DE3340611C2

DE3340611C2 - Elektronischer Relaisschalter

Info

Publication number: DE3340611C2
Application number: DE3340611A
Authority: DE
Inventors: Michael Ralph Benson; William David Hill; Dennis Wayne San Jose Calif. Hollenbeck; Garrett George O'brien
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-11-15
Filing date: 1983-11-10
Publication date: 1984-12-13
Also published as: ES8608189A1; US4495655A; JPS59112398A; ES527252A0; DE3340611A1; IT8323709A0; SE8305382D0; IT1167584B; SE452536B; KR840006858A; SE8305382L

Abstract

Es wird ein verbesserter elektronischer Relaisschalter für eine testbare, körperlich getrennte Steuerschaltung gemäß der Deutschen Patentanmeldung P 3322914.7 angegeben. Der Relaisschalter enthält insbesondere eine Eingangsfrequenzdetektorschaltung; Schalterelemente mit einer ersten und einer zweiten Anzahl von HEXFET-Transistoren, die mit einem ersten bzw. einem zweiten Schaltungspunkt verbundene Drainanschlußleitungen, mit einer der getrennten Masseklemmen verbundene Sourceanschlußleitungen und mit der Gleichrichterschaltung verbundene Gateanschlußleitungen haben; einen Schnellabschaltkreis, der zwischen die Gleichrichterschaltung und die Gateanschlußleitungen geschaltet ist; und eine Betriebsüberprüfungsschaltung mit einem Stromabfühltransformator, der zwei Wicklungen hat, von denen die erste Wicklung in Reihe zwischen den ersten und den zweiten Schaltungspunkt und die zweite in Reihe zwischen eine der getrennten Masseklemmen und das Eingangsfilter geschaltet ist, wodurch der Strom in der ersten Wicklung die Spannung an der zweiten Wicklung und die Spannung das optische Betriebsüberprüfungssignal steuert.

Description

eine Eingangsfrequenzdetektorschaltung (97);

ίο Schalterelemente (60) mit einer ersten und einer zweiten Anzahl von HEXFET-Transistoren (61-64,

67—70), die mit einem ersten bzw. einem zweiten Schaltungspunkt (65, 71) verbundene Drainanschlußleitungen, mit einer (66) der getrennten Masseklemmen (51, 66) verbundene Sourceanschlußleitungen und mit der Gleichrichterschaltung (40) verbundene GateanschluDleitungen haben;
einen Schnellabschaltkreis (49), der zwischen die Gleichrichlerschaltung (40) und die Gateanschlußleitungen geschaltet ist; und

eine Betriebsüberprüfungsschaltung mit einem Stromabfühltransformator (80), der zwei Wicklungen (73,82) hat, von denen die erste Wicklung in Reihe zwischen den ersten und den zweiten Schaltungspunkt (65,71) und die zv. eite in Reihe zwischen eine der getrennten Messeklemmen und das Eingangsfilter (97) geschaltet ist, wodurch der Strom in der ersten Wicklung die Spannung an der zweiten Wicklung und die Spannung das optische Betriebsüberprüfungssignal steuert.

Relaisschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnellabschaltkreis (49) einen npn-

Bipolartransistor, der einen mit einer (51) der Masseklemmen (51_; 66) verbundenen Kollektor (56) sowie eine Basis (53) und einen Emitter (54), die beide zwischen die Gateanschlußleitungen und die Gleichrichterschaltungen (40) geschultet sind, hat und eine Diode (52) aufweist, deren Kathode mit dem Emitter (54) und deren Anode mit der Basis (53) verbunden ist.

3. Relaisschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzdetektorschaltung (97) ein abgestimmtes schmalbandiges Bandpaßeingangsfilter (77) enthält, mit:

einer elektrischen Signaleingangsklemme (76);

einer Ausgangsklemme (18);
einer positiven Spannungsversorgungsklemme;
einer Masseklemme;
einem npn-Bipolartransistor (17), der einen mit der Masse verbundenen Emitter, eine mit der Eingangsklemme verbundene Basis und einen mit der Ausgangsklemmc verbundenen Kollektor hat; und

einer Schaltung aus einer Drossel (15) und einem Kondensator (16), die zwischen die Spannungsversorgungsklemmi: und den Kollektor parallel geschaltet sind, wobei die Drossel und der Kondensator gemeinsam eine Eigenfrequenz von ungefähr 100 kHz haben, wodurch ein 100-kHz-Signal an der Eingangsklemme bewirkt, daß der Transistor (17) in Resonanz mit der Schaltung aus der Drossel und dem Kondensator arbeitet, um ein 100-kHz-SignaI an der Ausgangsklemme zu erzeugen.

4. Relaisschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichne·, daß die Frequenzdetektorschaltung (97) weiter enthält:

einen Oszillatoreingang, der mit der Ausgangsklemme (18) der abgestimmten Schaltung (77) verbunden ist;

eine Oszillatordigitalausgangsklemme (22);

eine Oszillatortaktausgangsklemmc (21); und

einen phasenstarren Oszillator (20), der auf ein 100-kHz-Signal an dem Oszillatoreingang einrastet und Signale, die sich um mehr als 7% gegenüber 100 kHz ändern, unterdrückt und H- und L-Logiksignale an der Digitalausgangsklemme (22) erzeugt, die anzeigen, ob der Oszillator eingerastet ist, und der, wenn er eingerastet ist, ein 100-kHz-Signal an der Taktausgangsklemme (21) erzeugt.

Die Erfindung betrifft eine optisch getrennte Steuerschaltung (siehe ältere DE-Patentanmeldung P 33 22 914.7), der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, die das ständige Überwachen einer gesteuerten Schaltung gestattet, um deren richtiges Arbeiten zu überprüfen.

In dem Aufbau von vielen Steuersystemen ist es häufig erwünscht, das zu steuernde Objekt oder die zu steuernde Vorrichtung entfernt von dem Steuereingangssignal anzuordnen. Weiter ist es in vielen Anlagen, beispielsweise in Kernreaktoranlagen, erwünscht, die Steuervorrichtung von dem Steuereingang vollständig zu trennen. Das ist bei bekannten Steuersystemen zwar bereits erreicht worden, diese Steuersysteme sind jedoch typisch nicht in der Lage, den korrekten Betrieb der gesteuerten Vorrichtung oder des gesteuerten Objekts zu überwachen. Beispielsweise wird in bekannten Steuersystemen das Stcuereingangssignal einem entfernt angeordneten Objekt, das gesteuert wird, unter Verwendung von optischer oder elektronischer Technik zugeführt, wobei aber die Station, die das Steuercingangssignal erzeugt hat, nicht in der Lage ist, das korrekte Arbeiten des getrennten Steuersystems zu erkennen.

;-.■;. Testbare optisch gekoppelte Festkörperrelaisschalter sollen ständig und zuverlässig mit der größtmöglichen

[ Unempfindlichkeit gegenüber ihrer Umgebung, bei der es sich um eine Kernreaktoranlage handelt, arbeiten. Die

te Relais sind durch eine Betonwand körperlich abgeschirmt die Glas- oder Quarzfenster hat, über die Lichtsignale

Is das Relais mit einer Steuereinheit optisch koppeln. Die bekannte Kopplung hat den Nachteil, daß der Relaisein

gang auf unterschiedliche Arten von Licht anspricht, und zwar einschließlich Lichtsignalen, die durch eine ' - Verunreinigung verursacht werden. Beispielsweise ist das Relais nicht richtig von einem Brand in der Steuerein ·

l· heit auf der anderen Seite der Wand getrennt, wenn von dem Brand ausgehendes Licht das Fenster durchdringt

|: Im normalen Betrieb des Reaktors leiten die Schalterelemente ständig einen starken Strom zu Magnetspulen,

\ ''■: die federbelastete Ventile geschlossen halten. Der ständige Strom erzeugt in den Schaltern Wärme, und jeder

Grad an Wärme führt zur beschleunigten Verschlechterung des Schalters. Die Verlustwärme in den Schaltern ϊ sollte soweit wie möglich minimiert werden.

Die Schalterelemente, die in dem Relais benutzt werden, sollten eine kurze Ansprechzeit haben, so daß das \f Relais genau getestet werden kann. Bei Verwendung einer herkömmlichen Vollwellengleichrichterdiodenbrük-

■j; ke zur Spannungsversorgung der Schalterelemente ergibt sich eine kurze Diodenpumpeinscbaltzeit, aber die

t> Abschaltzeit wird verzögert während sich die Kapazität in den Schalterelementen entlädt. Sin ausreichend

Η kleiner Belastungswiderstand zum schnellen Entladen dieser Kapazität würde zu viel Verlustwärme erzeugen.

' Deshalb besteht ein Bedarf an einem verbesserten schnellen Abschaltkreis für die durch eine Diodenbrücke

■■■'■ gelieferte Spannung.

; Schließlich sollte das Relais eine große Empfindlichkeit dafür haben, daß der Schalter nicht öffnet Die

¹'' Oberprüfung der Ausgangskontaktstromkreises muß die Trennung des Kontaktstroms aufrechterhalten. Ge-

maß der bekannten Methode wird die Ausgangsleitung mit einem Nebenschlußwiderstand verbunden, an dem der Spannungsabfall gemessen wird, um festzustellen, ob ein Strom fließt Dieser Nebenschlußwiderstand L beeinträchtigt aber die Trennung des Kontaktstroms.

ü Die Erfindung schafft eine testbare optisch getrennte Steuerschaltung, die zur Verwendung in Fällen geeignet

ist in denen eine steuernde Station und eine gesteuerte Vorrichtung körperlich voneinander getrennt sein müssen. Die Erfindung ist besonders in Fällen brauchbar, in denen eine Vorrichtung zu steuern ist, die von der ' Quelle des Steuereingangssignals körperlich und elektrisch getrennt sein muß, während die Quelle ständig in der

Lage sein soll, den Durchgang, den Empfang und den Zustand der gesteuerten Vorrichtung zu überwachen. Ein typischer derartiger Fall ist das Steuern von entfernt angeordneten elektrischen Vorrichtungen in Kernreaktoranlagen.

