DE3435267C2

DE3435267C2 - Strommeßeinrichtung

Info

Publication number: DE3435267C2
Application number: DE19843435267
Authority: DE
Inventors: Siegfried 7154 Althütte Lechler
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1984-09-26
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1986-10-30
Also published as: DE3435267A1

Abstract

Zur potentialgetrennten Messung von Gleichströmen (Jg) wird eine Steuerdrossel (Dr1) verwendet, die mit einer zweiten Steuerdrossel (Dr2) gepaart ist. Die Steuerdrosseln sind so mit Impedanzen (Z1, Z2) beschaltet, daß eine Brückenschaltung entsteht. Eine Brückendiagonale ist mit Eingängen eines Differenzverstärkers (DV) beschaltet, dessen Ausgangssignal auf eine Wicklung (w4) der zweiten Steuerdrossel (Dr2) rückgeführt ist. Durch diesen Aufbau ist eine Gleichstrommessung ohne Auftrennen des stromführenden Leiters (L) und ohne Drifterscheinungen möglich.

Description

auswirken. Stromwandler zur Übertragung von Gleichströmen sind infolge driftender Eigenschaften von Magnetmaterialien nur sehr ungenau. Die erste ungünstige Eigenschaft ist die Abhängigkeit der Permeabilität μ von der Temperatur T.

F i g. 2 zeigt diese Abhängigkeit für ein Ferritmaterial, das bei einer Betriebsfrequenz der Hilfswechselspannung von 36 kHz brauchbar wäre. Ungünstig ist dieses Verhalten a::ch dadurch, daß für verschiedene Aussteuerungen des Kernes verschiedene Temperaturgänge vorhanden sind. Die zweite ungünstige Eigenschaft ist die nichtlineare Abhängigkeit der Permeabilität μ von der Flußdichte B und damit auch vom zu messenden Strom (Fig.3). Wie Fig.3 zeigt, ergeben sich im Arbeitsbereich von etwa 0 bis 1000 Gauss verschiedene Steilheiten der Kennlinien in Abhängigkeit von der Temperatur.

Bei der Erfindung wird folgende Tatsache ausgenutzt: Die Übertragung des Gleichstromes vom stromführenden Leiter erfolgt über eine Drossel der Induktivität L mit zwei Wicklungen, wobei der stromführende Leiter mit vorzugsweise einer Windung die Primärwicklung w\ darstellt Die Sekundärwicklung w2 ist mit einer Hilfswechselspannung U₀ sin eot beaufschlagt und mit einem ohmschen Widerstand Al als Spannungsteiler beschaltet Es gilt

10

15

U₀ Rl

= m · uo ■ u, —

'nt

A = Kernquerschnitt,
l_m = Eisenweglänge

ergibt sich:

U₀-Rl

Vr AII_n,

30

35

40

45

Die Spannung am Widerstand R 1 ist also linear abhängig von der Permeabilität/«. Für die Permeabilität,« gelten die in den F i g. 2 und 3 dargestellten Abhängigkeiten.

Zur Temperaturkompensation werden zwei gepaarte Steuerdrosseln, d. h. Steuerdrosseln mit gleichen Kerneigenschaften, die mit Impedanzen beschaltet sind, in Brückenanordnung auf einen Differenzverstärker geschaltet Da beide Kernaussteuerungen gleich gehalten werden, ergeben sich gleiche Ausgangsspannungen. Ausgangsspannungsänderungen durch Temperatureinflüsse heben sich auf. Gleiche Aussteuerung wird durch Rückführung des zu messenden Stromes auf die zweite Steuerdrossel gewonnen. Der Einfluß der Steuerdrossel ist damit auf die Differenz der Kernpaarung reduziert, Da Ferritkerne aus dem gleichen Los etwa um 1% voneinander abweichen, liegt die Meßgenauigkeit in dieser Größenordnung.

Anhand der weiteren Figuren wird die Erfindung nun im einzelnen erläutert Es zeigt

F i g. 4 ein Prinzipschaltbild für die Strommeßeinrichtung nach der Erfindung,

F i g. 5 den Zusammenhang zwischen zu messendem Gleichstrom und Auswertesignal und

F i g. 6 eine Ausgestaltung der Strommeßcinrichiung.

