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Detektoranordnung zur Überwachung von Wechselspannung
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schaltenden Halbleiterschaltern für Vollwellenbetrieb Die Erfindung
bezieht sich auf eine Detektoranordnung zur Überwachung von Wechselspannung schaltenden
Halbleiterschaltern für Vollwellenbetrieb, vorzugsweise Triacs, auf einwandfreies
Sperr- und Leitverhalten in beiden Spannungsrichtungen, insbesondere für Freisignalschalter
von Straßenverkehrssignalanlagen.
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Solche Detektoranordnungen werden zur Grünüberwachung bei Verkehrssignalanlagen
eingesetzt und als Freisignaldetektoren bezeichnet. Sie überwachen die Schaltzustände
der Freisignalschalter und verhindern über Logikschaltungen, daß einander feindliche
Fahrtrichtungen zugleich freigegeben
werden können. Die feindlichen
Fahrtrichtungen bleiben gesperrt, wenn die überwachte Fahrtrichtung auf Grün geschaltet
ist oder wird. Aus Gründen der Eigensicherheit wird das Ruhestromprinzip angewendet,
das heißt, das Ausbleiben eines Signals des Freisignaldetektors wird als Grünschaltung
der überwachten Fahrtrichtung gewertet. Die herkömmlichen bekannten Freisignaldetektoren
sind für Signalschalter mit mechanischen Kontakten ausgelegt. Diese können jedoch
nur zwei Schaltzustände einnehmen, nämlich "Schalter geschlossen" und "Schalter
offen". Es ist somit nur zu überwachen, ob ein Strom fließt oder nicht fließt. Derartige
Freisignaldetektoren sind über Diodenankoppelungen parallel zum Signalschalter recht
einfach zu realisieren. Mechanische Kontakte können funktechnisch nicht oder nur
schwer störarm geschaltet werden.
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Es werden daher zunehmend Halbleitersignalschalter eingesetzt, mit
denen man definiert um den Nullpunkt der Spannungshalbwelle schalten kann, wodurch
Störungen im Ursprung beseitigt sind. Solche Halbleitersignalschalter für Vollwellenbetrieb,
dies sind zum Beispiel Triacs oder antiparallel geschaltete Thyristoren, sind mit
den genannten Freisignaldetektoren nicht mehr brauchbar zu überwachen, da sie erweiterte
Fehler möglichkeiten aufweisen, die nicht erfaßt werden. Halbleiterschalter können
neben völligem Ausfall zum Beispiel auch einei seitig und da hoch- oder niederohmig
durchlegieren, wodurch sie ihre Sperrfähigkeit ganz oder teilweise nur für eine
Halbwelle der Spannung verlieren. Ein solcher Fehler ist gefährlich,
da
er im durchgeschalteten Zustand des Triacs nicht erkennbar ist und im Sperrzustand
ein Halbwellenbetrieb verbleibt, der die Lichtemission der Glühlampe des Freisignals
über die sogenannte Erkennbarkeitsschwelle anheben kann. Hierbei wird im ungünstigsten
Fall das Grünsignal bereits als solches von den Verkehrsteilnehmern, nicht jedoch
von den Freisignaldetektoren erkannt.
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Zweck der Erfindung ist es, diese Mängel abzustellen, mit der speziellen
Aufgabe mit relativ einfachen Mitteln einen sogenannten "triacsicheren" Freisignaldetektor
zu schaffen, der alle Fehlermöglichkeiten des Triacs zu erfassen vermag.
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Diese Aufgabe wird für eine Detektoranordnung der eingangs genannten
Art, dadurch gelöst, dan die am Triac anliegende Betriebsspannung oder eine durch
die Schaltzustände des Triacs anderweitig beeinflußbare Wechselspannung an einen
Spannungswandler geschaltet ist, der mit zwei Ausgangswicklungen und nachgeschalteten
Einweggleichrichterventilen versehen, zwei Gleichspannungen unterschiedlichen Halbwellenursprungs
erzeugt, von denen die eine Gleichspannung über eine Grenzwertstufe die Basis eines
Signaltransistors steuert und die andere Gleichspannung als Kollektorspannung dieses
Signaltransistors wirksam ist. Auf diese Weise werden stets beide Halbwellen der
zu überwachenden Spannung erfaßt und diese können auch nur gemeinsam und bei ausreichender
Größe den Signaltransistor zur Abgabe eines auswertbaren Signals veranlassen.