In einer Ausführungsform enthält die testbare optisch getrennte Steuerschaltung nach der Erfindung eine erste und eine zweite Einheit, die körperlich voneinander getrennt sind, wobei die erste Einheit enthält: eine

Eingangsklemme zum Empfangen eines Steuersignals, einen ersten Sender zum Senden des Steuersignals zu der zweiten Einheit, einen ersten Fühler zum Überwachen des ersten Senders und zum Liefern eines Signals, das den Zustand des ersten Senders angibt, und einen ersten Empfänger zum Empfangen von Signalen, und wobei die ■ zweite Einheit enthält: einen zweiten Empfänger zum Empfangen von Signalen aus dem ersten Sender und zum

Steuern einer Relaisvorrichtung auf diese Signale hin, einen zweiten Fühler, der mit dem zweiten Empfänger und mit der Relaisvorrichtung verbunden ist. zum Erkennen des Arbeitens derselben, und einen zweiten Sender, der mit dem zweiten Fühler verbunden ist, zum Senden von Signalen aus diesem zu dem ersten Empfänger. Die erste Einheit hat außerdem Klemmen zum Empfangen von Signalen aus dem ersten Fühler und für den ersten Empfänger. In den bevorzugten Ausführungsformen enthält jeder Sender einen Oszillator und wenigstens ein logisches Gatter, das mit dem Sender verbunden ist

Die Erfindung schafft eine verbesserte Trennung einer optisch gesteuerten Schaltung durch Vorsehen einer schmalbandigen Bandpaßeingangsfrequenzerkennungsschaltung für den zweiten Empfänger nach der Erfindung.

Weiter verbessert die Erfindung die Betriebsüberprüfung eines optisch gesteuerten Relais, indem das Relaisschalteransteuersignal einem phasenstarren Oszillator entnommen wird, der außerdem ein präzise wechselndes Überprüfungisignal an einen zweiten Sender abgibt, der zwei Leuchtdioden enthält.

Außerdem wird gemäß der Erfindung auf getrennte Weise der Stromfluß in den Ausgangskontakten überprüft, indem ein Transformator vorgesehen wird, der zwei Wicklungen hat, und indem der Ausgangskontakt- strom durch eine Wicklung geschickt wird, um eine Drosselverbindung der einen Wechselstrom führenden anderen Wicklung mit einem zweiten Sender herzustellen, der eine Triggerschaltung und eine Leuchtdiode enthält.

Ferner schafft die Erfindung eine geste-ierte Relaisschaltung, die weniger Verlustwärme erzeugt, weil ein Vollwellenschalter benutzt wird, der mehrere Feldeffekttransistoren enthält.

Schließlich schafft die Erfindung einen schnellen Abschaltkreis für einer. Vollwellenschalter. Die Erfindung ergibt eine verbesserte Trennung, Leistung und Betriebsüberprüfung in einem optisch gesteuerten Starkstromrelaisschalter durch das Vorsehen eines schmalbandig abgestimmten Eingangsfilters, eines phasenstarren Oszillators, der durch Signale betätigt wird, die das Eingangsfilter passieren, und ein Taktsignal zum Ansteuern eier letzten Stufen des Relais erzeugt, von Schaltelementen, die mehrere Feldeffekttransistoren umfassen, welcbe eine geringe Verlustwärme erzeugen, eines schnellen Abschaltkreises, der durch eine Abnahme der Steuerspannung an den Feldeffekttransistoren betätigt wird und diese beschleunigt, und eines Ausgangsstromüberprüfi'ngstransformators, der durch den Ausgangsslromfluß gesättigt wird und das Taktsignal an einer Leuchtdiode in lern zweiten Sender abschaltet, das abgeschaltet bleibt, während der Ausgangsstrom fließt.

Ein Ausfühn'ngsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. ] ein vereinfachtes Blockschaltbild des zweiten Empfängers, wobei außerdem angegeben ist, wie die F i g. 2,3 und 4 miteinander zu verbinden sind.

Fig. 2 ein Schaltbild der Frequenzdetektorschaltung und der Transformatortrennschaltung in dem zweiten Empfänger,

F i g. 3 ein Schaltbild der getrennten Schalterelemente in dem zweiten Empfänger,
Fig.4 ein Schaltbild der Stromversorgung und des getrennten Stromabfühltransformators in dem zweiten Empfänger,

Fig.5 die Anordnung der Schaltungskarten in einem Kernreaktorsystem zum Ermöglichen von diskreten Tests der Einheiten ohne Notabschaltung und bei einem Stromausfall, der eine Notabschaltung des gesamten Systems verursacht, und

Fig.6 die Beziehung zwischen der ersten und der zweiten liinhcit, gemäß der Deutschen Patenanmeldung P 33 22 914.7.

