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Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Meßspannung In der Schutztechnik
besteht häufig das Problem, eine Meßspannung nicht ausschließlich im Hinblick auf
die Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes zu überwachen.
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Die Spannungsüberwachung soll vielmehr in der Weise erfolgen, daß
bei einer kurzzeitigen geringen Überschreitung des Grenzwertes noch kein Schutzsignal
erzeugt wird, bei einer großen Überschreitung des Grenzwertes soll jedoch unverzüglich
ein Schutzsignal gebildet werden. Ebenso ist bei einer länger andauernden geringen
Überschreitung des Grenzwertes ein Schutzsignal erwinscht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zu schaffen, welche die Erzeugung eines Schutzsignals mit der beschriebenen Auslösecharakteristik
ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird hierzu ein von der Meßspannung beaufschlagtes
Verzögerungsglied und ein nachgeschalteter Grenzwertmelder zur Bildung eines Schutzsignals
vorgeschlagen, wobei das Verzögerungsglied von einem Schwellwertglied überbrückt
ist.
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Die zu überwachende Meßspannung wird zweckmäßigerweise von einem Meßwandler
gebildet, der eine elektrische oder nichtelektrische Größe in eine proportionale
Spannung umsetzt.
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Als Verzögerungsglied wird eine elektronische Schaltung benötigt,
deren Ausgangsspannung bei einem Spannungssprung am Eingang mit dei Zeit stetig
ansteigt. geeignete Verzögerungsglieder
sind beispielsweise RC-Glieder
oder LC-Glieder, passive und aktive Filter sowie temperaturabhängige Widerstände
mit positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten, sogenannte PTC-oder NTC-Widerstände.
Der Grenzwertmelder soll eine sprungförmige Änderung seines Ausgangssignalzustandes
als Schutzsignal erzeugen, wenn seine Eingangsspannung einen vorgegebenen Grenzwert
übersteigt. Hierzu ist beispielsweise ein sogenannter Kippverstärker geeignet, aber
auch ein Relais, dessen Ansprechspannung den Grenzwert bildet.
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Als Schwellwertglied wird ein elektronisches Bauelement oder eine
elektronische Schaltung benötigt, dessen ohmscher Widerstandswert oberhalb einer
Durchbruchs spannung wesentlich geringer ißt als unterhalb der Durchbruchspannung.
Geeignete Schwellwertglieder sind beisp-elsweise Gasentladungsröhnen, spannungsabhängige
Widerstände (VDR) und insbesondere Schwellwertdioden und Zenerdioden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Ausgestaltungen werden im folgenden anhand der Figuren näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 2 eine Darstellung ihrer Auslösecharakteristik, Fig. 3, 4 Ausführungsbeispiele
von geeigneten Schaltungen, Fig. 5 eine prinzipielle Anordnung einer Schutzeinrichtung
mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 6
10 Ausführungsbeispiele von geeigneten Schutzeinrichtungen.
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Der in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen
Schaltungsm ordnung zur Überwachung einer Meßspannung U4 zeigt ein Verzögerungsglied
1 mit einem nachgeschalteten Grenzwertmelder 2 und ein das Verzögerungsglied 1 überbrückendes
Schwellwertglied 3. Die zu überwachende MeAspannung U4 ist an die Eingangsklemme
4 angelegt. Das Schutzsignal U6 erscheint an der Ausgangsklemme 6.
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Im Blocksymbol für den Grenzwertmelder 2 ist der Verlauf seiner Auagangsspannung
U6 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U5 an Klemme 5 dargestellt. Unterhalb
eines Grenzwertes Ua ist die Äusgangsspannung des Grenzwertmelders Null. Übersteigt
seine Eingangsspannung U5 den Grenzwert Ua, so springt die Ausgangsspannung U6 auf
einen vorgegebenen Wert. Dies wird als Erzeugung eines Schutzsignals angesehen.
