DE3128577A1 - Schaltungsanordnung zur begrenzung der uebertragungsleistung eines induktiven uebertragers - Google Patents

Description

• Sehaltungsanordnung zur Begrenzung der Ubertragungsleistung
• eines induktiven Übertragers.
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Zegrenzung der Übertragungsleistung eines induktiven Übertragers mit lamelliertem Kern und galvanisch entkoppeltem Ein- und Ausgang.
• Zur galvanischen Trennung von Schaltkreisen der elektrischen Meß-, Steuer- und Regelungstechnik werden derartige Übertrager häufig verwendet.
• Bedingung dabei ist, daß die Eingangsgröße möglichst verlustarm in den Sekundärkreis übertragen wird. Entsprechend wird der aus im einfachsten Fall aus Primär- und Sekundärwicklung und Schichtkern bestehende Magnetkreis des Übertragers ausgelegt.
• Werden elektrische Schaltkreise oder -anlagen in explosionsgefährdeter Umgebung betrieben, was beispielsweise bei chemischen oder petrochemischen Prozessen der Fall ist, sind Sicherheitsbestimmungen zu beachten; es darf in den ex-geschfftsten Schaltkreisen ein vorgegebener Grenzwert der elektrischen Leistung nicht überschritten werden, um gefährliche Funkenbildungen zu vermeiden.
• Es ist bekannt, elektronische Schaltungen zur Begrenzung des Stroms oder der Spannung einzusetzen, was jedoch unter schwierigen Umgebungsbedingungen, insbesondere bei höheren Temperaturen nur bedingt möglich ist.
• Ebenso kann sich bei diesen Schaltungen der Eigenverbrauch der Begrenzung im Normalbetriebszustand störend auswirken.
• Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung mit einem induktiven Trenn-Übertrager zu schaffen, mit der die Leistungsbegrenzung ii Sekundärkreis auf einfache Weise auch bei schwierigen Rand- und Umgebungsbedingungen erreicht werden kann.
• Eine Lösung dieser Aufgabe ist in der Lehre des Anspruchs 1 enthalten.
• Es ist bekannt, daß die Permeabilitätp von Blechen aus weichmagnetischem Material, wie sie zum Aufbau lamellierter Kerne benutzt werden, aufgrund der von induzierten Wirbelströmen verursachten Feldverdrängung oberhalb einer bestimmten Frequenz, der sogenannten Wirbelstromgrensfrequenz fg stark abnimmt.
• fg = 1 . d2 II . x . µ wobei x die elektrische Leitfähigkeit die Permeabilität des Kernmaterials d die Blechdicke ist.
• Bei einem induktiven Übertrager mit lamelliertem Kern wird die Arbeitsfrequenz so gewählt, bzw. der Kern so ausgelegt, daß ein genügender Abstand zur Grenzfrequenz eingehalten wird.
• Gemäß der Erfindung wird zur Leistungsbegrenzungeine Zetriebsfrequenz bzw. ein Frequenzband oberhalb der Grenzfrequenz gewählt, so daß infolge der verringerten induktiven Kopplung die Ausgangsgröße des Übertragers auch bei Erhöhung der 3ingangsgröße einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten kann.
• Ein besonderer Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist darin zu sehen, daß die temperatur- oder strahlungsempfindliche Bauelemente enthaltenden Teile der Schaltung entfernt von dem induktiven Übertrager angeordnet werden können, so daß dieser an günstiger Stelle eingebaut werden kann, ohne störende Umgebungsparameter berücksichtigen zu müssen.
• Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Schaltungsbeispiel schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
• Eine elektronische Baugruppe 1, die sich in explosionsgefährdeter Umgebung (Ex-Bereich) befindet, wird aus einer Stromquelle 2, die sich in nicht gefährdeter Umgebung befindet gespeist. Zur galvanischen Trennung der beiden Bereiche ist der Speisestromkreis durch Einschalten eines induktiven Übertragere 3 in einen stromquellenseitigen Primärkreis P und einen verbraucherseitigen Sekundärkreis S aufgeteilt. Der Übertrager 3 besteht aus einem lamellierten Kern 4, auf dem eine Primärwicklung 5 mit den Eingängen a, a' und eine Sekundärwicklung 6 mit den Ausgängen b, b' angebracht ist.
• Als Eingangsgröße wird der Primärwicklung 5 ein Strom Ip zugeführt.
• Die zur induktiven Übertragung notwendige Modulation geschieht mittels eines Taktfrequenzgenerators 7, der einen elektronischen Schalter 8 im Primärkreis P steuert, so daß an den Eingängen a, a' eine Impulsfolge mit der Frequenz f1 anliegt.
• Diese erste Frequenz r1 ist die Arbeitsfrequenz des Übertragers 3 und liegt unterhalb der Wirbelstromgrenzfrequenz f des Kerns 4, g so daß die in den Primärkreis P eingespeiste Leistung mit sehr hohem Wirkungsgrad in den Sekundärkreis S übertragen und dort, falls notwendig, wieder gleichgerichtet wird.
• Für den im Ex-Bereich liegenden Sekundärkreis S ist eine Leistungabegrenzung vorgeschrieben, d.h. die Ausgangsgröße des Übertragers 3, hier der Strom i5, darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten.
• Um dies zu erreichen, wird primärseitig die Eingangsgröße, hier der Strom Ip, überwacht und bei Überschreiten eines der Leistungsbegrenzung im Sekundärkreis 5 entsprechenden Grenzwerts der Taktfrequenzgenerator 7 auf eine zweite Taktfrequenz f2 umgeschaltet, die oberhalb der Wirbelstromgrensfrequenz fg des Kerns 4 liegt, so daß gilt t1<fg<2-In einer praktisch erprobten Ausführung ist der Kern 4 des Ubertragers 3 aus Na-Netall-Blechen geschichtet, die eine Dicke von o,o45 mm aufweisen. Die Wirbelstromgrenzfrequenn errechnet sich zu 2000 1 fg = . . . . . . [1] # sec # Die erste Taktfrequenz f1 und damit die Arbeitsfrequenz des ttbertragers 3 ist 1000 f1 = ...... # 1 # # sec # die zweite Taktfrequenz f2 - 5000 . bei Falls erforderlich, kann die Überwachungseinrichtung und der Uaktfrequenzgenerator so ausgelegt werden, daß die zweite Taktfrequenz f2 einen Frequenzbereich umfaßt, derart, daß bei weiter steigendendem Strom Ip nach Überschreiten des Grenzwerts auch die Taktfrequenz weiter erhöht und damit die induktive Kopplung zwischen Primär-und Sekundärkreis noch mehr verringert wird.
• Zur Überwachung der Eingangsgröße wird in der dargestellten Anordnung an einem vom Strom Ip durchflossenen Widerstand 9 eine Spannung U abgegriffen, einer Überwachungsschaltung 10 zugeführt v und dort in einem Vergleichsglied 11 mit einem aus dem einstellbaren Konstantspannungsgeber 12 gelieferten Spannungsgrenzwert Uk verglichen. Wird der Grenzwert infolge einer von Störeinflüssen verursachten Erhöhung des Tromes Ip überschritten, schaltet ein Steuersignal des Vergleichsglieds 11 den Taktfrequenzgenerator 7 auf die zweite Taktfrequenz f2 um. Dadurch verringert sich der Übertragungswirkungsgrad des Ubertragers 3 und damit die übertragene Leistung.
• Eine andere, in der Figur gestrichelt eingezeichnete Möglichkeit, den Strom Ip zu überwachen, besteht darin, daß eine stromproportionale Spannung U an einen temperaturabhängigen Widerstand v 13 (PTC oder NUC) abgegriffen und dem Vergleichsglied 11 zugeführt wird. Der temperaturabhängige Widerstand 13, ist anstelle des Längswiderstands 9 als querwiderstand im Primärkreis P angeordnet und wird von einem Teilstrom des Stromes Ip durchflossen und erwärmt.
• Leerseite

