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Gleichstrom-Detektor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Detektor, der eine
der Stärke eines Gleichstroms entsprechende Analogspannung erzeugt.
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Gewöhnlich wird ein Gleichstrom-Meßverfahren angewandt, bei dem ein
über einen Stromkreis fließender zu bestimmender Gleichstrom, der nachstehend als
Laststrom bezeichnet wird, über einen Widerstand fließt, um damit an diesem eine
Spannung zu entwickeln, die ein Maß für den Strom darstellt. Es ist ersichtlich,
daß der Widerstand eine zusätzliche Belastung in dem von dem Laststrom durchflossenen
Stromkreis bildet, wodurch ein merklicher Leistungsverlust entsteht. Der von dem
Widerstand hervorgerufene Leistungsverlust ist besonders dann besonders groß, wenn
der Laststrom verhältnismäßig hohe Stärke hat. Zum Verhindern eines Auswanderns
in der Meßschaltung
muß der Widerstand mit Masse verbunden werden,
was eine Einschränkung hinsichtlich der Lage des mit dem Detektor verbundenen Widerstands
darstellt, da hierdurch die Notwendigkeit entsteht, die Stromkreis-Last erdungsfrei
zu halten. In Abhängigkeit von der vielfältigen Form einer Stromkreis-Last kann
das Einfügen des Widerstands schwierig sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-Detektor
zu schaffen, bei dem ein größerer Leistungsverlust in einem Laststrom-Gleichstromkreis
vermieden ist.
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Ferner soll es der erfindungsgemäße Gleichstrom-Detektor erlauben,
, einen Stromfühler an irgendeiner beliebigen Stelle -in dem Laststrom-Gleichstromkreis
anzuordnen.
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Weiterhin soll der erfindungsgemäße Gleichstrom-Detektor einen Gleichstrom-Erfassungsmechanismus
haben, der für die Messung sowohl schwacher als auch starker Ströme ausgebildet
werden kann.
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Mit der Erfindung soll ferner ein Gleichstrom-Detektor geschaffen
werden, der unabhängig von dem Pegel des zu ermittelnden Stroms ein Strommeß-Ausgangssignal
mit verhältnismäßig niedrigem Leistungsverbrauch erzeugt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Stromfühler
ein Strom/-Impulstastverhältnis-Wandlerelement verwendet wird; das Wandlerelement
hat einen Kern aus einem amorphen weichmagnetischen Material mit einer ersten Wicklung,
über -die der zu ermittelnde Strom geleitet wird, und einer zweiten Wicklung, an
die zur Strommessung Impulse angelegt werden. Zum Anlegen der
Impulse
mit einer vorgegebenen Frequenz ist an ein Ende der zweiten Wicklung eine Impulszufuhrschaltung
angeschlossen, während das andere Ende der zweiten Wicklung mit einem nachstehend
als Spannungswandlerelement bezeichneten Element verbunden ist, das den durch die
Wicklung fließenden Strom in eine entsprechende Spannung umsetzt. Das Spannungswandlerelement
ist an eine Integrierschaltung angeschlossen. An dem Spannungswandlerelement treten
Impulse mit einem Tastverhältnis auf, das von dem Pegel eines durch die erste. Wicklung
fließenden Stroms abhängt; daher hat die Analogausgangsspannung der Integrierschaltung
einen Pegel, der dem durch die erste Wicklung fließenden Strom entspricht. Da die
erste und die zweite Wicklung nicht miteinander verbunden sind, hat das Potential
der ersten Wicklung in Bezug auf Masse keinen Einfluß auf die zweite Wicklung und
die daran angeschlossene Schaltung. Die zweite Wicklung und die daran angeschlossene
Schaltung können an jeder beliebi -gen Stelle mit Masse verbunden werden. Dementsprechend
kann die erste Wicklung an irgendeiner beliebigen Stelle in den Laststrom-Gleichstromkreis
eingefügt werden. Die erste Wicklung erhält einen geringen Gleichstromwiderstand,
wodurch die an der Wicklung entstehende Spannung und damit die Verlustleistung auf
ein Mindestmaß herabgesetzt wird.