Das Prinzipschaltbild der Strommeßeinrichtung gemäß Fig.4 weist 2 Steuerdrosseln Dr ί und Dr2 auf. Die Primärwicklung w\ der Steuerdrossel DrI wird dabei allein durch den nichtunterbrochenen Leiter L gebildet, durch den der zu messende Gleichstrom Jg fließt Das Potential für diesen Gleichstrom beträgt 10 kV. Vorzugsweise wird der Leiter L einfach durch das Kemloch der Steuerdrossel Dr 1 gesteckt, so daß die Primärwicklung w 1 nur eine Windung aufweist In Serie zur Sekundärwicklung w2 der Steuerdrossel Dr 1 liegt eine Impedanz Zl. Ebenso ist in Serie zur Primärwicklung w 3 der Steuerdrossel Dr 2 eine Impedanz Z2 angeordnet Die Impedanzen Zl und Z 2 können rein ohmisch, induktiv oder kapazitiv sein. Für das Ausführungsbeispiel von F i g. 1 wurde für Z1 ein ohmscher Widerstand von 100 Ohm und für Z2 ein ohmscher Widerstand von 68 Ohm gewählt Die Sekundärwicklung ν 2 und die Primärwicklung; w3 wird mit einer Hiifswechselspannung Uh von Ä2 V«', ■ und einer Frequenz von 100 kHz beaufschlagt Der Verbindungspunkt der Sekundärwicklung w2 mit der Impedanz Zl ist über einen Spitzenwertgleichrichter, bestehend aus einer Diode Gi und einem Kondensator Cl an den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers D Vgeführt Ebenso ist der Verbindungspunkt zwischen der Sekundärwicklung w3 mit der Impedanz Z 2 über den Spitzenwertgleichrichter G 2, Cl an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers DV angeschlossen. Der Differenzverstärker DV besteht aus einem gegengekoppelten Operationsverstärker mit einem Gegenkopplungswiderstand Rg von 500 kil Die Richtleiter G1 und G 2 können durch die Basis-Emitter-Strecken jeweils eines Transistors, z. B. 2N3045, ersetzt werden. Werden diese beiden Transistoren in einen thermischen Kontakt gebracht, so wirken sich temperaturbedingte Änderungen der Richtleiter nicht nachteilig auf die Strommessung aus. Der Ausgang des Differenzverstärkers DV ist über einen Widerstand /?/mit der Sekundärwicklung w4 der Steuerdrossel Dr 2 verbunden. Der Wicklungssinn der Wicklungen der Steuerdrosseln ist in F i g. 4 durch Punkte gekennzeichnet Die Rückführung des Ausgangssignals des Oifferenzverstärkers DVauf die Sekundärwicklung w4 von Dr2 erfolgt so, daß die Spannung, die dem einen Eingang des Differenzverstärkers DV zugeführt ist, d. h, die Wechselspannung vor Gleichrichtung durch Spitzengleichrichter, gegenphasig zu der Spannung ist, die dem anderen Eingang des Differenzverstärkers DV ebenfalls vor der Spitzenwertgleichrichtung zugeführt ist Der Kern der Steuerdrossel Dr 2, der mit dem Kern der Steuerdrossel Or '.. gepaart ist, befindet sich dadurch so im Rückführungszweig des Differenzverstärkers DV, daß Nichtlinearitäten und Tcmperaturabhängigkeiten bei gleicher Aussteuerung des Kernmaterials ausgeregelt werden. Der Einfluß der Steuerdrosseln auf die Messung ist damit praktisch auf die Differenz der Kernpaarung reduziert. Da Ferritkerne aus dem gleichen Los etwa 1% voneinander abweichen, liegt die Genauigkeit der Strommessung auch in dieser Größenordnung.

Das Auswertesignal wird am Ausgang des Differenzverstärkers DV als Ausgangsspannung Ua abgegriffen. Wie F i g. 5 zeigt, H der Zusammenhang zwischen dem zu messenden Strom Jg und dem Auswertesignal — Ausgangsspannung Ua des Differenzverstärker DV-trotz der Verwendung von Kernen mit rechteckiger Hysterese sehr linear.

In F i g. 6 ist eine Ausgestaltung der Erfindung dargestellt Bis auf die Bauelemente im Rückführungszweig entspricht diese Schaltung der Strommeßeinrichtung gemäß Fig.4. Im Rückführungszweig dieser Strommeßeinrichtung zwischen Ausgang des Differenzver- s stärkers Z? V und der Sekundärwicklung wA der Steuerdrossel Dr 2 ist ein Verstärker Vi angeordnet, dem ausgangsseitig ein Meßwiderstand R_m nachgeschaltet ist Die Anschlüsse dieses Meßwiderstandes R_m sind jeweils auf einen Eingang eines weiteren Verstärkers V2 geführt An dessen Ausgang wird das Auswertesignal — Ausgangsspannung Ua — abgenommen. Diese Ausgestaltung eignet sich für die Messung von sehr kleinen Strömen. Die gleiche Kernaussteuerung wird wie zuvor durch Rückführung des Ausgangssignals des Differenz- is verstärken DVaus dem zu messenden Strom Jg gewonnen. Die Eingangsspannungen des Differenzverstärkers S*/seien rnii Ut und Ul bezeichnet und der Ström im Rückführungskreis mit Jr. Wird die Stellkennlinie Jg/ U1 und Jr/U 2 zunächst als linear vorausgesetzt, gilt

Jg-M- Ui; Jr- ΰ- M~ U2,

wobei ödas Wicklungsverhältnis der Sekundärwicklung w 4 der Steuerdrossel Dr 2 und der Primärwicklung w 1 der Steuerdrossel Dr i darstellt Das Wicklungsverhältnis der Sekundärwicklung w2 der Steuerdrossel DrI und der Primärwicklung w3 der Steuerdrossel Dr 2 sei 1.

