DE3827758A1 - Einrichtung zur ueberwachung einer vorgegebenen stromstaerke in mindestens einem elektrischen leiter - Google Patents
Einrichtung zur ueberwachung einer vorgegebenen stromstaerke in mindestens einem elektrischen leiterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung
einer vorgegebenen Stromstärke in mindestens einem
elektrischen Leiter.
Üblicherweise wird zur Messung der Stromstärke in einem
elektrischen Leiter in Serie zu einem Lastwiderstand ein
Meßwiderstand in den Stromkreis eingefügt. An diesem
Meßwiderstand fällt bei einem Stromfluß eine Meßspannung
ab, die nach dem Ohmschen Gesetz proportional zur Stärke
des in dem elektrischen Leiter fließenden Stromes ist.
Bei diesem Meßverfahren wird in dem Meßwiderstand eine
Verlustleistung umgesetzt, die dem System zusätzlich
zugeführt werden muß. Ferner wird durch den in Serie zum
Lastwiderstand angeordneten Meßwiderstand die am Lastwi
derstand zur Verfügung stehende elektrische Spannung
verringert. Schließlich besteht die Gefahr, daß der
Meßwiderstand bei kurzgeschlossener Last zerstört wird,
da in diesem Falle die im Meßwiderstand umgesetzte
Verlustleistung sehr stark ansteigt. Diese Nachteile
sind insbesondete bei elektrischen Anlagen von Kraft
fahrzeugen, bei denen relativ hohe Ströme bei geringen
Spannungen fließen, von besonderer Bedeutung.
Bei einer weiteren, aus der EP-A 02 42 560 bekannten
Einrichtung zur Messung des elektrischen Stromes in
einem elektrischen Leiter ist ein den elektrischen
Leiter umschließender Magnetkern mit einem Spalt vor
gesehen, in welchem ein Magnetfeldsensor angeordnet ist.
Dieser mißt den durch den elektrischen Strom im Leiter
erzeugten magnetischen Fluß im Magnetkern und damit
indirekt die Stärke des im elektrischen Leiter fließen
den Stromes.
Da bei dieser bekannten Einrichtung der an sich schon
teuere Magnetfeldsensor im Spalt des Magnetkernes
verankert, beispielsweise verklebt werden muß, ist die
bekannte Einrichtung für die Großserienfertigung zu
aufwendig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige
Einrichtung eingangs genannter Art anzugeben, die eine
verlustleistungsfreie Strommessung bei größtmöglichem
Betriebsspannungsbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
ein Transformator mit einem weichmagnetischen Ringkern
vorgesehen ist, der von dem zu überwachenden Leiter mit
mindestens so vielen Windungen umgeben ist, daß er bei
der vorgegebenen Stromstärke magnetisch gesättigt ist,
daß die Primärspule des Transformators an einen Wechsel
spannungsgenerator angeschlossen ist und daß die Sekun
därspule des Transformators mit einer Auswerteeinheit
verbunden ist.
Mit dieser bekannten Einrichtung kann in einfacher Weise
festgestellt werden, ob die Stromstärke in dem zu
überwachenden Leiter einen vorgegebenen Wert über-
bzw. unterschreitet.
Für den Fall, daß die Stromstärke in dem zu überwachen
den Leiter einen vorgegebenen Wert unterschreitet, ist
der weichmagnetische Ringkern magnetisch nicht ge
sättigt. In diesem Falle ist zwischen der Primärspule
und der Sekundärspule des Transformators eine magneti
sche Kopplung gegeben. Wird nun unter diesen Vorausset
zungen vom Wechselspannungsgenerator eine Wechselspan
nung mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz an die
Primärspule des Transformators angelegt, so erzeugt der
in der Primärspule fließende Wechselstrom ein magneti
sches Wechselfeld, das über den weichmagnetischen
Ringkern gebündelt zur Sekundärspule des Transformators
weitergeleitet wird. In dieser wird durch das elektro
magnetische Wechselfeld eine Wechselspannung induziert,
deren Amplitude und Frequenz von der Amplitude und von
der Frequenz der vom Wechselspannungsgenerator an die
Primärspule des Transformators angelegten Wechselspan
nung abhängt. Diese in der Sekundärspule des Transfor
mators induzierte Wechselspannung wird der Auswerteein
heit zugeführt. Wenn diese bei eingeschaltetem Wechsel
spannungsgenerator, d.h. bei aktivierter Überwachungs
einrichtung das Anliegen eines Wechselspannungssignals
feststellt, so bedeutet dies, daß die Stromstärke in dem
zu überwachenden elektrischen Leiter einen vorgegebenen
Wert unterschreitet.
