DE2715978B2 - Detektoranordnung zur Überwachung von Wechselspannung schaltenden Halbleiterschaltern für VoUweUenbetrieb - Google Patents

Description

60

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.

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 eis-fach zu realisieren. Mechanische Kontakte können funktechnisch nicht oder nur schwer störarm geschaltet werden. 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 Fehlermöglichkeiten aufweisen, die nicht erfaßt werden. Halbleiterschalter können neben völligem Ausfall zum Beispiel auch einseitig und dabei 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

Zweck der Erfindung ist es, diese Mängel abzustellen, mit der speziellen Aufgabe mit relativ einfachen Mitteln eines sogenannten »triacsicheren« Freisignaldetektor zu schaffen, der alle Fehlermöglichkeiten des Triacs zu erfassen vermag.

Diese Aufgabe wird für eine Detektoranordnung der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß 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.

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 Referenzspan-

nung 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 geschähet, 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.

An Hand von Prinzipschaltbildern und einem schematischen Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im nachstehenden näher dargelegt. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzip eines triacsicheren Freisignaldetektors,

F i g. 2 eine Modifizierung unter Berücksichtigung der Erkennbarkeitsschwelle,

F i g. 3 eine Schaltungsanordnung.

Nach F i g. 1 ist mittels eines Triacs 1 die Grünlampe 2 eines Freisignals schaltbar. Zur Übervachung der Schaltzustände des Signalschalters 1 findet ein gestrichelt umrahmter Freisignaldetektor 1 Anwendung. Dieser enthält einen Spannungswandler 3, der die Betriebsspannung (Uu) zwischen der Phase R und dem Phasenmittelpunkt Mp über den Triac 1 erfaßt und über Einweggleichrichterventile 4 und 5, nach Halbwellen getrennt, gleichrichtet. Die beiden Sekundärwicklungen sind so geschaltet und mit den Gleichrichterventilen 4 bzw. 5 verbunden, daß jede nur für eine Halbv, eile 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 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

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. 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 lasser«. Sie gibt dabei ein low-Signal ab, das den Signaltransistor durchsteuert, so daß am Ausgang A ein high-Signal erscheint, das aussagt, daß 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.

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, daß das Freisignal »grün« ist. Eine Unterbrechung in der Freisignalleitung zur Lampe 2 zwischen R und Mp (z. B. auch ein Glühfadenbruch) hat denselben Effekt. Am Ausgang A erscheint ein low-Signal, das einen Fehler erkennbar werden läßt.

Legiert derTri^c 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

s Kollektorspannung fehlt Beides ergibt am Ausgang A wiederum das Fehler erkennbar machende Grünsigna· (low-Signal).

Die Schaltung erfaßt somit voll beide Halbweilen, das heißt, den Schaltbetrieb des Triacs im ersten und dritten

ίο Quadranten. Spannungsabsenkungen der Betriebsspannung (sie können ± 20% betragen) und auch teilweises, nur hochohmiges Durchlegieren des Triacs 1 können jedoch noch zu Fehlern in der Erfassung führen. F i g. 2 zeigt eine modifizierte Überwachung unter Berücksichtigung der sogenannten Erkennbarkeitsschwelle für das FreisignaL Für gleiche Bauteile wurden gleiche Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 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. 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 diesen Spannungsabfall an der Glühlampe hervorrufen können. Die Miterfassung der Erkennbarkeitsschwelle setzt ein recht genaues Ansprechen der Grenzwertstufe 6 voraus, was bei Netzspannungischwankungen und einer Anordnung nach F i g. 1 im aligemeinen nicht zu erreichen ist. F i g. 2 verwendet deshalb zur Speisung der Primärwicklung des Spannungswandlers 3 von Detektor I eine stabilisierte Referenzspannung U_rer, 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 Freisignaileitung angeschlossen und liegt in Reihe mit dem Kaltfadenwiderstand der Glühlampe 2 des Freisignals und. dem Mp-Rückleiter an der Sekundärwicklung des Referenzspannimgswandlers 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 des 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. F i g. 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 erscheinende 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 F i g. 1 geschildert.

Fig.3 zeigt eine detaillierte Schaltungsanordnung zum Prinzip der F i g. 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 F i g. 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 Einweggleichrichterventüen 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 F i g. 1 und 2) geschaltet ist. Der Grenzwert ist über einen Abgleichwiderstand 14 einstellbar. Oberhalb des eingestellten Grenzwertes kippt die Stufe und gibt am

s 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

to Fig. 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«) hervorruf L

Durch die Erfindung ist eine triacsichere Detektoranordnung geschaffen worden, die eigensicher Fehler im ersten und dritten Quadranten einschließlich hochohmiger Durchlegierungen, periphere Leitungsunter- brechungen sowie die Erkennbarkeitsschwelle zu erfassen vermag. Die Detektoranordnung wird als Meldeglied allen Anforderungen nach VDE 0832 gerecht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Detektoranordnung zur Überwachung von Wechselspannung schaltenden Halbleiterschaltern für Vollwellenbetrieb, vorzugsweise Triacs, auf einwandfreies Sperr- und Leitverhalten in beiden Spannungsrichtungen, insbesondere für Freisignalschalter von Straßenverkehrssignalanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die am Triac (1) anliegende Betriebsspannung (Ur) oder eine durch die Schaltzustände des Triacs (1) anderweitig beeinflußbare Wechselspannung an einen Spannungswandler (3) geschaltet ist, der mit zwei Ausgangswicklungen (a, b) und nachgeschalteten Einweggleichrichterventilen (4, 5) versehen, zwei Gleichspannungen unterschiedlichen Halbwellenursprungs erzeugt, von denen die eine Gleichspannung über eine Grenzwertstufe (6) die Basis eines Signaltransistors (7) steuert und die andere Gleichspannung als Kollektorspannung dieses Signaltransistors (7) wirksam ist

2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als beeinflußbare Wechselspannung eine Referenzspannung (Uni) dient, die phasengleich mit der Betriebsspannung (Ur) an die Primärwicklung des Spannungswandlers (3) angeschlossen ist und daß die Betriebsspannung (Ur) die Referenzspannung (U_nO bei einem vollständigen oder teilweisen Durchschalten des Triacs (1) in ihrem transformatorisch wirksamen Betrag mindert

3. Detektoranordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Spannungswandlers (3) mit einem Anschluß an die Freisignalleitung hinter dem Triac (1) geschaltet ist, die für die Betriebsspannung (Ur) und die Referenzspannung (U_rcr) den gemeinsamen Rückleiter zum Phaseiimittelpunkt (Mp)b\\det.

4. Detektoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß über die Grenzwertstufe (6) die Erkennbarkeitsschwelle des Freisignals erfaßt ist

5. Detektoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwertstufe (6) anspricht, sobald eine Minderung der Referenzspannung (U_rcf)um einen Spannungsbetrag entsprechend der Erkennbarkeitsschwelle des Freisignals erfolgt ist.

6. Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden A nsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgangswicklungen (a, b) des Spannungswandlers (3) bei gleichem Wickelsinn mit einem Anfang und einem Ende miteinander verbunden an Masse liegen und über die freien Wicklungsenden mit den Einweggleichrichterventilen (4, 5) verbunden sind.