Fig. 6 zeigt gemäß der Deutschen Patentanmeldung P 33 22 914.7 eine erste Einheit 110, eine zweite Einheit 140 und eine Einrichtung 130 für die Verbindung zwischen den beiden Einheiten. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Einheiten 110 und 140 physikalisch und elektrisch voneinander getrennt und optisch miteinander gekoppelt. Die Einheiten 110,140 enthalten jeweils einen oberen Funktionsabschnitt 110a, bzw. 140a, der, wie im folgenden beschrieben, zum Steuern der gewünschten Vorrichtung benutzt wird, und einen unteren Testabschniti 110ί> bzw. 140i>, der den Betrieb des Funktionsabschnitts überwacht, um zu gewährleisten, daß die richtigen Steuersignale gesendet und empfangen werden und daß die gesteuerte Vorrichtung 140 richtig gesteuert wird.

Der Funktionsabschnitt der Einheit 110 hat eine Klemme 111, der das gewünschte Steuereingangssignal zugeführt wird. Das Steuereingangssignal wird mit Hilfe einer bekannten Vorrichtung erzeugt, die in Fig.6 nicht dargestellt ist. Beispielsweise können bekannte Fühler die Temperatur oder andere gewünschte Parameter abfühlen und geeignete Steuereingangssignale an die Leitung 111 anlegen, um den Zustand einer Steuervorrichtung zu regulieren, die mit Leitungen 152 und 153 in der Einheit 140 verbunden ist. Jede gewünschte Filterung, Verzögerung oder Verstärkung des Steuereingangssignals erfolgt durch eine Einheit 114, bevor das Steuereingangssignal an eine erste Klemme eines NAND-Gatters 116 angelegt wird. Ein Oszillator 112 ist mit der anderen Klemme des NAND-Gatters 116 verbunden, und der Ausgang des NAND-Gatters 116 ist mit einem ersten Sender 117 verbunden. Weil in der bevorzugten Ausführungsform die Kopplung 130 zwischen der Eingangseinheit 110 und der Ausgangseinheit 140 eine optische Kopplung ist, hat der Oszillator 112 eine Impulsfrequenz von 100 kHz, um mögliche Störungen durch gewöhnliche 60-Hz-Lichtquellen zu eliminieren. Das 100-kHz-Signal aus dem Oszillator 112, das über das Gatter 116 mit dem Steuercingangssignal auf der Leitung 111 gekoppelt wird, bewirkt, daß die Leuchtdiode in dem ersten Sender 117 Impulse mit dieser Frequenz liefert, welche durch eine Photodiode in einem Empfänger 144 in der Einheit 140 erkannt werden.

Weil in der bevorzugten Ausführungsform die Einheiten 110 und 140 in Verbindung mit Steuersystemen in einer Kernreaktoranlage benutzt werden, kann eine relativ dicke Wand aus Stahl, Beton oder anderem undurch-

lässigen Material zwischen den Einheiten 110 und 140 angeordnet sein. Die Übertragung von Licht durch eine solche Wand unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Trennung erfolgt durch eine erste Linse 131, ein Quarzrohr 136 und eine zweite Linse 137. Selbstverständlich kann in Anlagen, in denen diese strenge Trennung nicht notwendig ist, die Übertragung zwischen dem ersten Sender 117 und dem Empfänger 144 unter Verwendung einer anderen bekannten Technik erfolgen.

Der Empfänger 144 ist über einen Kondensator 145 mit einem Verstärker 147 kapazitiv gekoppelt. Das ergibt einen gefilterten, wiedertriggerbaren Multivibrator. Der Kondensator 145 begrenzt die Bandbreite des gesendeien Signals, um jedes 60-Hz-Rauschen sowie Rauschen höherer Frequenz zu unterdrücken.

Solange Lichtimpulse die optische Grenze 130 überqueren und zu der Ausgangseinheit 140 gelangen, speichert dieser Multivibratorabschnitt ein Gleichstromlastbetätigungssignal. Dieses Lastbetätigungssignal steuert ein Relais 148 an, um die Vorrichtung zu steuern, die mit den Leitungen 152 und 153 verbunden ist. Eine Überspannungsschutzdiode 150 ist wie üblich in dem Relais 148 vorgesehen.

Zum Gewährleisten der höchsten Zuverlässigkeit der Funktionsteile der Einheiten UO und 140 wird deren Zustand durch die Testteile 1106 und 140/? der Einheiten 110 bzw. 140 ständig überwacht. Eine Leitung 118 in der Einheit 110a empfängt ständig die Ausgangssignale aus dem den Sender 117 ansteuernden Gatter 116. Die Leitung 118 ist über einen Widerstand 119 und einen Inverter 120 an eine Klemme 121 angeschlossen. Die Klemme 121 führt deshalb ständig ein Signal, das zu dem Ausgangssignal des Gatters 116 komplementär ist. Die Klemme 121 wird mit einer bekannten Überwachungsschaltungsanordnung verbunden, die benutzt werden kann, um Alarm zu geben, ein redundantes Steuersystem zu aktivieren oder andere bekannte Funktionen auszuführen, falls das Steuereingangssignal an der Klemme 111 und das invertierte Impulssendesignal an der Klemme 121 nicht in richtiger Phasenbeziehung zueinander sind.

