DE2738558C3 - Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential, bestehend aus einem Meßwertgeber mit einem Kondensator, der von einem dem zu messenden Strom proportionalen Strom aufgeladen und bei Erreichen einer definierten Spannung über eine parallelliegende. Licht emittierende Diode entladen wird, wobei eine Lichtimpulsfolge mit einer dem zu messenden Strom proportionalen Frequenz erzeugt wird, die über eine optische Übertragungsstrecke zu einem Meßwertempfänger mit einem Fotoelement übertragen wird.
Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (DE-AS 15 91972) liegt in Reihe mit der Licht emittierenden Diode eine Vierschichtdiode, die bei Überschreiten der definierten Spannung am Kondensator leitend wird, so daß im Parallelzweig mit der Licht emittierenden Diode ein Entladestrom fließt. Dieser Entladestrom regt die Licht emittierende Diode zur Aussendung von Licht an. Infolge der Entladung sinkt die Kondensatorspannung ab, so daß der Parallelzweig schließlich nichtleitend wird. Der Kondensator wird daraufhin wieder aufgeladen, der Paraillelzweig wird anschließend wieder leitend, und es wird ein erneuter Lichtimpuls erzeugt Die Zahl der in der Zeiteinheit abgegebenen Lichtimpulse ist damit dem zu messenden Strom proportional.
Nachteilig ist die bekannte Schaltungsanordnung vor allem insofern, als ihr Dviiamikbereich und damit ihr Meßbereich durch den Zünd- und Haltestrom der Vierschichtdiode begrenzt ist
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential mit einem Kondensator vorzuschlagen, die einen vergleichsweise großen Meßbereich aufweist
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß in Reihe mit der Licht emittierenden Diode ein Schaltelement mit einem Steueranschluß angeordnet und mit dem Steueranschluß der Ausgang einer Steuereinrichtung mit geringem Betriebsenergiebedarf verbunden, deren Eingang an eine parallel zum Kondensator angeordnete Schwellwerteinrichtung zur Festlegung der definierten Spannung angeschlossen ist und deren Versorgungsanschlüsse mit dem Kondensator verbunden sind.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß auf eine Vierschicntdiode in Reihe mit der Licht emittierenden Diode verzichtet ist, indem eine Schwellwerteinrichtung vorgesehen ist die über eine nachgeordnete Steuereinrichtung ein in Reihe mit der Licht emittierenden Diode angeordnetes Schaltelement zum Durchschalten veranlaßt, wenn an dem Kondensator infolge Aufladung durch einen dem zu messenden Strom proportionalen Strom die definierte Spannung erreicht ist. Eine Begrenzung des Dynamik- bzw. Meßbereiches durch Zünd- und Haltestrom einer Vierschichtdiode ist dadurch vermieden. Die Verwendung einer zusätzlichen Steuereinrichtung schafft keine besonderen Probleme, weil eine Steuereinrichtung mit geringem Bevriebsenergiebedarf verwendet wird, die somit ohne Verfälschung des Meßergebnisses aus dem den Kondensator aufladenden Strom mit Betriebsenergie versorgt werden kann. Es bleibt also trotz Einsatzes einer Steuereinrichtung mit den oben angegebenen Vorteilen der Vorzug der bekannten Schaltungsanordnung erhalten, daß auf hohem Potential eine besondere Energieversorgungsquelle für die Schaltungsanordnung zur Messung des Stromes nicht erforderlich ist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich im Hinblick auf einen geringen Betriebsenergiebedarf erwiesen, wenn bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Steuereinrichtung aus einem Univibrator als integriertem Baustein in Komplementär-Metalloxyd-Gate-Technologie besteht.
Besonders vorteilhaft arbeitet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dann, wenn der Kondensator von dem dem zu messenden Strom proportionalen Strom über einen Widerstand aufgeladen wird, dessen Größe durch den Quotienten aus Entladezeit des Kondensators und der Kapazität des Kondensators bestimmt ist; die Schwellwerteinrichtung und die Versorgungsanschlüsse der Steuereinrichtung sind an die Enden der Reihenschaltung des Widerstandes und des Kondensators angeschlossen. Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß über den gesamten Meßbereich eine lineare Abhängigkeit zwi-
sehen dem zu messenden Strom und der Frequenz der Lichtimpulse besteht
Dieser Vorteil beruht darauf, daß sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung cie Frequenz /der Lichtimpulse in Abhängigkeit von der Kapazität C des Kondensators, der definierten Spannung Ud und der Entladezeit des Kondensators te durch folgende Gleichung (1) beschreiben läßt:
C)
/- Λ
c-u, [
- I-R)
- C ■ R + i.
CK = /,.
(3)
genügt, dann ergibt sich aus der Gleichung (2) die Beziehung (4)
c · iv,
/ Q'
(4)
wobei die Größe Q eine Konstante bezeichnet. Durch Anordnen eines Widerstandes mit der angegebenen Bemessung läßt sich also ein nahezu exakt linearer Zusammenhang zwischen der Frequenz /der Lichtimpulse und dem zu messenden Str ;■ hzw. einem diesem proportionalen Strom /herstellen.
Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Licht emittierenden Diode ein Widerstand parallel geschaltet ist. Durch diesen Widerstand läßt sich die Entladezeit des Kondensators in vorteilhafter Weise verkürzen.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. I ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä
10
In dieser Gleichung bezeichnet / den dem zu messenden Strom proportionalen Strom und /1 den Verluststrom in der Steuereinrichtung. Berücksichtigt man nun, daß bei Verwendung einer Steuereinrichtung aus integrierten Bausteinen in Komplemeriiär-Metalloxyd-Gate-Technologie der VerJuststrom I\ vernachlässigbar klein ist, weil der Betriebsenergiebedarf derartiger Bausteine sehr gering ist, dann wird gemäß der oben angegebenen Gleichung die Abweichung vom linearen Zusammenhang zwischen dem dem zu messenden Strom proportionalen Strom /und der Frequenz /der Lichtimpulse durch die Entladezeit /cdes Kondensators verursacht Der Kondensator läßt sich nicht beliebig schnell entladen, so daß sich die Entladezeit schon bei Frequenzen von einigen kHz stark bemerkbar macht.
Durch Einfügen eines Widerstandes mit dem Wert R jo mit der oben angegebenen Bemessung läßt sich die Gleichung (1) in folgende Gleichung (2) überführen:
sr)
Wählt man nun den Widerstandswert R so. daß er der Gleichung (3) -r,
Ben Schaltungsanordnung mit einer in Form eines Blockschaltbildes dargestellten Steuereinrichtung, in
F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem in Reihe mi« dem Kondensator liegenden Widerstand und in
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer als integrierten Baustein ausgeführten Steuereinrichtung gezeigt
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung wird über einen Stromwandler 1 und einen diesem nachgeordneten Brückengleichrichter 2 mit einem Strom / gespeist, der einem in einer auf Hochspannungspotential verlaufenden Leitung 3 fließenden Strom Ip proportional ist An die Gleichspannungsausgänge des Brückengleichrichters 2 ist ein Kondensator 4 angeschlossen und wird daher von dem Strom / aufgeladen. Parallel zum Kondensator 4 ist eine Steuereinrichtung 5 mit ihren Versorgungsanschlüssen'6 und 7 geschaltet Mit ihrem Eingang 8 ist die Steuereinrichtung 5 mit einer Schwellwerteinrichtung 9 verbunden, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus der Reihenschaltung einer Zenerdiode 10 und eines Widerstandes 11 besteht; die Schwellwerteinnchtung 9 ist ebenfalls parallel zum Kondensator 4 angeordnet. Der Ausgang
12 der Steuereinrichtung 5 ist mit einem Steueranschluß
13 eines Schaltelementes 14 verbunden, mit dem in Reihe eine Licht emittierende Diode 15 angeordnet ist. Die Licht emittierende Diode 15 und das Schaltelement
14 sind ebenfalls parallel zum Kondensator 4 angeordnet.
Die dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet in folgender Weise: Von dem dem zu messenden Strom Ip proportionalen Strom / wird der Kondensator 4 so lange aufgeladen, bis die an ihm entstehende Spannung in ihrer Höhe der definierten Spannung entspricht Die Spannung wird durch die Zenerdiode 10 definiert, so daß diese bei Erreichen dieser Spannung durchbricht und damit mittels des mit ihr in Reihe liegenden Widerstandes 11 einen Eingangsimpuls an der Steuereinrichtung 5 hervorruft. Von der Steuereinrichtung 5 wird daraufhin ein Schaltimpuls auf das Schaltelement 14 gegeben, das dadurch einen Stromkreis über die Licht emittierende Diode öffnet und damit eine Entladung des Kondensators 4 unter Abgabe eines Lichtimpulses herbeiführt. Danach erfolgt erneut eine Aufladung des Kondensators 4 und nach Erreichen der definierten Spannung wiederum die Abgabe eines Lichtimpulses. Da das Erreichen der definierten Spannung am Kondensator 4 von der Größe des Stromes /abhängig ist, werden in derselben Abhängigkeit Lichtimpulse erzeugt, so daß deren Frequenz dem Strom / bzw. dem zu messenden Strom In proportional ist. Dabei verursacht der Strom /| zur Betriebsenergieversorgung der Steuereinrichtung 5 keine nennenswerte Beeinflussung des linearen Zusammenhanges, weil er bei Verwendung einer Steuereinrichtung mit geringem Betriebsenergiebedarf vernachlässigbar klein ist.
Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung stimmt in seinem wesentlichen Aufbau mit dem nach Fig. 1 überein, so daß für übereinstimmende Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind. Eine Abweichung iiegt hinsichtlich der Verwendung eines Widerstandes 16 vor, der in Reihe mit dem Kondensator 4 angeordnet ist, um den oben erläuterten linearen Zusammenhang zwischen dem zu messenden Strom I1, bzw. dem dazu proportionalen Strom / und der Frequenz der von der Licht emittierenden Diode 15
ausgesendeten Lichtimpulse über einen großen Meßbereich zu erhalten. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß die Schwellwerteinrichtung 9 an die Reihenschaltung des Widerstandes 16 und des Kondensators 4 ebenso wie die Versorgungsanschlüsse 6 und 7 der Steuereinrichtung 5 angeschlossen sind, während die Licht emittierende Diode 15 und das mit ihr in Reihe liegende Schaltelement 14 nur dem Kondensator 4 parallel geschaltet sind.
Abgesehen von der vorteilhaften Wirkung des Widerstandes 16 arbeitet die Schaltungsanordnung nach Fig.2 grundsätzlich in derselben Weise wie die nach Fig. 1.
Auch das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 enthält wiederum einen Stromwandler 2ö mit nachgeordnetem Brückengleichrichter 21, an den ein Kondensator 22 angeschlossen ist; gegebenenfalls kann mit dem Kondensator 22 wiederum ein Widerstand zur Linearisierung der Abhängigkeit der Frequenz der Lichtimpulse vom zu messenden Strom angeordnet sein. Parallel zum Kondensator 22 ist wiederum eine Schwellwerteinrichtung 23 angeordnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich zu einer Zenerdiode 24 und einem Widerstand 25 eine Diode 26 enthält. Ober einen Transistor 27 und zwei Widerstände 28 und 29 ist die Schwellwerteinrichtung 23 mit einer Steuereinrichtung 30 verbunden, die einen integrierten Baustein in Komplementär-Metalloxyd-Gate-Technologie darstellt.
Dieser Baustein ist zusätzlich mit einem Kondensator 31 beschaltet und zu seiner Betriebsenergieversorgung über eine Diode 32 an den Brückengleichrichter 21 angeschlossen. Der Ausgang 34 der Steuereinrichtung 30 ist mit einem Steueranschluß 35 eines Schaltelementes 36 verbunden, das wiederum in Reihe mit einer Licht emittierenden Diode 37 parallel zum Kondensator 22 angeordnet ist. Der Licht emittierenden Diode 37 ist ein Widerstand 38 parallel geschaltet, um das Entladeverhalten des Kondensators 22 günstig zu beeinflussen.
Bei Verwendung einer Steuereinrichtung nach F i g. 3 wird aus dem einem zu messenden Strom Ip proportionalen Strom / ein nur sehr kleiner Anteil zur Betriebsenergieversorgung über die Diode 32 entnommen, so daß dadurch die lineare Abhängigkeit zwischen zu messenden Strom Ip und der Frequenz der Lichtimpulse kaum beeinflußt wird; mit dieser Schaltungsanordnung wird also eine besonders getreue Umsetzung eines zu messenden Stromes in eine Frequenz und damit eine genaue Erfassung des zu messenden Stromes in einer niederspannungsseitigen Empfangseinrichtung ermöglicht.
Mit der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential vorgeschlagen, die auf dem hohen Potential eine besondere Betriebsenergieversorgungsquelle nicht benötigt und dennoch eine sehr genaue Erfassung des zu messenden Stromes ermöglicht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential, bestehend aus einem Meßwertgeber mit einem Kondensator, der von einem dem zu messenden Strom proportionalen Strom aufgeladen und bei Erreichen einer definierten Spannung über eine parallel liegende, Licht emittierende Diode entladen wird, wobei eine Lichtimpulsfolge mit einer dem zu messenden Strom proportionalen Frequenz erzeugt wird, die über eine optische Übertragungsstrecke zu einem Meßwertempfänger mit einem Fotoelement übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Licht emittierenden Diode (15) ein Schaltelement (14) mit einem Steueranschluß (13) angeordnet ist und daß mit dem Steueranschluß (13) der Ausgang (12) einer Steuereinrichtung (5) mit geringem Betriebsenergiebedarf verbunden ist, deren Eingang (8) an eine parallel zum Kondensator (4) angeordnete Schwellwerteinrichtung (9) zur Festlegung der definierten Spannung angeschlossen ist und deren Versorgungsanschlüsse (6, 7) mit dem Kondensator (4) verbunden sind (F ig. 1).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung aus einem Univibrator als integriertem Baustein (30) in Komplemcniär-Metalloxyd-Gate-Technologie besteht (F ig. 3). J0
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (4) von dem dem zu messenden Strom (7,,,) proportionalen Strom (I) über einen Widerstand (16) aufgeladen wird, dessen Größe durch den Quotienten aus y, Entladezeit des Kondensators (4) und der Kapazität des Kondensators (4) bestimmt ist, und daß die Schwellwerteinrichtung (9) und die Versorgungsanschlüsse (6,7) der Steuereinrichtung (5) an die Enden der Reihenschaltung des Widerstandes (16) und des Kondensators (4) angeschlossen sind (F i g. 2).
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht emittierenden Diode (37) ein Widersland (38) parallel geschaltet ist (F i g. 3). .r,
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