Claims (5)

1. Patentansprüche (1, Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Übertragungsleistung eines induktiven Übertragers mit lamelliertem Kern und galvanisoh entkoppeltem Ein- und Ausgang gekennzeichnet durch a) einen Taktfrequenzgenerator (7) zur Modulation einer Eingangsgröße (z.i. Ip), der von einer ersten Taktfrequenz (f1) unterhalb auf eine zweite Taktfrequenz (f2) oberhalb der Wirbelstromgrenzfrequenz (fig) des lamellierten Kerns (4) g umschaltbar ist.

   b) eine Überwachungaschaltung (10), deren Ausgangssignal bei Überschreiten eines einstellbaren Grenzwerts der Eingangsgröße den Taktfrequenzgenerator (7) von der ersten auf die zweite Taktfrequenz (f1, f2) umschaltet.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Taktfrequenz (f2) des Taktfrequenzgenerators (7) in einem vorgegebenen Frequenzbereich oberhalb der Wirbelstromgrenzfrequenz (f ) in Abhängigkeit von der Eingangsgröße (z.B. Ip) g veränderbar ist.
3. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die tberwachungsschaltung (10) ein Vergleichsglied (11) enthält, in welchem eine der Eingangagröße (Ip) proportionale Spannung (Uv) mit einer dem Grenzwert entsprechenden Spannung (Uk) verglichen wird und dessen Ausgangs signal die Frequenzumsohaltung im Eaktfrequenzgenerator (7) steuert.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daB die der Eingangsgröße proportionale Spannung (Uy) an einem von dem Strom (Ip) durchflossenen Widerstand (9) im Primä-rstromkreis (P) des Übertragers (3) abgegriffen ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die der Eingangsgröße proportionale Spannung (Uv7 an einem temperaturabhängigen Widerstand (13) abgegriffen ist, der als Querwiderstand im Primärkreis (P) des Übertragers (3) angeordnet ist.