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Im Blocksymbol für das Verzögerungsglied 1 ist dessen Übergangsfunktion
eingezeichnet, die den zeitlichen Verlauf der Spannung US an Klemme 5 bei einem
Spannungssprung an der Eingangsklemme 4 darstellt. Änderungen der überwachten Meßspannung
U4 an der Eingangsklemme 4 erscheinen mit einer der Übergangsfunktion entsprechenden
Verzögerung am Eingang des Grenzwertmelders 2. Der Grenzwertmelder 2 wird daher
erst dann ansprechen und ein Schutzsignal erzeugen, wenn die überwachte Meßspannung
U4 seinen Grenzwert Ua bereits für eine gewisse, von der Größe der Überspannung
entsprechend der Übergangsfunktion abhängige Zeitdauer überschritten hat.
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Im BlocksyXbol für das Schwellwerglied 3 ist dessen Widerstandswert
R3 in Abhängigkeit von der angelegten Meßspannung U4 eingezeichnet. Unterhalb einer
Durchbruchsspannung Ud ist der Widerstand R3 des Schwellwertgliedes praktisch unendlich
groß und jenseits der Durchbruchsspannung sehr klein. In.
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der Praxis sind Schwellwertglieder verwendbar, deren Widerstandswart
oberhalb
der Durchbruchs spannung wesentlich größer ist als unterhalb. Als Schwellwertglied
kann insbesondere eine Zenerdiode eingesetzt werden, die jenseits einer Zener- oder
Durchbtuchsspannung einen konstanten Spannungsahfall aufweist.
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Übersteigt die Meßspannung U4 die Summenspannung aus der Durchbruchs
spannung der Zenerdiode und dem Grenzwert des Grenzwertmelders, so erzeugt der Grenzwertmelder
unverzögert ein Schutzsignal.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist die in Fig. 2 dargestellte
Auslösecharakteristik auf, bei der die Bildung eines Schutzbefehls an der Ausgangsklemme
6 in Abhängigkeit von der Meßspannung U4 und der Zeit t in einer doppelt logarithmischen
Darstellung veranschaulicht ist. Im schraffierten Bereich wird ein Schutzsignal
gebildet. Man erkennt, daß bei einer die Summenspannung Ud + U a übersteigenden
Meßspannung U4 das Schutzsignal praktisch unverzögert erscheint. Bei einer Bespannung
unterhalb der Summenspannung Ud + Ua erfolgt die Ausgabe des Schutzsignals mit einer
der Übergangsfunktion des Verzögerungsgliedes entsprechenden Verzögerung. Dieser
Bereich ist durch den linear fallenden Teil der Auslösecharakteristik gekennzeichnet.
Bleibt die Meßspannung U4 unterhalb des Grenzwertes U a des Grenzwertmelders 2,
so wird kein Schutzsignal gebildet.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße elektronische
Schaltung dargestellt, mit der eine Meßspannung im Hinblick auf die Überschreitung
eines positiven und eines negativen Grenzwertes überwacht werden kann. Als Verzögerungsglied
la ist ein RC-Glied mit den Widerständen r1 und r2, sowie einem Kondensator cl vorgesehen.
Das Verzögerungsglied 1a ist von einer Gasentladungsröhre 7 als Schwellwertglied
überbrückt. Der Grenzwertmelder 2a erzeugt ein Schutzsignal, wenn seine Eingangsspannung
U5 einen positiven ruder einen negativen Grenzwert übersteigt.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist das Verzögerungsglied 1b als
aktives Filter dritter Ordnung ausgebildet, das einen Operationsverstärker 10 und
Kondensatoren 11, 12, 13 tn der dargestellten Beschaltung enthält. Das aktive Filter
1b verzögert Spannungsänderungen seiner Eingangsspannung entsprechend seiner Übergangsfunktion.
Der Grenzwertmelder 2b enthält einen als Kippverstärker beschalteten Operationsverstärker
14 mit einem Mitkopplungswiderstand 15 und einem an einem Potentiometer 16 einstellbaren
Grenzwert. Das Potentiometer 16 liegt zwischen einem positiven Potential P und Masse.