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In einer vorteilhaften Schaltungsanordnung dient als beeinflußbare
Wechselspannung eine Referenzspannung, die phasengleich mit der Betriebsspannung
an die Primärwicklung des Spannungswandlers angeschlossen ist und die Betriebsspannung
mindert die Referenzspannung bei einem vollständigen oder teilweisen Durchschalten
des Triacs in ihrem transformatorisch wirksamen Betrag. Zweckmäßig ist dazu die
Primärwicklung des Spannungswandlers mit einem Anschluß an die Freisignalleitung
hinter dem Triac geschaltet, die für die Betriebsspannung und die Referenzspannung
den gemeinsamen Rückleiter zum Phasenmittelpunkt bildet. Weitere vorteilhafte Merkmale
der Erfindung sind den Ansprüchen in Verbindung mit der Zeichnung und erläuternden
Beschreibung entnehmbar.
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An Hand von Prinzipschaltbildern und einem schematischen Ausführungsbeispiel
wird die Erfindung im nachstehenden näher dargelegt.
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Es zeigen: Fig. 1 - das Prinzip eines triacsicheren Freisignaldetektors,
Fig. 2 - eine Modifizierung unter Berücksichtigung der Erkennbarkeitsschwelle, Fig.
3 - eine Schaltungsanordnung.
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Nach Figur 1 ist mittels eines Triacs 1 die Grünlampe 2 eines Freisignals
schaltbar. Zur Überwachung der Schaltzustände des
Signalschalters
1 findet ein gestrichelt umrahmter Freisignaldetektor I Anwendung. Dieser enhält
einen Spannungswandler 3, der die Betriebsspannung (UR) zwischen der Phase R und
dem Phasenmittelpunkt Mp über den Triac 1 erfaßt und über Einweegleichrichterventile
4 und 5, nach Halbwellen getrennt, gleichrichtet. Die beiden Sekundärwicklungen
sind so geschaltet und mit den Gleichrichterventilen 4 bzw. 5 verbunden, dan jede
nur für eine Halbwelle der transformierten Spannung zuständig ist. Die vom Gleichrichterventil
4 gelieferte Gleichspannung speist eine Grenzwertstufe 6, die oberhalb eines definierten
Grenzwertes umkippt und einen Signaltransistor 7 ansteuert.
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Die vom Gleichrichterventil 5 gelieferte Gleichspannung der anderen
Halbwelle stellt die Kollektorspannung für den Signaltransistor 7, der bei gemeinsamem
Vorliegen von Kollektorspannung und geeigneter Basissteuerspannung ein high-Signal
an den Ausgang A abgibt.
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Wenn der Triac 1 gesperrt ist, dann liegt die volle Betriebsspannung
an der Primärwicklung des Spannungswandlers 3, und dieser gibt sekundärseitig durch
Schaltung und Gleichrichtung der beiden Halbwellen zwei getrennte Gleichspannungen
ab.
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Über Gleichrichterventil 5 liegt am Signaltransistor 7 eine ausreichend
hohe Kollektorspannung und auch über Gleichrichterventil 4 ist eine genügend hohe
Gleichspannung an die Grenzwertstufe 6 gelangt und hat diese umkippen lassen. Sie
gibt dabei ein low-Signal ab, das den Signaltransistor durchsteuert, so daß am Ausgang
A ein high-Signal erscheint, das aussagt,
dan das Freisignal nicht
grün" ist. Dieses Signal geht zu einer Signalsicherungsmatrix zur Auswertung. Es
ist eigensicher, da jeder Elementen- und Systemausfall das Signal verschwinden und
damit eine unzeitgemäße Grünschaltung vortäuschen läßt, was die Anlage abschaltet.