Wird dagegen bei eingeschaltetem Wechselspannungsgene
rator, d.h. aktivierter Überwachungseinrichtung in der
Auswerteeinheit keine Wechselspannung registriert, dann
bedeutet dies, daß die Stromstärke in dem zu überwachen
den Leiter einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dies
ist darauf zurückzuführen, daß bei der dann vorliegenden
Stromstärke im elektrischen Leiter der weichmagnetische
Ringkern magnetisch gesättigt ist und dadurch zwischen
der Primärspule und der Sekundärspule des Transformators
keine magnetische Kopplung gegeben ist. Diese Abnahme
der Kopplungswirkung des weichmagnetischen Ringkernes ab
einer vorgegebenen Stromstärke im zu überwachenden
Leiter ist darauf zurückzuführen, daß die relative
Permeabilität des Ringkernmaterials nicht konstant ist,
sondern sehr stark von der magnetischen Feldstärke
abhängt. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, wird die
magnetische Flußdichte bzw. Induktion B ab einer be
stimmten Größe des magnetischen Feldes bei weiterer
Erhöhung der Feldstärke H nicht mehr größer, da die
Sättigungsinduktion B S erreicht ist. Wenn der weich
magnetische Ringkern magnetisch gesättigt ist, dann kann
das in der Primärspule bei angelegter Wechselspannung
erzeugte elektromagnetische Feld nicht mehr zur Sekun
därspule des Transformators übertragen werden, da sich
die magnetische Flußdichte nicht mehr ändert, wenn sich
die magnetische Feldstärke ändert.
Bei Kenntnis der magnetischen Eigenschaften des verwen
deten Ringkerns kann die Anzahl der den Ringkern umge
benden Windungen des zu überwachenden Leiters so gewählt
werden, daß bei einer vorgegebenen Stromstärke ein an
der Primärwicklung des Transformators anliegendes
Wechselsignal nicht mehr zur Sekundärwicklung und damit
zur Auswerteeinheit übertragen wird. Wenn also die
Übertragung des Wechselsignals von der Primärwicklung
zur Sekundärwicklung des Transformators unterbunden
wird, dann bedeutet dies, daß die Stromstärke in dem zu
überwachenden Leiter einen vorgegebenen Wert überschrei
tet. Wenn dagegen eine Übertragung des Wechselsignals
von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung des Trans
formators stattfinden kann, dann bedeutet dies, daß die
Stromstärke in dem zu überwachenden elektrischen Leiter
den vorgegebenen Wert unterschreitet. Auf diese Weise
kann die Stromstärke in einem elektrischen Leiter in
einfacher Weise unter Vermeidung der eingangs genannten
Nachteile der bekannten Einrichtungen überwacht werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht der
Ringkern aus einem Ferritmaterial oder einem amorphen
Metall. Derartige Materialien haben die Eigenschaft, das
Magnetfeld zu bündeln. Dadurch wird das Streufeld, d.h.
der Teil des magnetischen Feldes, der keine Auswirkung
auf die Induktion in der Sekundärspule hat, kleinge
halten. Zudem wird durch das weichmagnetische Material
aufgrund der großen relativen Permeabilität gegenüber
Luft eine große magnetische Induktion erzielt, so daß
bereits relativ kleine Stromstärken überwacht werden
können.
Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn als
Wechselspannungsgenerator ein Rechteckspannungsgenerator
verwendet wird, der ein Rechteckspannungssignal mit
einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz abgibt.
Aufgrund der großen Flankensteilheit des Rechteckspan
nungssignals wird in der Sekundärspule ein gut auswert
bares Wechselspannungssignal induziert.