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Das amorphe weichmagnetische Material wird zu einem dünneun blatt
geformt, da es durch Abschrecken aus flüssigem Metall gewonnen werden muß. Das Material
zeigt in magnetischer Hinsicht hohen Ferromagnetismus, hohe Permeabilität (µmax
> 103), geringen Wert magnetischer Sättigung und niedrige Koerzitivkraft ( <
1,oOe). In mechanischer Hinsicht hat das Material eine sehr hohe Bruchfestigkeit,
hervorragende Elastizität und hervorragende Beständigkeit.
Derartige
weichmagnetische Materialien sind in dem Artikel "Soft Magnetic Properties of Metallic
Glasses - Recent Developments", J.Appl. Phys. 50(3), ärz 1979, Seiten 1551-1556
von Hasegawa u.a. beschrieben. WeichmagneLisch^ Materialien werden unter der Handelsbezeichnung
METGLAS (TM) von der Allied Chemical Corp. vertrieben.
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Die Verwendung eines derartigen amorphen weichmagnetischen Materials
für den Kern des Strom/Impulstastverhältnis-Wandlerelements erleichtert die Herstellung
des Elements, wobei dieses eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen
bzw. Vibrationen und Stößen zeigt, so daß es'nahe an einem Elektromotor oder einer
zugehörigen Treiberschaltung in einem Fahrzeug angeordnet werden kann. Von besonderer
Bedeutung ist der Umstand, daß das Wandlerelement unter .geringem Leistungsverbrauch
einen Strom in irgendeinem beliebigen Pegelbereich dadurch ermittelt kann, daß die
Dimensionen des Kerns, der Wicklungsdraht und die Windungsanzahlen geeignet gewählt
werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild des Gleichstrom-Detektors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht eines in der Fig.
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1 gezeigten Strom/Impulstastverhältnis-Wandlerelements.
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht des in Fig. 2 gezeigten Wandlerelements
von links.
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Fig. 4 ist eine Folge von Zeitdiagrammen, die verschiedene in der
Schaltung nach Fig. 1 auftretende elektrische Signale veranschaulichen.
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Fig. 5 zeigt graphisch 9 sinne gegen einen Strom I aufgetragene Meßausgangsspannung
OUT der Schaltung nach Fig. 1.
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Fig. 6 a ist ein Schaltbild einer Motorbelastungs-Alarmschaltung,
die den in Fig. 1 gezeigten Gleichstrom-Detektor enthält.
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Fig. 6 b ist eine Folge von Zeitdiagrammen, die verschiedene, an verschiedenen
Stellen in der Motorbelastungs-Alarmschaltung nach Fig. 6a auftretende Signale veranschaulichen.
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Fig. 7 ist ein Blockschaltbild eines Laststrom-Steuersystems, das
den Gleichstrom-Detektor nach Fig.
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1 enthält.
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In der Zeichnung sind durchgehend bei den verschiedenen Darstellungen
identische oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Im einzelnen ist in der Fig. ein erstes Ausführungsbeispiel des Gleichstrom-Detektors
dargestellt. Der Detektor hat ein Strom/Impulstastverhältnis-Wandlerelement 10 mit
einem'aufs einem amorphen weichmagnetischen Material bestehenden Kern 11, an dem
eine erste Wicklung 12 und eine zweite Wicklung 13 angeordnet sind. Die erste Wicklung
12 ist in einen Stromkreis geschaltet, über den ein Gleichstromkreis-Laststrom I
fließt, während die einander entgegengesetzten Enden der zweiten Wicklung 13 an
eine Strommeßschaltung 100 angeschlossen sind.
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c;cmäß den Fig. 2 und 3 hat das- Wandlerelement 10 einen Spulenkörper
14 mit einer axialen Öffnung, in die der Kern 11 eingesetzt ist. An dem Spulenkörper
14 sind die erste und die zweite Wicklung 12 bzw. 13 angebracht.
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An einer rechten Flansch des Spulenkörpers 14 ist ein Paar Verbindungsanschlüsse
151 und 152 befestigt, an die die entgegengesetzten Enden der ersten Wicklung 12
angeschlossen sind, während an einer linken Flansch ein Paar Verbindungsanschlüsse
161 und 162 befestigt ist, an die die entgegengesetzten Enden der zweiten Wicklung
13 angeschlossen sind.
