungs- oder Meldeeinrichtung ist, vergleichsweise
klein. Damit ist auch die Fukenbildung bei turz- oder Erdschlüssen vernachlässigbar
klein.
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Die Grenzwertmeldeeinrichtungen können räumlich mit dem die elektrischen
Einrichtungen speisenden Netzgerät rnumlich
vereinigt, z.B. in
einer Zentrale installiert, sein.
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Der zusätzliche Aufwand, der sich durch die beschriebenen Massnahmen
gegenüber herkömmlichen Speiseeinrichtungen ergibt, ist vergleichsweise gering,
wenn man die sich daraus ergebenden zusätzlichen und wirtschaftlichen Moglichkeiten
zur Überwachung in Betracht zieht, zumal si7h sowohl Konstantstromquellen als auch
Komparatoren ir Form integrierter Bausteine preisgünstig realis-eren lassen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der beschriebenen Schaltungsanordnung
besteht darin, den Widerstand lC zwischen Speiseleitung 2 und Erde durch eine Zenerdiode
1= zu ersetzen. Dies ist in der Zeichnung durch strichlierte Verbindungslinien veranschaulicht.
Der Zenerstrom dieser Diode ist dabei dem Strom Io angepasst. Eine derartige Weiterbildung
der Erfindung bringt eine weitere Stabilisierung der Spannung zwischen der Speiseleitung
2 und Erde mit sich.
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Zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der beschriebenen Schaltungsanordnung
ist ein parallel zum Emitterwiderstand 9 mittels einer Taste 16 zuschaltbarer Widerstand
17 vorgesehen. Nach Betätigen dieser Taste erhöht sich der Normalstrom 10 um einen
bestimmten Betrag. Wird dieser so gewählt, dass der durch die Stromerhöhung entstehende
höhere
Spannungsabfall den Komparator 14 zum Ansprechen bringt, so kann letzterer neben
seiner oben geschilderten Ueberwachungsfunktion auch noch zum Ueberprüfen der Funktionstüchtigkeit
der Schaltungsanordnung herangezogen werden.
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Eine andere Möglichkeit der Ueberprüfung kann darin bestehen, den
Widerstand 10 durch Farallelschalten eines weiteren widerstandes zu verkleinern,
wodurch s n der Spannurigsabfall U Oo verkleinert und den Komparator 12 zur Anspre-10o
chen bringt. Statt der Parallelschaltung eines Widersta;ldes kann auch mittels eines
Tasters 25 ein Erdschiuss zwischen Leitung 2 und Erde simuliert werden, wodurch
sich gleichermassen die Funktionstüchtigkeit bzw. 3etriebssicherheit der Anordnung
überprüfen lässt. In ähnlicher Weise könnte auch ein Erdschluus der Speiseleitung
1 mittels eines weiteren (nicht dargestellten) Tasters simuliert werden.
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Bei bestimmten Anwendungsfällen, z.B. Ueberwachung von physikalischen
Grössen in explosionsgefährdeten Räumen bestehen Vorschriften, nach denen zusätzlich
Schmelz- oder gleichwertige Sicherungen in den Speiseleitungen eingeschaltet werden
müssen. Um diesen Vorschriften zu genügen, bestehen bei der beschrieben Schaltungsanordnung
zwei Möglichkeiten:
In mindestens einer der beiden Speiseleitungen
1 bzw. 2 ist zusätzlicn ein Sicherungselement eingeschaltet. Dabei ist zu brücksichtigen,
dass derartige Elemente einen bestimmten ohmschen Widerstand bei gegebenem Nennstrom
aufweisen, welche beide vom Hersteller angegeben erden.
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Entweder der Emitterwiderstand 9 oder der Widerstand 10 werden durch
ein Sicherungselement mit definierte beider standswert ersetzt.
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Durch eine besondere Ausbildung der Last L gelangt man zu einem weiteren
Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung. Ist die Last L ein Ueberwachungsgerät,
z.3.
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ein Temperatur- oder Brandwächter, und wird das AnsFrechen des Ueberwachungsgeräts
als Kurzschluss zwischen den beiden Speiseleitungen 1 und 2 motiviert, sc kann die
Schaltungsanordnung gleichzeitig auch als Auswerte- bzw.
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Meldeeinrichtung für das Ueberwachungsgerät dionen. Diese Möglichkeit
ist in der Zeichnung beispielsweise angedeutet.
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Die Last L, d.h. das Ueberwachungsgerät, besteht dabei beispielsweise
aus der Reihenschaltung eines Thyristors 18, einer Diode 19 und einem Widerstand
20. Parallel zu dem Thyristor 18 liegt ein Kondensator und ein Lastwiderstand 22.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung geht aus folgendem hervor:
Wird der Thyristor 18 beispielsweise durch Änderung einer Zustandsgrösse durchgesteuert,
d.h. überschreitet seine Gate-Spannung einen bestimmten Wert, so wird der Lastwiderstand
22 kurzgeschlossen (die Restspannung über dem Thyristor sei dabei vernachlässigt).
Die Spannung zwischen den beiden Speiseleitungen sinkt auf einen durch den Widerstand
20, die Restspannung der Diode 19 und die des Thyristors 18 definierten Wert. Dies
wiederum hat ein Ansprechen des Komparators 11 zur Folge. Die Diode 19 hat dabei
die Aufgabe, im Falle eines Kurzschlusses zwischen den beiden Speiseleitungen die
Entladung des Kondensators 21 und damit allfällige Funkenbildung zu verunmöglichen.