Zur Verstärkung des in der Sekundärspule des Transforma
tors induzierten Wechselspannungssignals vor Eintritt in
die Auswerteeinheit ist die Sekundärspule über eine
Verstärkerschaltung mit der Auswerteeinheit verbunden.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit in Form einer
Spannungsdiskriminatorschaltung oder einer Frequenzdis
kriminatorschaltung ausgebildet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfüh
rungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfin
dungsgemäßen Überwachungseinrichtung, bei der der
zu überwachende elektrische Leiter unterbrochen
ist,
Fig. 3 die Überwachungseinrichtung von Fig. 2, bei
der im Unterschied zur Fig. 2 in dem zu überwachen
den elektrischen Leiter ein Strom einer vorgegebe
nen Stärke fließt und
Fig. 4 die Überwachungseinrichtung von Fig. 2, mit
der die Stromstärken zweier elektrischer Leiter
überwacht werden.
Bei der Überwachungseinrichtung von Fig. 2 ist ein
Rechteckspannungsgenerator 1 mit dem einen Anschluß 2
der Primärwicklung 3 eines insgesamt mit 4 bezeichneten
Transformators verbunden. Der andere Anschluß 5 der
Primärspule 3 ist über einen ersten Abschlußwider
stand 6 mit Erdpotential verbunden. Ebenso wie der
Anschluß 5 der Primärwicklung 3 ist auch der Anschluß 7
der Sekundärwicklung 8 des Transformators 4 über einen
zweiten Abschlußwiderstand 9 mit Erdpotential verbunden.
Der andere Anschluß 10 der Sekundärwicklung 8 ist mit
dem Eingang 11 einer Verstärkerschaltung 12 verbunden.
Der Ausgang 13 der Verstärkerschaltung 12 ist an eine
Auswerteeinheit 14 angeschlossen, die beispielsweise
durch eine Spannungsdiskriminatorschaltung oder eine
Frequenzdiskriminatorschaltung gebildet sein kann. Die
Kopplung der Primärspule 3 mit der Sekundärspule 8 des
Transformators 4 erfolgt über einen weichmagnetischen
Ringkern 15. Dieser wird von einem zu überwachenden
elektrischen Leiter 16, in dem sich eine ohmsche
Last 17, beispielsweise eine Lampe, befindet, mit min
destens so vielen Windungen umgeben, daß er bei der zu
überwachenden vorgegebenen Stromstärke magnetisch
gesättigt ist. Diese magnetische Sättigung kann bei
einer relativ großen Stromstärke im elektrischen Lei
ter 16 bereits eintreten, wenn der elektrische Leiter 16
nur durch den Ringkern 15 des Transformators 4 hindurch
geführt wird. Ebenso reicht es bisweilen aus, wenn die
Primärwicklung 3 und die Sekundärwicklung 8 des Trans
formators 4 nur jeweils eine einzige Windung aufweisen.
Nachdem vorstehend der Aufbau der erfindungsgemäßen
Überwachungseinrichtung von Fig. 2 beschrieben wurde,
soll im folgenden ihre Funktionsweise in Verbindung mit
Fig. 3 erläutert werden.
Die Fig. 3 unterscheidet sich von der Fig. 2 lediglich
dadurch, daß bei der Fig. 2 ein im elektrischen Lei
ter 16 angeordneter Schalter 18 geschlossen ist, so daß
ein Strom vorgegebener Stromstärke durch den Leiter 16
fließt, der den Ringkern 15 des Transformators 4 magne
tisch sättigt. Da in Fig. 2 der Schalter 18 im elektri
schen Leiter 16 offen ist, kann in diesem kein elektri
scher Strom fließen, der den Ringkern 15 des Transfor
mators 4 magnetisch sättigen könnte.
Wird nun bei dem in Fig. 2 gezeigten Fall, bei dem im
elektrischen Leiter 16 kein Strom fließt, vom Rechteck
spannungsgenerator 1 eine Rechteckspannung an den
Anschluß 2 der Primärwicklung 3 des Transformators 4
angelegt, dann fließt in der Primärwicklung 3 ein
entsprechender Wechselstrom. Dieser erzeugt im magne
tisch nicht gesättigten Ringkern 15 ein magnetisches
Wechselfeld, welches in der Sekundärwicklung 8 des
Transformators 4 eine entsprechende Wechselspannung
erzeugt. Diese wird in der Verstärkerschaltung 12
verstärkt und anschließend der Auswerteeinheit 14
zugeführt. Diese erkennt anhand der Amplitude der
anliegenden induzierten Wechselspannung bzw. anhand
deren Frequenz, daß in der Sekundärwicklung 8 des
Transformators 4 eine Wechselspannung induziert wird,
die auf die an die Primärwicklung 3 des Transformators 4
angelegte Rechteckspannung zurückzuführen ist.