Anstelle eines Potentiometers kann auch ein Spannungsteiler vorgesehen sein. Das
Verzögerungsglied 1b ist von einer Schwellwertdiode 8 als Schwellwertglied überbrückt.
Rückwirkungen vom Ausgang 5 des Verzögerungsgliedes 1b werden von einer Diode 9
gesperrt. Überschreitet die Meßspannung an der Eingangsklemme 4 die Summenspannung
aus der Durchbruchs spannung der Schwellwertdiode 8 und dem Grenzwert des Grenzwertmelders
2b, so wird der Grenzwertmelder 2b unter Umgehung des Verzögerungsgliedes 1b unverzögert
angesteuert. Bleibt die Überschreitung der Meßspannung unterhalb dieser Summenspannung,
so wird der Grenzwertmelder 2b mit einer Verzögerung angesteuert, die sich aus der
Übergangsfunktion des aktiven Filters 1b ergibt. Bei einem aktiven Filter läßt sich
die gewünschte Übergangsfunktion exakt realisieren.
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In der dargestellten Beschaltung der Schwellwertdiode 8 und der Einstellung
des Grenzwertes im Grenzwertmelder 2b ist die Schaltungsanordnung der Fig. 4 zur
Überwachung von positiven Meßspannungen geeignet. Zur Überwachung von negativen
Meßspannungen kann die Schwellwertdiode 8 umgepolt und ein entsprechender negativer
Grenzwert im Grenzwertmelder vorgegeben werden.
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Es besteht weiterhin die Möglichkeit, den Grenzwert
des
Grenzwertmelders nicht fest vorzugeben, sondern in Abhängigkeit von einer geeigneten
Größe zu führen. Dies kann im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dadurch erreicht werden,
daß das Potentiometer 16 nicht an ein festes Potential P angeschlossen wird, sondern
an ein veränderliches Potential.
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Dieses kann beispielsweise die Ausgangsspannung eines Meßwandlers
sein, der eine geeignete Größe überwacht. Bei der Überwachung eines elektrischen
Verbrauchers kann man auf diese Weise den Grenzwert des Grenzwertmelders in Abhängigkeit
von der Stromaufnahme führen. Dadurch ist ein besonders guter Schutz im Teillastbetrieb
gegeben. Es ist auch möglich, zur Führung des Grenzwertes den Abgriff am Potentiometer
16 zu verstellen.
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Im Gegensatz zu elektromechanischen Anordnungen mit ähnlichen Auslösecharakteristiken
ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Meßspannung
eine definierte Vorgabe der Verzögerungszeiten, des Grenzwertes und der Durchbruchs
spannung auch im Bereich sehr kleiner Zeiten und sehr kleiner Spannungen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere
zum Schutz elektronischer Schaltungen vor Überspannungen. Bei elektronischen Schaltungen
sind häufig zwei Spannungsgrenzen für die Versorgungsspannung gegeben. Eine niedrige
Spannungsgrenze ist durch die thermische Belastbarkeit der elektronischen Bauelemente
gegeben. Diese thermisch bedingte Grenze darf kurzzeitig überschritten werden. Eine
höhere Spannungsgrenze ist durch die Durchbruchs spannung der elektronischen Bauelemente
gegeben. Diese höhere Grenze darf niemals - auch nicht kurzzeitig - überschritten
werden.
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Für derartige elektronische Schaltungen läßt sich eine Schutzeinrichtung
aufbauen, die eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält, deren Schutzsignal
ein Auslöseglied steuert. Der Grenzwert U a des Grenzwertmelders in der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung entspricht der niedrigeren Spannungsgrenze, Während die Spannung
Ua + Ud die höhere Spannungsgrenze darstellt.
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Fig. 5 zeigt die prinzipielle Anordnung einer derartigen Schutzeinrichtung.