Wenn mit V die Verstärkung des Differenzverstärkers und mit K die Verstärkung des Verstärkers Vi bezeichnet wird, gilt für den geschlossenen Rückführkreis

40

45

50 Ä

wobei mit //die Verstärkung des weiteren Verstärkers '«j

V2 bezeichnet ist Die Ausgangsspannung U₁ ist also bei '·;■ Vernachlässigung der Differenz der Kernpaarung wie- V

derum linear abhängig vom zu messenden Gleichstrom 55 f;

Jg. Die Stellkennlinien der Spulen entfallen. ^: Ein Anwendungsgebiet der Strommeßeinrichtung /_:

nach der Erfindung ist insbesondere die potentialge- Ϊ

trennte Messung des Kollektorstromes einer Leistungs- W

Wanderfeldröhre. 60 Sf

(i/l-i/2)	I- V-	*K = Jr*
und damit
/r- ^lg	*-M-*	*V- K*
^Jr 1 +	QM	*■ V- K*
Da Ο ■ M ■ V ■	*K>\*	ist gilt
Jr - Jg/ü und *U ^Jg'*	*Rm ■*	H
	U

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen IS

65 I

Claims

1 2 ehe Strommeßeinrichtung ist bekannt aus DD1 57 981. Patentansprüche: In Stromversorgungen für Geräte der Nachrichten technik, beispielsweise Sendern, müssen Ströme in Lei-

1. Strommeßeinrichtung zur potentialgetrennten tern mit sehr hohem Spannungspotential gegen Masse Messung von Gleichströmen, bestehend aus zwei 5 präzise gemessen werden, was bedeutet, daß eine Eigepaarten Steuerdrosseln (DrX, Dr 2) mit jeweils chung der Strommessung unerwünscht ist