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Wird der Triac 1 gezündet, dann ist der Spannungswandler 3 kurzgeschlossen,
seine Sekundärwicklungen geben keine Spannung mehr ab, und der Signaltransistor
7 ist gesperrt. Am Ausgang A erscheint kein Signal (low-Signal). Kein Ausgang sagt
aus, dan das Freisignal "gün" ist. Eine Unterbrechung in der Freisignalleitung zur
Lampe 2 zwischen R und Mp (z.B.
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auch ein Glühfadenbruch) hat denselben Effekt. Am Ausgang A erscheint
ein low-Signal, das einen Fehler erkennbar werden läßt.
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Legiert der Triac 1 in einer seiner Sperrichtungen voll durch, dann
ist der Spannungswandler 3 für diese Spannungshalbwelle spannungslos, das heißt,
nur einer der Wege über Gleichrichterventil 4 oder 5 führt Spannung. Damit kann
der Signaltransistor 7 nicht mehr durchgesteuert werden, da entweder die Basis-
oder die Kollektorspannung fehlt. Beides ergibt am Ausgang A wiederum das Fehler
erkennbar machende Grünsignal (low-Signal).
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Die Schaltung erfaßt somit voll beide Halbwellen, das heißt, den Schaltbetrieb
des Triacs im ersten und dritten Quadranten. Spannungsabsenkungen der Betriebsspannung
(sie können
+ 20 X betragen) und auch teilweises, nur hochohmiges
Durch legieren des Triacs 1 können jedoch noch zu Fehlern in der Erfassung führen.
Figur 2 zeigt eine modifizierte überwachung unter Berücksichtigung der sogenannten
Erkennbarkeitsschwelle für das Freisignal. Für gleiche Bauteile wurden gleiche Bezugszeichen
verwendet wie in Figur 1. Die Erkennbarkeitsschwelle stellt hier die Spannung dar,
bei der die Glühlampe des Freisignals unter ungünstigsten Bedingungen erkennbar
wird. Sie liegt bei etwa 25 % der Betriebsspannung.
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Für 42 V-Betriebsspannung werden 10 V und für 220 V-Betriebsspannung
50 V veranschlagt. Die Berücksichtigung der Erkennbarkeitsschwelle ist von Wichtigkeit,
da ein hochohmiges Durchlegieren des Triacs 1 oder ein Nebenschluß bereits desen
Spannungsabfall an der Glühlampe hervorrufen können. Die Miterfassung der Erkennbarkeitsschwelle
setzt ein recht genaues Ansprechen der Grenzwertstufe 6 voraus, was bei Netzspannungsschwankungen
und einer Anordnung nach Figur 1 im allgemeinen nicht zu erreichen ist. Figur 2
verwendet deshalb zur Speisung der Primärwicklung des Spannungswandlers 3 von Detektor
I eine stabilisierte Referenzspannung Uref' die von einem an der Betriebsspannung
UR (Anschlüsse R, Mp) liegenden Referenzspannungswandler 8 mit hochohmigem Ausgang
gleichphasig erzeugt wird. Die Primärwicklung des Spannungswandlers 3 ist dazu hinter
dem Triac 1 an die Freisignalleitung angeschlossen und liegt in Reihe mit dem Kaltfadenwiderstand
der Glühlampe 2 des Freisignals und dem Mp-Rückleiter an der Sekundärwicklung des
Referenzspannungswandlers 8. Durch die Glühlampe 2
fließt damit
ständig ein geringer Ruhestrom. Die Referenzspannung beträgt bei 42 V-Betriebsspannung
30 V# # (für 220 V-Betriebsspannung 160 V#) und wird unter Abzug der festgelegten
Spannung der Erkennbarkeitsschwelle für die Einstellung der Kippwertes der Grenzwertstufe
6 herangezogen. Bei gesperrtem, intaktem Triac 1 herrschen 30 V # an der Primärwicklung
des Spannungswandlers 3, und der hier nicht dargestellte Signaltransistor 7 (vgl.