Zwischen einem Versorgungsgerät 17 und einer elektronischen Schaltung 18 als Verbraucher
ist eine Schutzeinrichtung 20 angeordnet. Die Ausgangsklemmen des Versorgungsgeräts
17 sind mit a1, a2 und die Eingangsklemmen der elektronischen Schaltung 18 mit b1,
b2 bezeichnet.
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Dem Versorgungsgerät 17 ist als Sicherung ein Schütz 21 vorgeschaltet,
das von einer Überwachungsstufe 19 für den von einem Strommeßwandler 22 erfaßten
Strom angesteuert ist. Die Schutzeinrichtung 20 hat die Aufgabe, bei einer für die
elektronische Schaltung 18 unzulässigen Überschreitung ihrer Versorgungsspannung
gemäß einer vorgegebenen Auslösecharakteristik einen Kurzschluß zwischen den Ausgangsklemmen
al, a2 des Versorgungsgeräts 17 herbeizuführen. Der..Strommeßwandler 22 erfaßt den
dadurch entstehenden Kurzschlußstrom und löst über die Überwachungsstufe 19 das
Schütz 21 aus.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Innenschaltung einer geeigneten
Schutzeinrichtung zwischen den Klemmen al, a2 und b1, b2. Die Schutzeinrichtung
enthält ein Verzögerungsglied mit Widerständen r3, r4 und einem Kondensator c2,
sowie einer Zenerdiode Z1 als Schwellwertglied.
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Als Grenzwertmelder ist eine weitere Zenerdiode Z2 vorgesehen, die
mit dem Steueranschluß eines Thyristors Trl
als Auslöseglied verbunden
ist. Beim Überschreiten der Summe der Durchbruchsspannungen der Zenerdioden Z1 und
Z2 wird der Thyristor Tr1 gezündet und schließt die Klemmen al, a2 kurz. Wenn die
Spannung zwischen den Klemmen al und a2 die Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden
Zl und Z2 übersteigt, so wird der Thyristor Tr1 unverzögert gezündet. Bei Überspannungen
unterhalb der Summe der Durchbruchsspannungen der Zenerdioden Z1 und Z2 erfolgt
die Zündung des Thyristors Tr1 mit einer Verzögerung, die sich aus der Übergangsfunktion
des Verzögerungsgliedes r3, r4, c2 ergibt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist
es unter Umständen möglich, auf die Zenerdiode Z2 zu verzichten und stattdessen
als Grenzwert des Grenzwertmelders die untere Zündgrenze der Zündspannung des Thyristors
Tr1 zu wählen. Hierbei ist jedoch der Streubereich der unteren Zündgrenze und ihre
Abhängigkeit von der Temperatur und der anliegenden Anoden-Kathoden-Spannung zu
berücksichtigen.
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Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer derartigen Schutzeinrichtung
zwischen den Klemmen al, a2 und b1, b2 in Fig. 5. Als Verzögerungsglied dient ein
RC-Glied mit einem Widerstand r5, dem Innenwiderstand eines Relais dl und einem
Kondensator c3. Als Schwellwertglied ist eine Zenerdiode Z3 vorgesehen, die das
Verzögerungsglied überbrückt. Der Grenzwert eines Grenzwertmelders ist durch die
Ansprechspannung des Relais dl gegeben. Als Relais dl wird zweckmäßigerweise ein
Relais mit sehr kurzer Ansprechverzögerung gewählt, beispielsweise ein Relais mit
hermetisch abgeschlossenen Kontakten (HERKON). Mit den Kontakten des Relais dl können
entweder die Klemmen al und a2 kurzgeschlossen werden oder es können die Verbindungen
von al nach bl bzw. von a2 nach b2 aufgetrennt werden. Von weiteren Relaiskontakten
kann ein Meldesignal gebildet werden. Der Vorteil der Schaltung nach Fig. 7 besteht
darin, daß beim Verschwinden der Überspannung,
welche das Relais
dl zum Ansprechen gebracht hat, das Relais dl wieder entregt wird und somit der
Verbraucher selbsttätig wieder zugeschaltet wird.