Eine Anzapfung in Form einer Leitung 157 besteht zwischen dem Verstärker 147 und dem Relais 148. Die Leitung 157 ist über einen Widerstand 159 mit einer Klemme eines NAND-Gatters 164 verbunden. Die andere Klemme des NAND-Gatters 164 ist mit einem Oszillator 142 verbunden, der durch eine entfernt angeordnete Stromversorgung 143 gespeist wird. Das Ausgangssignal des Gatters 164 wird an eine Leuchtdiode 165a innerhalb eines zweiten Senders 165 angelegt

Eine zweite Anzapfung 156, typisch in Form einer Spule mit einer Windung, besteht innerhalb des Relais 148, um das ständige Überwachen von dessen Zustand zu gestatten. Die Anzapfung 156 ist über einen Widerstand 160 mit einer Klemme eines NAND-Gatters 163 verbunden. Das NAND-Gatter 163, dessen andere Eingangsklemme mit dem Oszillator 142 verbunden ist, speist eine zweite Leuchtdiode 1656 innerhalb des Senders 165.

Auf dieselbe Weise, wie es in Verbindung mit dem Sender 117 beschrieben worden ist, erzeugt der Sender 165 Signale, die von einem Empfänger 122 aufgenommen werden. Das Lichtausgangssignal der Leuchtdiode 165a, die mit dem Gatter 164 verbunden ist, wird über eine Linse 138, ein Quarzrohr 134 und eine Linse 132 zu einer Photodiode gesendet, die mit einer Leitung 132 verbunden ist. Auf gleiche Weise wird das Ausgangssignal des

Gatters 163 über eine Linse 139 und ein Quar/.rohr 135 gesendet und durch eine Linse 133 empfangen, wo es eine Photodiode steuert, die mit einer Leitung 124 verbunden ist. Kondensatoren I2S und 126 sind mit den Leitungen 123 bzw. 124 verbunden und erfüllen dieselbe Funktion wieder Kondensator 145,die oben beschrieben ist.

Die Ausgangssignale des Empfängers 122 werden dann unter Verwendung von Kondensatoren 125 und 126 kapazitiv mit Verstärkern 127 und 128 gekoppelt, die ihrerseits Schaltungspunkte 115 bzw, 129 steuern. Das an den Schaltungspunkt 129 angelegte Signal zeigt den richtigen Empfang des gesendeten Steuersignals an, während das an den Schaltungspunkt 115 angelegte Signai das richtige Arbeiten des Relais 148 anzeigt. Die Schaltungspunkte 115 und 129 können mit einer Überwachungsausrüstung verbunden sein, die der gleicht, die mit dem Schaltungspunkt 121 verbunden ist.

Die folgende Tabelle 1 veranschaulicht den Gesamtbetrieb der Einheiten 110 und 140. Tabelle 1 Eingangseinheit 110 Ausgangscinheit 140 Steuereingang 111 Impuls-Senden Gatter-Abfühlen Strom-Abfühlen !5 Leuchtdiode 117 Leuchtdiode 165a Leuchtdiode 1656

»AUS« kein Licht kein Licht Lichtimpulssendung

»EIN« Lichtimpulssendung Lichtimpulssendung kein Licht

Von besonderem Vorteil ist, daß das richtige Arbeiten der Einheiten HO und 140 und des zwischen ihnen angeordneten Systems 130 aus Linsen und Quarzrohren überprüft werden kann, indem das Steuereingangssignal 111 für kurze Zeiten in der Größenordnung von Millisekunden aktiviert wird, ohne daß die gesteuerte Vorrichtung aktiviert wird. Wenn ein solcher Test ausgeführt wird, sollten die Ausgänge 121,129 und 115 der Testschaltung in der Einheit 110Z> alle ihren Zustand für diese Zeit ändern, wobei jedoch durch geeignete Steuerung der Dauer des Impulses die gesteuerte Vorrichtung mit ihrer typische relativ größeren Masse ihren Zustand nicht ändern wird. Die Erfindung ergibt deshalb ein zuverlässigeres physikalisch getrenntes Steuersystem, dessen sämtliche Teile ständig auf richtiges Arbeiten hin überwacht werden. Das Steuersystem gestattet das On-Line-Testen seines richtigen Arbeitens.

Die hier beschriebene Ausführungsform betrifft ein galvanisch getrenntes Relais 10, das eine Verbesserung des zweiten Empfängers 140 darstellt Das Relais 10 (Fig. 1) schließt einen Schalter 60, um eine Leistung von 20XX) W an eine Magnetspule 99 abzugeben, die ein nicht dargestelltes Ventil in einer Druckluftsteuerstabantriebsvorrichtung für einen nicht dargestellten Reaktor betätigt Wenn der Reaktor mit aus dem Reaktorkern herausgezogenen Steuerstäben betrieben werden soll, wird der Schalter 60 geschlossen, damit der Magnetspule 99 Wechselstrom zugeführt wird, um die Kraft einer nicht dargestellten Feder, die das Ventil geschlossen hält, zu überwinden. Wenn ein Notfall das Einführen eines Steuerstabes in den Reaktorkern erforderlich macht oder wenn das Reaktorschutzsystem ausfällt, sollten die Kontakte öffnen, um den Stromfluß zu den Magnetspulen zu unterbrechen und den federbelasteten Ventilen zu gestatten, Druckluft freizugeben und die Steuerstäbe in den Reaktorkern einzuführen.