Wenn dagegen, wie bei dem in Fig. 3 dargestellten Fall,
der Schalter 18 im elektrischen Leiter 16 geschlossen
ist, dann fließt durch den elektrischen Leiter 16 ein
Strom mit einer Stromstärke, durch die der weichmagne
tische Ringkern 15 des Transformators 4 magnetisch
gesättigt wird. Durch diese magnetische Sättigung des
Ringkernes 15 wird die ansonsten über den Ringkern
gegebene magnetische Kopplung der Primärspule 3 mit der
Sekundärspule 8 des Transformators 4 unterbunden. Dies
hat zur Folge, daß das vom Rechteckspannungsgenerator 1
an die Primärwicklung 3 angelegte Rechtecksignal nicht
zur Sekundärwicklung 8 des Transformators 4 und damit
über die Verstärkerschaltung 12 zur Auswerteeinheit 14
übertragen werden kann. Wenn demzufolge bei eingeschal
tetem Rechteckspannungsgenerator 1 an der Auswerteein
heit 14, wie in der Fig. 3 gezeigt, kein Wechselspan
nungssignal ankommt, so bedeutet dies, daß durch den
Leiter 16 ein Strom vorgegebener Stromstärke fließt.
Erst wenn die Stromstärke unter einen Wert absinkt, der
für die magnetische Sättigung des Ringkernes 15 nicht
mehr ausreicht, dann wird das Wechselspannungssignal
wieder von der Primärspule 3 zur Sekundärspule 8 des
Transformators 4 übertragen, das dann in der Auswerte
einheit 14 als solches erkannt wird. In diesem Falle
kann die Auswerteeinheit 14 beispielsweise einen Alarm
auslösen.
Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, können mit der erfin
dungsgemäßen Überwachungseinrichtung gleichzeitig die
Stromstärken mehrerer elektrischer Leiter überwacht
werden. Die in Fig. 4 dargestellte Überwachungseinrich
tung stimmt mit der in den Fig. 2 und 3 dargestellten
Überwachungseinrichtung überein. Zur Verdeutlichung sind
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im
Unterschied zu den Fig. 2 und 3 ist der Ringkern 15 von
zwei elektrischen Leitern 19 und 20 insgesamt mit
mindestens so vielen Windungen umgeben, daß er bei den
vorgegebenen Stromstärken in den einzelnen Leitern 19
und 20 magnetisch gesättigt ist. Bei gleichen Stromstär
ken in beiden elektrischen Leitern 19 und 20 wird die
jeweilige Anzahl der den Ringkern 15 umgebenden Win
dungen der beiden elektrischen Leiter 19 und 20 mög
lichst so gewählt, daß der Ringkern 15 bei etwa dem
1,5fachen Wert der vorgegebenen Stromstärke in einem der
elektrischen Leiter 19 oder 20 magnetisch gesättigt
wird. Auf diese Weise kann festgestellt werden, wann
mindestens einer der elektrischen Leiter 19 und 20
stromlos ist.
Claims (6)
1. Einrichtung zur Überwachung einer vorgegebenen
Stromstärke in mindestens einem elektrischen
Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trans
formator (4) mit einem weichmagnetischen Ringkern
(15) vorgesehen ist, der von dem zu überwachenden
Leiter (16; 19, 20) mit mindestens so vielen
Windungen umgeben ist, daß er bei der vorgegebenen
Stromstärke magnetisch gesättigt ist, daß die
Primärspule (3) des Transformators (4) an einen
Wechselspannungsgenerator (1) angeschlossen ist und
daß die Sekundärspule (8) des Transformators (4)
mit einer Auswerteeinheit (14) verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Ringkern (15) aus einem Ferritmaterial
oder aus einem amorphen Metall besteht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator (1) ein
Rechteckspannungsgenerator ist, der ein Rechteck
spannungssignal mit einer Frequenz im Bereich von
1 kHz bis 100 kHz abgibt.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule
(8) unter Zwischenschaltung einer Verstärkerschal
tung (12) mit der Auswerteeinheit (14) verbunden
ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteein
heit (14) eine Spannungsdiskriminatorschaltung ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit
(14) eine Frequenzdiskriminatorschaltung ist.
Priority Applications (1)
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DE3827758C2 (de) | 1996-08-29 |
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