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Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einer Schutzeinrichtung, die wiederum
zwischen die Klemmen al, a2 und bl, b2 in Fig. 5 geschaltet werden kann. Als Verzögerungsglied
ist die Widerstandskombination aus einem NTC-Widerstand r6 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
- J , einem ohmschen Widerstand r7 und dem Innenwiderstand eines Relais d2 vorgesehen.
Das Schwellwertglied wird von einer Zenerdiode Z4 gebildet. Die Ansprechspannung
des Relais d2 bildet den Grenzwert eines Grenzwertmelders. Im Verzögerungsglied
wird die thermische Zeitkonstante des NTC-Widerstandes r6 ausgenützt. Beim Ansteigen
der Spannung über r6, r7 wird der NTC-Widerstand r6sllmählich erwärmt. Hierdurch
wird sein ohmscher Widerstandswert kleiner. Damit ändert sich das Spannungsteilerverhältnis
und die Spannung am Mittelpunkt zwischen den Widerständen r6 und r7 steigt an und
kann die Ansprechspannung des Relais d2 übersteigen. Bei großen Überspannungen wird
die Zenerdiode Z4 leitend und bringt das Relais d2 unmittelbar zum Ansprechen.
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Fig. 9a zeigt eine Ausführungsform einer Schutzeinrichtung, die wiederum
zwischen die Klemmen al, a2 und b1, b2 in Fig. 5 geschaltet werden kann. Als Verzögerungsglied
ist eine Widerstandskombination mit einem ohmschen Widerstand r8, dem Innenwiderstand
eines Relais d3 und einem PTC-Widerstand r9 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
+ auf vorgesehen.
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Beim Ansteigen der Spannung über der Widerstandskombination r8, r9,
die zwischen den Klemmen al und a2 in Reihe liegt, wird der PTC-Widerstand r9 allmählich
wärmer. Damit wird sein Widerstandswert größer. Mit dieser Änderung des
Spannungsteilerverhältnisses
steigt die Spannung am Mittelpunkt zwischen den Widerständen r8 und r9 an und kann
die Ansprechspannung des Relais d3 übersteigen. Bei Überspannungen, welche die Durchbruchspannung
einer Zenerdiode Z5 als Schwellwertglied übersteigen, wird das Relais d3 unverzögert
zum Ansprechen gebracht.
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Fig. 9b zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 9a, bei der
anstelle eines PTC-Widerstandes eine Glühlampe L angeordnet ist. Da auch der Widerstandswert
einer Glühlampe mit wachsender Temperatur größer wird, zeigt eine Glühlampe ein
sehr ausgeprägtes PTC-Verhalten. Die Glühlampe L kann gleichzeitig zur Störungsanzeige
herangezogen werden.
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Fig. 10 zeigt ein äußerst einfaches Ausführungsbeispiel einer Schutzeinrichtung,
die wiederum zwischen die Klemmen al, a2 und bi, b2 in Fig. 5 geschaltet werden
kann. Als Verzögerungsglied ist eine Reihenschaltung zwischen einem NTC-Widerstand
r10 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten -2 und dem Innenwiderstand eines
Relais d4 vorgesehen. Das Schwellwertglied wird von einer Zenerdiode Z6 gebildet.
Als Grenzwert eines Grenzwertmelders ist die Ansprechspannung des Relais d4 anzusehen.
Bei einem Ansteigen der Spannung an der Reihenschaltung des NTC-Widerstandes r10
und des Innenwiderstandes des Relais d4 wird der NTC-Widerstand riO allmählich erwärmt.
Sein Widerstandswert sinkt. Die Spannung am Relais d4 steigt an und kann schließlich
dessen Ansprechspannung übersteigen. Bei sehr großen Überspannungen wird die Zenerdiode
Z6 leitend und betätigt unmittelbar das Relais d4.
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14 Patentansprüche 10 Piguren