Es gibt zwei Relaisschalter 10, über die zwei Magnetspulen mit Strom versorgt werden, weiche zugeordnete *o Ventile in der Druckluftleitung steuern, die zu einem einzelnen Steuerstab führt. Ein Relais 10 bildet die hier beschriebene Erfindung. Wenigstens zwei und höchstens drei Schalterkontakte müssen gleichzeitig offen sein, um den Stromfluß zu beiden Magnetspulen zu unterbrechen und beide Ventile auszulösen. Die vier Schalter werden durch vier gesonderte »Abteilungen« der Reaktoranlage einzeln gesteuert (F i g. 5). Neben zusätzlicher Sicherheit gestattet die Relaisredundanz, daß die Relais einzeln getestet werden können, ohne die Druckluft freizugeben und eine Notabschaltung des Reaktors zu bewirken. Jedes Relais muß so weit wie möglich von der es steuernden Abteilung und der Steuereinheit 110 getrennt sein, mit der es nur durch sehr spezifische optische Signale 13,28 und 96 verbunden ist.

In den F i g. 2,3 und 4 sind sämtliche Kapazitäten in Mikrofarad und sämtliche Widerstände in Ohm angegeben, und die Widerstände sind V₄-W-Widerstände, sofern nichts anderes angegeben ist. Gemäß Fig.2 ist der so Relaisschalter 10 auf einer Schaltungskarte von seiner Abteilung und von der Einheit 110 durch eine Bctonwand i i in dem Gebiet 130 nach F i g. 6 gelrennt, die ein Glas- oder Quarzfenster 136 hat durch das ein Lichtimpulssignal 13 hindurchgeht Das Lichtimpulssignal wird durch einen lichtempfindlichen Transistor 14 empfangen, der den Empfänger 144 ersetzt Der Transistor 14 erzeugt einen Strom mit der Frequenz des Signals 13 in seiner Emitteranschlußleitung 76. Eine abgestimmte Schaltung 77 enthält eine Drossel 15 von vorzugsweise 620 μΗ, einen dazu parallel liegenden Kondensator 16 von vorzugsweise 3900 pF und wird von einer 5-V-Versorgungsspannung gespeist Die Schaltung 77 hat eine Eigenfrequenz von 100 kHz. Ein 100-kHz-Impuls auf der Leitung 76 an der Basis des Transistors 17 der Schaltung 77 bewirkt einen Strom durch den Kollektor des Transistors 17, der mit der Drossel 15 und dem Kondensator 16 in Resonanz ist und erzeugt ein verstärktes 100-kHz-Signal auf einer Leitung 18. Die abgestimmte Schaltung 77 hat eine sehr geringe Verstärkung bei 60 Hz, was die Frequenz des üblichen Hintergrundrauschens ist und keine Gleichstromverstärkung. Ein Kondensator 19 von vorzugsweise 0,001 μΡ blockiert Gleichstrom, der während Nichtresonanzintervallen durch die Drossel 15 fließen würde.

Ein Oszillator 20 ist ein phasenstarrer Standardtondecoder, der auf 100-kHz-Eingangssignale einrastet, Signale unterdrückt, die um mehr als 7% variieren, und ein 100-kHz-Taktsignal an seinem Ausgang 21 erzeugt Wenn der Oszillator 20 auf 100 kHz eingerastet ist erzeugt er ein digitales L-Signal, während er, wenn er nicht eingerastet ist, ein digitales Η-Signal an seinem Ausgang 22 erzeugt. Die Digitalsignsie werden Ober einen invertierenden Schmitt-Trigger 23 zu einer Leitung 24 geleitet das Schwingungssignal auf der Leitung 2i wird über einen Signalpegelschieber 25 an eine Leitung 26 angelegt und d^;e Leitungen 24 und 26 sind an die Eingänge

eines NAND-Gatters 27 angeschlossen, das ein weiteres 100-kHz-Signal an seinem Ausgang 28 erzeugt. Das Signal auf der Leitung 28 wird durch einen Verstärker 29 verstärkt und invertiert. Die Vorrichtungen 23, 25,27 und 29 dienen also zum Verstärken, Invertieren und Formen des 100-kHz-Signals, das über eine Leitung 30 an die Basen von komplementären Bipolartransistoren 31 und 32 angelegt wird. Der Transistor 31 verstärkt die hohen Spannungsanteile des Schwingungssignals, während der Transistor 32 die niedrigen Spannungsanteile verstärkt wodurch ein auf 12 V verstärktes Schwingungssignal an einem Eingang 33 eines Transformators 34 erzeugt wird. Ein Kondensator 87, der vorzugsweise eine Kapazität von 0,1 μΡ hat, beseitigt die Gleichspannung, die durch die Signalformungsverstärker eingeführt wurde. Der Transformator 34 ist ein »Zerhacker« mit einem Windungsverhältnis von 1 :1 :1, der ein weiteres 12-V-Schwingungssignal zwischen seinen Ausgangsleitungen ίο 35 und 36 erzeugt. Störungen durch Erdschuß in der Eingangsleitung 33 werden durch den Transformator unterdrückt.