zwei Wicklungen (w 1, w2; w3, wA\ in der die Se- Üblicherweise wird heute dazu ein sogenannter Isolakundärwicklung (w2) der ersten Steuerdrossel tionsverstärker verwendet Dabei wird, wie die F i g. 1 (Dr 1) sowie die Primärwicklung (w3) der zweiten zeigt, die stromführende Leitung Ltg, über die der zu Steuerdrossel (Or 2) mit einer Hilfswechselspan- 10 erfassende Strom Ja fließt, aufgetrennt und der Spannung (LVi) beaufschlagt ist, in der allein der nichtun- nungsabfall an einem Meßwiderstand Rm auf einen poterbrochene Leiter (L), durch den der zu messende tentialmäßig hochliegenden Operationsverstärker Op 1 Gleichstrom (//7) fließt, die Primärwicklung (w 1) der geführt Dessen Ausgangsspannung wird mittels eines einen Steuerdrossel (Dr 1) bildet, in der ein Diffe- Wandlers W in eine Wechselspannung der Frequenz / renzverstärker (DV) in einer Brückendiagonale ei- 15 umgeformt, die über einen isolierten Transformator ner Brückenschaltung angeordnet ist, an dessen Aus- oder, wie F i g. 1 zeigt, über einen Lichtwellenleiter gang ein Auswertesignal ( Ua) abgegriffen wird und L WL unter Zwischenschaltung eines weiteren Wandlers in der ein Rückführungszweig vom Ausgang des; Dif- W auf einen masseseitigen Verstärker, Operationsverferenzvenrtlrkers (DV) zur Sekundärwicklung (w 4) stärker Op 2, geleitet wird. Am Ausgang des Operader anderen Steuerdrossel (Dr 2) vorgesehen ist, 20 donsverstärkers Op 2 erscheint dann eine Spannung U_A dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in die proportional zum zu messenden Strom/_s ist Bis zu Serie zur Sekundärwicklung (ic 2) der ersten Steuer- Spannungen von 6 bis 8 kV sind solche Isolationsverdrossel (OrI) sowie zur Primärwicklung (wS) der stärker als fertige Bausteine zu beziehen. Der Nachteil zweiten Steuerdrossel (Dr 2) eine Impedanz (Zl, bei der Verwendung solcher Verstärker ist die Notwen-. Z2) geschaltet ist, daß die Sekundärwicklung (tc2) 25 digkeit einer potentialmäßig hochliegenden Versorder ersten und die Primärwicklung (w3) der zweiten gungsspannung unt? das Auftrennen der Leitung. Für Steuerdrossel zusammen mit den jeweils in Serie Spannungen größer 8 kV muß ein solcher Verstärker geschalteten Impedanzen (Zi, Z2) die Brücken- aus Einzelelementen aufgebaut sein,
schaltung bilden, daß die Anschlußklemmen jener Aus den Druckschriften »Elektrotechnische Zeit-Brückendia^onale der Brückenschaltung, die durch 30 schrift«, 58. Jahrgang, Heft 49 (1937), Seiten 1309 bis die Verbindungspunkte von Wicklungen (w2, w3) 1313; »Elektrotechnische Zeitschrift«, 75. Jahrgang, der Steuerdrosseln mit den Impedanzen (Zl, Z 2) Heft 17 (1954), Seiten 541 bis 547, sind Strommeßeingebildet sind, jeweils über eine Gleichrichterschal- richtungen für Gleichströme bekannt, die aus zwei Steutung (G 1, Cl; G2, C2) an die oeiden Eingänge des erdrosseln bestehen, wobei durch die Primärwicklung Differenzverstärkers (DV) geführt sind, und daß der 35 der einen Steuerdrossel der zu messende Strom J_a fließt Ausgang des Differenzverstärkers (DV)\m Rückfüh- und die Sekundärwicklung der einen sowie die Primärrungszweig derart an die Sekundärwicklung (w4) wicklung der anderen Steuerdrossel, von einer Hilfsder zweiten Steuerdrossel (Dr 2) angeschlossen ist, wechselspannung beaufschlagt, sinCrierart, daß sich die daß die Spannung, die dem einen Eingang des Diffe- in den Steuerkreis induzierten Spannungen gegenseitig renzverstärkers (DV) zugeführt ist, gegenphasig zu 40 aufheben. Nachteilig bei diesen Strommeßeinrichtunder Spannung ist, die seinem anderen Eingang zug?- gen ist, daß der zu messende Gleichstrom immer durch führt ist zwei Kerne geführt werden muß bzw. die Primärwick-

2. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 1, da- lungen beider Steuerdrosseln bildet Dies bedeutet durch gekennzeichnet, daß in den Rückführungs- ebenfalls eine Auftrennung der meßstromführenden zweig ein Verstärker (Vi) geschaltet ist daß der 45 Leitung bzw. verursacht zumindest zusätzliche elektri-Ausgang dieses Verstärkers (Vl) über einen Meß- sehe Streufelder.

widerstand (Rm) mit der Sekundärwicklung (w4) Bei der Strommeßeinrichtung gemäß DD 1 57 981 der zweiten Steuerdrossel (Or 2) verbunden ist und (Fig. 3) sind ebenfalls zwei Steuerdrosseln vorgesehen, daß dieser Meßwiderstand mit einem weiteren Ver- In die beiden Steuerdrosseln wird jeweils eine Hilfsstärker (V2) beschaltet ist, an dessen Ausgang das 50 wechselspannung eingekoppelt Die erste Steuerdrossel Auswertesignal abgreifbar ist wird durch eine Gleichspannung, die dem zu messenden

3. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, Strom entspricht, ausgesteuert und die zweite durch eidadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbin- ne Wechselspannung. Da beide Steuerdrosseln, die Bedungspunkten der Wicklungen (w2, w3) mit den standteil einer Brückenschaltung sind, nicht den gleiimpedanzen (Z 1,Z2) und den Eingängen des Diffe- 55 chen Arbeitspunkt besitzen, kann keine vollständige renzverstärkers (DV) Spitzenwertgleichrichter (G 1, Kompensation der Kernnichtlinearitäten erfolgen.

C1; G 2, C 2) angeordnet sind. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die

4. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 3, da- Strommeßeinrichtung, ausgehend vom Gegenstand des durch gekennzeichnet, daß die Richtleiter der Spit- Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, so auszubilden, daß zenwertgleichrichter (GI, Cl; G2, C2) durch die 60 keine Verfälschung des Meßergebnisses infolge Nichtli-Basis-Emitter-Strecken zweier thermisch gekoppel- nearitäten und Temperaturabhängigkeiten des Kernter Transistoren gebildet sind. materials auftritt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden

Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteran-

65 sprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sich Drift-Die Erfindung betrifft eine Strommeßeinrichtung ge- erscheinungen von Magnetmaterialien als Kerne für maß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine sol- Steuerdrosseln nicht ungünstig auf das Meßergebnis