Fig. 1) gibt an den Ausgang A ein high-Signal (Freisignal nicht grün") ab Tritt
ein hochohmiges teilweises Durchlegieren auf und erreicht der Spannungsabfall an
der Glühlampe 2 des Freisignals einen Spannungsabfall von 10 V, dann verbleiben
an der Primärwicklung des Spannungswandlers 3 20 V, das heißt, es ist der Wert erreicht,
der die Grenzwertstufe 6 zurückkippen läßt. Das am Ausgang A arscheinende low-Signal
(Freisignal ist "grün") erfaßt damit auch eine gerade erkennbar werdende, nur glimmende
Glühlampe 2 des Freisignals. Schaltet der Triac 1 voll durch, ergibt sich an der
Primärwicklung des Spannungswandlers 3 eine wirksame Differenz zwischen Phasen-
und Referenzspannung in Höhe von 12 V (42 V - 30 V . 12 V). Dies liegt erheblich
unterhalb des Ansprechwertes der Grenzwertstufe 6, und der Ausgang A meldet low-Signal
(Freisignal ist "grün"). Halbseitiges Durchlegieren des Triacs verhält sich wie
zu Figur 1 geschildert.
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Figur 3 zeigt eine detaillierte Schaltungsanordnung zum Prinzip der
Figur 2. Unterschiedlich ist die Verwendung einer externen unstabilisierten Referenzspannungsquelle
(Anschlüsse 9
und Mp). Diese Referenzspannung schwankt zwar prozentual
im Takt der Betriebsspannung, der Betrag der Spannungsänderung ist jedoch infolge
der niedrigeren Spannung geringer und genügt mit seiner kleinen Bandbreite den Anforderungen
eines relativ stabilen Bezugspunktes für die Einstellung der Grenzwertstufe 6. Aus
Figur 3 geht die Schaltung der beiden Ausgangswicklungen a,b des Spannungswandlers
3 hervor, die bei gleichem Wickelsinn (angedeutet durch Punktmarkierung) mit einem
Anfang und einem Ende verbunden an Masse liegen und über die freien Wicklungsenden
mit den Einweggleichrichterventilen 4,5 verbunden sind. Die positiven Halbwellen
der transformierten Referenzspannung verlaufen über Gleichrichterventil 4, die negativen
über Gleichrichterventil 5. Die Kondensatoren 16 und 17 überbrücken nach Ladung
die Halbwellenlücken und dienen der separaten Glättung der pulsierenden Gleichspannungen.
Die Gleichspannung von Gleichrichterventil 4 wird einem Eingang 12 eines integrierten
Schaltkreises 13 (z.B. IC 555) zugeführt, der als Grenzwertstufe (entsprechend Grenzwertstufe
6 in Fig. 1 und 2) geschaltet ist. Der Grenzwert ist über einen Abgleichwiderstand
14 einstellbar. Oberhalb des eingestellten Grenzwertes kippt die Stufe und gibt
am Ausgang 15 ein low-Signal ab, das die Basis des PNP-Signaltransistors 7 durchsteuert
und diesen leitend macht. Unterhalb des Grenzwertes sperrt ein high-Signal am Ausgang
15 den Signaltransistor 7. Im übrigen ist die Wirkungsweise dieselbe, wie bereits
zu den Figuren 1 und 2 beschrieben. Mit 18
ist noch der Anschluß
für eine Versorgungsspannung und mit 19 ein Anschluß angedeutet, mit dem zu Prüf-
und Sonderzwecken der Eingang 12 des integrierten Schaltkreises 13 unter den Grenzwert
gezogen werden kann, was eine künstliche Freisignalauslösung (Signal wird "grün")
hervorruft.
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Durch die Erfindung ist eine triacsichere Detektoranordnung geschaffen
worden, die eigensicher Fehler im ersten und dritten Quadranten einschließlich hochohmiger
Durchlegierungen, periphere Leitungsunterbrechungen sowie die Erkennbarkeitsschwelle
zu erfassen vermag. Die Detektoranordnung wird als Meldeglied allen Anforderungen
nach VDE 0832 gerecht.
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10 Seiten Beschreibung 6 Patentansprüche
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