Eine infrarotes Licht aussendende Leuchtdiode 37 sendet Lichtimpulse 38, die das Ausgangssignal des Transformators 34 darstellen. Die Leuchtdiode 37 ist der Leuchtdiode 165a in F i g. 6 analog, aber nicht dieselbe. Ein 100-kHz-Lichtimpuls 38 aus der Leuchtdiode 37 bestätigt, daß ein korrektes 100-kHz-Eingangssignal von der abgestimmten Schaltung 77, den Verstärkungs- und Signalformungsvorrichtungen 23, 25,27,29,31 und 32 und dem Trer.ntransfcrrnaior 34 empfangen und durchgelassen wurde. Das Signa! 38 wird durch das Fenster gesendet Eine Diode 88 schützt die Leuchtdiode 37, wenn die Transformatorausgangssignalpolarität umgekehrt wird.

Die 12-V-Wechselspannung an den Leitungen 35 und 36 wird an eine Vollwellengleichrichterdiodenbrücke 40 angelegt die aus Dioden 41 und 42 besteht, deren Kathoden mit einer Leitung 50 verbunden sind, und aus Dioden 43 und 44, deren Anoden mit einer Leitung 51 verbunden sind. Daher wird das 12-V-Wechselspannungssignal zwischen den Leitungen 35 und 36 auf zwei Diodenspannungsabfälle reduziert und gleichgerichtet um eine positive Gleichspannung von 10,6 V an der Leitung 50 gegenüber an der Leitung 51 zu erzeugen.

Gemäß Fig.3 bildet die positive Spannung von 10,6 V an der Leitung 50 die Einschaltspannung an einer Leitung 58 für eine Feldeffekttransistor(FET)-Anordnung 60. Die Anordnung 60 enthält zwei Zeilen 61—64 und 67—70 von N-Kanal-Feldeffekttransistoren, wobei die Transistoren innerhalb jeder Zeile parallel geschaltet sind. Innerhalb jedes Feldeffekttransistors ist die Kathode einer Diode 72 mit dessen Drain und die Anode mit dessen Source verbunden. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Transistor/Diode-Kombination ein HEXFET-Transistor. Bei allen Feldeffekttransistoren 60 sind die Gateanschlüsse über einen Widerstand 59 (von vorzugsweise 2000hm) mit der Leitung 58 und die Sourceanschlüsse mit der getrennten Masseklemme 66 verbunden. Die HEXFET-Transistoren 60 schalten so schnell ein, daß, wenn sie parallel geschaltet sind, ihre Einschaltspannungsdifferenz Schwingungen in den Drainanschlüssen 71 und 65 verursachen wird. Die Widerstände 59 sind Störschwingungsunterdrückungswiderstände, die diese Schwingung verhindern. Die Drainanschlüsse der Feldeffekttransistoren 61—64 sind an einem Schalterkontaktschaltungspunkt 65 miteinander verbunden, und die Drainanschlüsse der Feldeffekttransistoren 67—70 sind gemeinsam mit der Leitung 71 verbunden, die über einen im folgenden noch näher beschriebenen Stromabfühltransformator 80 mit einem Schalterkontakt 75 verbunden ist Eine Spannung über +6V an der Leitung 58 versetzt die Gateelektroden der Feldeffekttransistoren in einen leitenden Zustand, wodurch ein Stromkreis zwischen den Schalterkontakten 65 und 75 geschlossen wird. Diese Kontakte entsprechen den Klemmen 152 und 153 in F i g. 6. Die Diode 57 (F i g. 2) zwischen der Leitung 58 und der isolierten gemeinsamen Masse 51 verhindert übermäßige Spannungssprünge, die die Gateelektroden der HEXFET-Transistoren zerstören könnten. Strom, der über die Kontakte fließt erregt die Magnetspule 99 (F i g. 1), um die federbelasteten Ventile (nicht dargestellt) in den Druckluftleitungen geschlossen zu halten.