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Nach Fig. 1 hat die Strommeßschaltung 100 einen Speiseanschluß 101,
an dem eine Konstantspannung. Vcc anliegt, sowie einen Impulseingangsanschluß 102,
an den ein Impulssignal mit einer vorgegebenen Frequenz von beispielsweise 20 kHz
angelegt wird. Während eines Intervalls positiven Pegels des Eingangsimpulssignals
sind Transistoren 103 und 104 durchgeschaltet, wodurch die Spannung Vcc an den Anschluß
161 angelegt wird. Andererseits sind während des Intervalls des Massepegels oder
eines negativen Pegels des Eingangsimpulssignals die beiden Transistoren 103 und
104 gesperrt. D.h., während des Intervalls positiven Pegels von Eingangs impulsen
IN wird synchron mit diesen die Spannung Vcc an den Anschluß 161 angelegt, während
keine Spannung an den Anschluß 161 angelegt wird, wenn die Eingangs impulse Massepegel
oder negativen Pegel haben. Nach dem Anlegen der Spannung Vcc fließt über die zweite
Wicklung 13 .ein Strom nach einer Verzögerungszeit td, die dem Wert des Gleichstromkreis-Laststroms
I entspricht. An den Anschluß 162 der zweiten Wicklung 13 ist eine Konstantstromquelle
in der Form eines Feldeffekttransistors 105 angeschlossen. Während -der Dauer des
Stromflusses über die zweite Wicklung 13 tritt an dem Anschluß 162 ein Impuls a
positiven Pegels auf (siehe
Fig. 4). Der Impuls a wird mittels
eines Verstärkers 106 verstärkt und geformt, dessen Ausgangsimpuls b an eine Integrierschaltung
aus einem Widerstand 107a, einem Kondensator 107b und einem Widerstand 107cangelegt
wird.
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An einem Ausgangsanschluß 104 tritt eine Analogspannung in Form einer
integrierten Spannung auf.
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Für die in Fig. 1 gezeigte Schaltung wurde die an dem Ausgangsanschluß
108 entstehende Analogspannung bei unterschiedlichen Werten des Laststroms I bestimmt.
Das Material und die Abmessungen des dabei verwendeten Strom/ Impulstastverhältnis-Wandlerelements
10 sind in der nachstehenden Tabelle 1 angeführt, während die erzielten Daten in
der Fig. 5 dargestellt sind.
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Nach Fig. 5 ändert sich die Ausgangsspannung bei einer Änderung des
Laststroms I im Bereich von I g 0,5 A steil mit guter Linearität, während die Änderung
für 1 > 0,5 A geringer ist. Dies ist hauptsächlich auf den Aufbau des Kerns 11,
der ein einzelnes schmales Blatt aus einem amorphen Material aufweist, und eine
hohe Windungsanzahl der Wicklung 12 zurückzuführen. Durch Steigerung der Anzahl
der in dem Kern verwendeten Blätter und Verbreiterung derselben oder durch Verringerung
der Windungsanzahl der Wicklung 12 kann eine steile Änderung der Ausgangsspannung
bei einer Stromänderung in einem höheren Strombere.ich erzielt werden. Demgemäß
können die Dimensionen des Strom/Impulstastverhältnis-Wandlerelements 10 entsprechend
dem Bereich des zu bestimmenden Gleichstromkreis-Laststroms gewählt werden. Hinsichtlich
des Aufbaus der Schaltung 100 sind keine besonderen Änderungen notwendig.
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Tabelle 1
| Kern 11 Wicklung 12 Wicklung 13 |
| Material Abmessungen, Draht- Windungs- Draht- Windungs- |
| Atom Gew.-% Einzelblatt Durchm. anzahl Durchm. anzahl |
| Fe40Ni40P14B6 Länge Breite |
| amorphe Legie- 20 mm 1,8 mm 0,12 1000 0,7 10 |
| rung, mm mm |
| Blattdicke |
| = 0,058 mm |
Die Fig. 6a zeigt eine einem Gleichstrommotor zugeordnete Belastungs-Alarmschaltung,
bei der der Gleichstrom-Detektor nach Fig. 1 verwendet wird. An verschiedenen Stellen
in der Schaltung auftretende elektrische Signale sind in der Fig. 6b dargestellt.
Bei dieser Belastungs-Alarmschaltung ist an den Ausgangsanschluß 108 der Strommeßschaltung
100 des Gleichstrom-Detektors eine Integrierschaltung ITG mit einem nicht-invertierenden
Verstärker 21, Widerständen 22 und 26 und einem Kondensator 23 angeschlossen. Eine
integrierte Schaltung aus der Integrierschaltung ITG ist an einen invertierenden
Eingang (-) eines Vergleichers 24 angelegt, während an dessen nicht-invertierenden
Eingang (+) eine Bezugsspannung angelegt ist. Wenn die integrierte Spannung unter
die Bezugsspannung absinkt bzw. über eine längere Zeitdauer ein hoher Laststrom
fließt, gibt der Vergleicher 24 ein positives Ausgangssignal ab, mit dem eine Leuchtdiode
25 eingeschaltet wird.
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Die Fig. 7 zeigt ein Laststrom-Steuersystem, das den Gleichstrom-Detektor
nach Fig. 1 enthält. Von einer Gleichstromquelle wird ein Strom einer (nicht gezeigten)
Last über eine Stromsteuerschaltung 27 und die erste Wicklung 12 des Wandlerelements
10 zugeführt. Der Laststrom wird mittels des Detektors 10 bzw. der Meßschaltung
100 in eine Analogspannung umgesetzt, die an einen Vergleicher 28 angelegt wird.
Wenn die eingegebene Analogspannung eine Bezugsspannung Vref übersteigt, gibt der
Vergleicher 28 ein Steuersignal niedrigen Pegels "O" ab, während er ein Steuersignal
hohen Pegels "1" abgibt, wenn die eingegebene Analogspannung unterhalb dr E3ezugsspannung
Vref liegt. Mit der Stromsteuerschaltung 25 wird die Stromzufuhr im Ansprechen auf
das Steuersignal "0" verringert und im Ansprechen auf das Steuersignal tilt gesteigert.
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%us.itzlich zu einen vorstehend beschriebenen Anwendungen bei der
Alarmsteuerung bzw. Stromsteuerung findet der beschriebene Gleichstrom-Detektor
verbreiterte Anwendungen sowohl hinsichtlich der Erfassung von Abnormalitäten eines
über einen Generator, ein Solenoid oder dergl.
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fließenden Laststroms als auch bei der Erfassung von Abnormalitäten
an einer Gleichstrom-Leistungsübertragungsleitung. Die Stabilität bzw. Festigkeit
des Strom/ Impulstastverhältnis-Wandlerelements 10 sowie dessen Aufbau erlauben
das Einschalten des Wandlerelements 10 an irgendeiner beliebigen Stelle in einem
Laststromi<reis und erleichtern die Verwendung des Elements bei der Strommessung
an einem Gleichstrommotor oder einem Gleichstromgenerator, der in einem Fahrzeug
angebracht ist.
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Es wird ein Gleichstrom-Detektor angegeben, der ein Strom/Impulstastverhältnis-Wandlerelement
mit einem Kern aus einem amorphen weichmagnetischen Material aufweist, an dem eine
erste und eine zweite Wicklung angebracht sind. Über die erste Wicklung wird ein
zu ermittelnder Strom geführt, während der durch die zweite Wicklung fließende Strom
erfaßt wird. An ein Ende der zweiten Wicklung werden Impulse mit einer vorgegebenen-
Frequenz angelegt, während das andere Ende der zweiten Wicklung mit einem Element
verbunden ist, das den über die zweite Wicklung fließenden Strom in eine entsprechende
Spannung umsetzt. Die an dem Element entstehende Spannung wird integriert und dann
in eine Analogspannung umgesetzt.
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Das Tastverhältnis der an dem mit dem anderen Ende der zweiten Wicklung
verbundenen Element auftretenden' Spannungsimpulse andere sich entsprechend der
Stärke des über die erste Wicklung fließenden Stroms, wodurch die Analogspannung
geändert wird.