Das Unterbrechen des optischen 100-kHz-Eingangssignals an dem Phototransistor i4 beseitigt die Spannung an der Leitung 58, und die Feldeffekttransistoren hören auf zu leiten, wodurch der Strom in den Kontakten 65 und 75 unterbrochen wird. Es ist erwünscht, daß die Feldeffekttransistoren 60 den Stromfluß in den Kontakten 65 und 75 so schnell wie möglich stoppen. Jedes Gate hat eine beträchtliche Kapazität die entladen werden muß, um den Feldeffekttransistor abzuschalten, und das erfolgt durch einen Belastungswiderstand 48 und einen Abschaltkreis 49 (Fig. 2). Wenn der Transformator 34 aufhört, Strom zwischen den Leitungen 50 und 51 zu erzeugen, beginnt der Widerstand 48, der vorzugsweise einen Widerstandswert von 10 kii hat die Kapazität in die Leitung 50 zu entladen. Eine Diode 52 leitet den positiven Stromfluß in der Leitung 50 zu der Leitung 58. Wenn die Spannung an der Leitung 50 und der BäsisänschluSieitung S3 des Transistors SS ungefähr 0,7 V kleiner

_;,, als die Spannung an der Leitung 58 ist, beginnt der Transistor 55, über seinen Emitter 54 und seinen Kollektor

zur Masse zu leiten, und entlädt schnell die ungefähr 32 000 pF an auf der Gateanschlußleitung 58 verbleibender Ladung, um die Ausgangsvorrichtungen 60 abzuschalten.

Dioden 95 (F i g. 3) sind gegensinnig gepolte Z-Dioden, die eine Durchbruchspannung von ungefähr 300 V haben. Diese Dioden verhindern, daß der induktive Stoß aus den Magnetspulen die 400 V Nennspannung der HEXFETs überschreitet Die Dioden 95 entsprechen der Diode 150 in F i g. 6. Gemäß F i g. 4 erfolgt die Überprüfung, ob die Feldeffekttransistoren 60 zu leiten aufgehört haben, durch den

Stromabfühltransformator 80, der einen kleinen Kern mit einer rechteckigen Hystereseschleife hat Die Leitung 71 ist mit dem Ausgangskontakt 75 durch eine drei Windungen aufweisende erste Wicklung 73 in dem Transformator 80 verbunden. Der normale Strom in der 2000-Watt-Magnetspule oder jeder Strom über 5 A sättigt den Transformator 80 und hindert ihn daran, als Transformator zu wirken. Eine Wicklung 82 ist über einen Kondensator 83, der vorzugsweise eine Kapazität von 0,10 μΡ hat und einen Widerstand 84. der vorzugsweise einen Widerstandswert von 10kn hat mit dem 100-kHz-Taktsignal 26 aus dem Signalpegelschieber 25 in Fig.2 verbunden. Wenn der Transformator 80 in Sättigung ist ist die Wicklung 82 eine sehr kleine Impedanz an einer Eingangsleitung 85, und die 100-kHz-Spannung aus der Wicklung 82 stellt keine logische »1« an dem CMOS-Gatter 91 dar. So lange der Strom über die Kontakte 65 und 75 fließt liefert das Gatter 91 kein AusgangssignaL

Wenn der Strom in den Kontakten und in der Wicklung 73 aufhört, beginnt der Transformator 80 als Transformator mit einer Induktivität hoher Impedanz zu arbeiten, die Spannung an den Leitungen 85 und 90 steigt an, und das CMOS-Gatter 91 beginnt, das 100-kHz-Signal von der Leitung 85 durchzulassen. Das 100-kHz-Signal auf einer Triggerausgangsleitung 92 wird durch einen Inverter 93 verstärkt und invertiert und aktiviert eine Leuchtdiode 94. Lichtimpulse 96 aus der Leuchtdiode 94 bedeuten, daß der Stromkreis zwischen den Kontakten 5 unterbrochen worden ist. Sie werden durch ein drittes Glasfenster 136 (Fig.6) zu einer Steuereinheit, wie beispielsweise der Einheit 110, zurückgeleitet, um das Schalterkontaktöffnen anzuzeigen. Die Leuchtdiode 94 ist der Leuchtdiode 1656 in F i g. 6 analog. Das Senden durch die Leuchtdiode 94, während 100-kHz-Signal zu der Leuchtdiode 14 (Fig. 2) gesendet wird, zeigt eine Störung der Schaltungskarte an. Kein Senden durch die Leuchtdiode 94, wenn kein Signal 13 zu der Leuchtdiode 14 gesendet wird, zeigt ebenfalls eine Störung an. io

Im Rahmen der Erfindung bieten sich dem Fachmann verschiedene Abwandlungsmöglichkeiten. Beispielsweise können Hochfrequenzsignale oder andere Maßnahmen zum Herstellen der Verbindung zwischen den beiden körperlich getrennten Einheiten benutzt werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 15

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Relaisschalter, der durch ein präzise wechselndes optisches Eingangssignal (13) aus einer

Steuereinheit (110) gesteuert wird und optische Empfangs- und Betricbsüberprüfungsausgangssignale an die Steuereinheit abgibt, von der der Relaisschalter (IG) ansonsten so weit wie praktisch möglich getrennt ist, mit getrennten Masseklemmen (51,66) und mit einer Vollwellengleichrichterschaltung (40) zum Gleichrichten des Wechselsignals in eine Schalterkontaktsteuerspannung, gekennzeichnet durch: