DE3939408A1 - Anordnung zur ueberwachung von betriebsspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung ist bekannt aus der DE-PS 30 11 776.

In Systemen der Nachrichtentechnik müssen oft mehrere Betriebsspannungen erfaßt werden auf Einhaltung bestimmter Toleranzgrenzen. Wenn diese Toleranzgrenzen über- oder unterschritten werden, soll eine Signalisierung ansprechen. Bei der DE-PS 30 11 776 ist jeder zu überwachenden Betriebsspannung mindestens ein Schwellwertkomparator zugeordnet, der die jeweilige Betriebsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht. Die Ausgänge der Schwellwertkomparatoren sind zusammengeschaltet - "wired or" verknüpft - und führen zu einer allen Schwellwertkomparatoren gemeinsamen Ausgabeeinheit, die eine Überwachungsschaltung aufweist zur Erzeugung eines Alarmsignals in Abhängigkeit der Ausgangssignale der Überwachungskomparatoren.

Aufgabe der Erfindung ist es ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Anordnung anzugeben, die eine sichere Alarmgabe auch für zu überwachende Betriebsspannungen unterschiedlicher Polarität aufzeigt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die übrigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.

Die Maßnahmen gemäß der Erfindung weisen folgende Vorteile auf: Die Ansprechschwellen der Überwachungskomparatoren können durch jeweils nur einen Widerstand festgelegt werden, der unabhängig von der Polarität der ausgewerteten Betriebsspannung durch eine einheitliche Dimensionierungsformel bestimmbar ist. Hierdurch ist die Anordnung gemäß der Erfindung leicht modularisierbar. Die Überwachungskomparatoren können auf einfache Weise zu Gruppen zusammengefaßt werden, welche wiederum auf eine allen Gruppen gemeinsame Auswerteeinheit geschaltet werden können. Die zur sicheren Signalgabe vorgesehenen Schalthysteresen der Überwachungskomparatoren sind von den jeweils auszuwertenden Betriebsspannungen und von der Versorgungsspannung unabhängig. Sie sind fest auf z. B. 2% der Ansprechschwelle einstellbar.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Gruppe von 8 Überwachungskomparatoren,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Ausgabeeinheit,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild für eine Kaskadierung.

In Fig. 1 ist ein Modul bestehend aus 8 Überwachungskomparatoren dargestellt. Die ersten vier Überwachungskomparatoren K1, K2, K3, K4 sind zur Überwachung positiver Betriebsspannungen +U1, +U2, +U3, +U4 vorgesehen und die weiteren vier Überwachungskomparatoren K5, K6, K7, K8 zur Überwachung negativer Betriebsspannungen -U5, -U6, -U7, -U8. Jede der Betriebsspannungen wird zuerst über einen Widerstand R1, R2, . . . R8, der zur Festlegung der Ansprechschwelle des jeweiligen Überwachungskomparators vorgesehen ist, geführt. Die negativen Betriebsspannungen sind über ihre Widerstände R5, R6, R7, R8 zur Festlegung der Ansprechschwelle direkt an die invertierenden Eingänge ihrer jeweils als Operationsverstärker ausgebildeten Überwachungskomparatoren K5, K6, K7, K8 geführt. Die positiven Betriebsspannungen +U1, +U2, +U3, +U4 sind jeweils über einen Spannungsteiler R11, R12; R21, R22; R31, R32; R41, R42 an die nichtinvertierenden Eingänge ihrer ebenfalls jeweils als Operationsverstärker ausgebildeten Überwachungskomparatoren K1, K2, K3, K4 geführt. Die invertierenden Eingänge der Überwachungskomparatoren K1, K2, K3, K4 sind mit der Referenzspannung Ur1=-1,5 V beaufschlagt und die nichtinvertierenden Eingänge der Überwachungskomparatoren K5, K6, K7, K8 mit der Referenzspannung Ur3=-1,5 V. Die Versorgungsanschlüsse der Komparatoren K1, K2, K3, K4 sind auf Massepotential 0 V geschaltet und die Versorgungsanschlüsse der Komparatoren K5, K6, K7, K8 auf eine Versorgungsspannung UB, die von -2 V bis -36 V variieren kann. Vor jedem Überwachungskomparator K1, . . . K8 ist ein Tiefpaß TP1 . . . TP8 vorgesehen, der bezüglich der die positiven Betriebsspannungen überwachenden Komparatoren K1, K2, K3, K4 jeweils aus jenem Widerstand R12, R22, R32, R42 des Spannungsteilers und einem parallel geschalteten Kondensator C1, C2, C3, C4 besteht, der nicht unmittelbar an den jeweiligen Komparator K1, K2, K3, K4 angeschlossen ist. Die Tiefpässe TP5, TP6, TP7, TP8 bestehen aus Widerständen R35, R36, R37 und R38, denen jeweils die Kondensatoren C5, C6, C7 und C8 parallel geschaltet sind. Diese Tiefpässe liegen jeweils zwischen den invertierenden Eingängen ihrer entsprechenden Überwachungskomparatoren K5, K6, K7, K8 und Masse. Die Tiefpässe TP1 . . . TP8 weisen eine obere Grenzfrequenz von 1,7 kHz auf und unterdrücken damit Störsignale, die die Betriebsspannungsauswertung verfälschen könnte. Die Fußpunkte der Spannungsteilerwiderstände R12, R22, R32, R42 sind mit der Referenzspannung Ur2=-3 V beaufschlagt. Eine weitere Referenzspannung Ur4, die je nach Schaltzustand der Komparatoren -2,2 V oder -3,2 V beträgt, wird an das Mitkopplungsnetzwerk MKN der Überwachungskomparatoren K1, . . . K8 geführt.

Die Ansprechschwellen der Überwachungskomparatoren werden durch jeweils nur einen der Widerstände R1 . . . R8 festgelegt, der unabhängig von der Polarität der ausgewerteten Betriebsspannung durch eine einheitliche Dimensionierungsformel bestimmbar ist. Im Ausführungsbeispiel gilt für

wobei U_sign die Signalspannung angibt.

Alle Referenzspannungen Ur1, Ur2, Ur3 und Ur4 werden aus einer gemeinsamen Referenzschaltung REF (Fig. 2), die in der Ausgabeeinheit AE untergebracht ist, abgeleitet.

Die Überwachungskomparatoren K1, . . . K8 arbeiten alle mit einer Referenzspannung von -1,5 V. Diese Referenzspannung wird aus zwei 1,23 V Referenzelementen RE1, RE2 mit Hilfe eines Referenzverstärkers RV, welcher aus einem über den Widerstand RGV gegengekoppelten Operationsverstärker besteht abgeleitet.

Hierzu wird zunächst die 2,46 Referenzspannung auf das Hilfs- Bezugspotential -3 V verstärkt. Dieses Hilfs-Bezugspotential ist bedingt durch die Sink-Begrenzung des Operationsverstärkers mit 5 mA belastbar und wird für die Auswertung der positiven Betriebsspannungen verwendet (Ur2 am Fußpunkt der Spannungsteilerwiderstände). Für die Ableitung der -1,5 V Referenz werden jeweils für die Auswertung der positiven (Ur1) und die Auswertung der negativen (Ur3) Betriebsspannungen getrennte Spannungsteiler RT11, RT12 bzw. RT21, RT22 mit einem Spannungsteilerverhältnis von 1 : 1 am Ausgang des Operationsverstärkers RV verwendet, da bei der Auswertung negativer Betriebsspannungen der zugehörige Referenzspannungsteiler durch die Mitkopplung (Hysterese) verstellt wird. Diese Hysterese würde bei der Verwendung nur eines Referenzspannungsteilers den Ansprechwert bei den positiven Betriebsspannungen um den Betrag der Hysterese verstellen.

Die Referenzspannung Ur4 wird aus den beiden Referenzelementen RE1 und RE2 direkt abgeleitet und über eine Diode D1 an den Eingang E des Mitkopplungsnetzwertes MKN gelegt. Das Mitkopplungsnetzwerk weist für die Überwachungskomparatoren K5, K6, K7 und K8 eine Serienschaltung einer Diode D2 mit einem Widerstand RM1 zwischen dem Eingang E und den nichtinvertierenden Eingängen der Überwachungskomparatoren K5, K6, K7, K8 auf. Die Diode D2 ist im Ruhezustand stromlos. Ruhezustand bedeutet, daß die Überwachungskomparatoren K5, K6, K7, K8 keine zu überwachenden negativen Betriebsspannungen zugeführt bekommen, die in ihrem Absolutwert unterhalb ihrer Ansprechschwelle liegen. An den nichtinvertierenden Eingängen der Komparatoren K5, K6, K7, K8 liegt dann nur die Referenzspannung Ur3=-1,5 V. Wenn mindestens einer der Überwachungskomparatoren K5, K6, K7, K8 Unterspannung zugeführt bekommt, nimmt der Ausgang A auf den alle Ausgänge der Überwachungskomparatoren K1 . . . K8 geschaltet sind L Potential an, d. h. das Potential der Versorgungsspannung UB. In diesem Falle fließt ein Strom getrieben von der Versorgungsspannung UB über die Referenzspannung Ur4 und die nun leitende Diode D1 sowie den zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A angeordneten Widerstand RA.

Das Potential am Eingang E sinkt auf Ur4=-3,2 V ab. Da auch die Katode der Diode D2 nun auf diesem Potential von -3,2 V liegt, fließt ein mit RM1 eingestellter Ausgleichsstrom von Ur3 über D2 nach Ur4. Dieser Ausgleichsstrom ist unabhängig von der Versorgungsspannung UB und unabhängig von den zu überwachenden Betriebsspannungen. Er wirkt mitkoppelnd auf den gerade nach L schaltenden Komparator, indem der Absolutwert von Ur3 um einen festen Prozentsatz von z. B. 2% erhöht wird. Durch die von anderen Parametern unabängige Veränderung der Referenzspannung kann damit unabhängig von den mit R5 bis R8 eingestellten Ansprechwerten eine Hysterese erzielt werden, die immer konstant 2% des Ansprechwertes beträgt.

Wenn bei einem Überwachungskomparator K1, K2, K3, K4 zur Überwachung positiver Betriebsspannungen eine Unterspannung auftritt, nimmt der Ausgang A wie zuvor L Potential an und das Potential am Eingang E springt auf Ur4=-3,2 V. Es wird ein Strom gezogen bestimmt durch das im Ansprechwert am Auswerteeingang des jeweiligen Komparators K1, K2, K3, K4 anliegenden Potential (-1,5 V) und das Potential von -3,2 V am Eingang E.

Jedem Überwachungskomparator K1, K2, K3, K4 ist im Mitkopplungsnetzwerk MKN eine Serienschaltung bestehend aus einer Diode D31, bzw. D32, D33, D34 und einem Widerstand RM21 bzw. RM22, RM23, RM24 zwischen seinem nichtinvertierenden Eingang und dem Eingang E zugeordnet. Der gezogene Strom I ist mit dem Mitkopplungsnetzwert so eingestellt, daß sich wie bei den Komparatoren U5 bis U8 eine von anderen Parametern unabhängige Hysterese ergibt, die z. B. auf 2% der Ansprechschwelle eingestellt ist.

Wenn einer der Überwachungskomparatoren K1 . . . K8 anspricht, führt der Ausgang A L-Potential. Dieses L-Potential wird dem entsprechenden Eingang A′ der Ausgabeeinheit AE zur Erzeugung mindestens eines Alarmsignals zugeführt. Hierzu weist die Ausgabeeinheit AE eine Überwachungsschaltung ÜS (Fig. 2) auf. Der Transistor T1, dessen Emitter mit der Versorgungsspannung UB, die zwischen 0 V und -36 V variieren kann, beaufschlagt ist und dessen Basis über eine Serienschaltung, gebildet aus der Zenerdiode ZD1 und der Diode D4 mit dem Eingang A′ der Ausgabeeinheit AE verbunden ist, ist normalerweise, d. h. keiner der Überwachungskomparatoren K1 . . . K8 befindet sich im Ansprechzustand, und UB liegt oberhalb der Alarmschwelle von -8 V, leitend. Nach dem Ansprechen eines Überwachungskomparators sperrt der Transistor T1. Damit schaltet auch die dem Transistor T1 nachgeschaltete Inverterstufe IS. An deren Ausgang erscheint nun L-Potential, welches den Transistor T2 in den Leitendzustand überführt. Bei leitenden Transistor T2 wird die Stromquelle SQ eingeschaltet und es fließt ein Strom über das Signalisierungselement SE, welches hier als Fotodiode ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit weist auch Ausgänge zur Abgabe standardisierter dynamischer A, B und statischer AZ, BZ Zustands-Alarmsignale über Entkoppeldioden auf, die synchron zur Einschaltung des Signalisierungselements SE abgegeben werden.

Die dynamischen A, B Alarmsignale bestehen aus den Ladestromimpulsen des Kondensators CK im Kollektorkreis des Transistors T2. Die Ladestromimpulse lassen sich extern mit einem Flip-Flop auswerten und können an einem Signalisierungstisch Alarmanzeigelampen zugeführt werden.

Die Versorgungsspannung UB wird mit dem Komparator KB überwacht. Sie wird diesem am invertierenden Eingang zugeführt. Sinkt die Versorgungsspannung UB unter den Referenzwert UrB = |8 V| am nichtinvertierenden Eingang ab, so wird wie bei einem Ansprechen der Komparatoren K1 . . . K8 der Transistor T1 gesperrt und die Signalisierung aktiviert. Bei ausgefallener Versorgungsspannung UB ist die Betriebsspannungsüberwachung weiterhin über eine extern zugeführte Versorgungsspannung Uext möglich. Die Versorgungsspannung UB versorgt bei offenem Schalter S1 sämtliche Schaltungsbaugruppen, sofern Uext nicht vorhanden ist oder Uext < |UB|. Fällt UB aus, wird die korrekte Signalisierung durch Uext aufrecht erhalten. Sind bei größeren Systemen mehrere UB-Quellen vorhanden, läßt sich durch Einschalten des Schalters S1 aus diesen über die Dioden ED1, ED2 und ED3 voneinander entkoppelten Quellen eine redundante Uext-Versorgung einrichten.

Die in Fig. 1 vorgestellten acht Überwachungskomparatoren zur Überwachung von vier positiven und vier negativen Betriebsspannungen können als Modul aufgebaut werden, z. B. in Dickschicht -Technik und mit weiteren Modulen gleichen Aufbaus kaskadiert und auf dieselbe Ausgabeeinheit AE geschaltet werden. Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer solchen Kaskadierung mit zwei baugleichen Überwachungskomparatormoduln UM1 und UM2. Die Widerstände R bestimmen wie zuvor erläutert die Signalschwellen. Nicht genutzte positive Überwachungseingänge können direkt auf 0 V gelegt werden und sind damit unwirksam. Für die Kaskadierung von Auswertungen ist dabei zu beachten, daß jeder nicht genutzte positive Eingang, wenn er auf 0 V geschaltet ist, die Referenzspannung -3 V mit 0,2 mA belastet. Dieser Wert läßt sich auf 0,12 mA reduzieren, wenn der Eingang über R=10 kOhm auf 0 V gelegt wird. Die Belastung liegt dann in der gleichen Höhe, wie sie ein genutzter Eingang verursacht. Die Kaskadierung wird damit beim direkten Anschluß der Module UM1, UM2, . . . an die Ausgabeeinheit AE auf 20 Stück begrenzt. Mit dieser Anordnung sind im Ausführungsbeispiel maximal 160 Spannungen überwachbar.

Nicht genutzte negative Überwachungseingänge können direkt an UB gelegt werden, sofern UB<-17 V beträgt. Für UB<-17 V wird der Eingang über R=15 kOhm an UB gelegt. Ein Einfluß auf die Kaskadierung, wie er bei den positiven Eingängen auftritt, besteht hier nicht.

Die in der Ausgabeeinheit AE aufbereiteten Referenzspannungen werden direkt an die entsprechenden Anschlüsse aller Moduln UM1, UM2 geschaltet. Bei kaskadiert angeordneten Betriebsspannungsauswertungen ist zur Fehlereingrenzung eine Trennstelle in jeder Anschlußleitung von UB sinnvoll.

Bei anderen Anwendungen, z. B. in Überspannungsauswertungen können die UB und die Spannungsreferenzanschlüsse an eine evtl. vorhandene Ausgabeeinheit AE angeschlossen werden. Ein Eingang E und ein Ausgang A wird dann mit den entsprechenden Ein-, Ausgängen E′ bzw. A′ entsprechend Fig. 2 beschaltet.Die Ur3 Potential führende Klemme wird dabei an einen Spannungsteiler RT21, RT22 - wie bei der Kaskadierung in Fig. 3 dargestellt - angeschlossen. Die internen Stromsenken sind bis 6 mA belastbar. Bezugspotential für den Signalausgang A ist die Versorgungsspannung UB.

Claims (6)

1. Anordnung zur Überwachung von Betriebsspannungen, wobei für jede zu überwachende Betriebsspannung ein Überwachungskomparator (K1, K2, . . . K8) zum Vergleich jeweils einer der Betriebsspannungen mit einer Referenzspannung vorgesehen ist und wobei die Ausgänge mehrerer Überwachungskomparatoren (K1, K2, . . . K8) zusammengeschaltet sind und zu einer Ausgabeeinheit (AE) geführt sind, wobei die Ausgabeeinheit (AE) mindestens eine Überwachungsschaltung zur Erzeugung eines Alarmsignals in Abhängigkeit der Ausgangssignale der Überwachungskomparatoren (K1, K2, . . . K8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzschaltung (REF) vorgesehen ist zur Gewinnung von Referenzspannungen (Ur1, Ur2, Ur3, Ur4) mit definiertem Innenwiderstand aus einer vorhandenen Versorgungsspannung (UB), daß eine erste dieser Referenzspannungen (Ur1) an Referenzeingänge jener Überwachungskomparatoren (K1, K2, K3, K4) geführt ist, die die Betriebsspannungen einer ersten Polarität überwachen, daß die zu überwachenden Betriebsspannungen der ersten Polarität jeweils über Spannungsteiler (R11, R12; R21, R22; R31, R32; R41, R42) ihren Überwachungskomparatoren (K1, K2, K3, K4) zuführbar sind, daß eine zweite der Referenzspannungen (Ur2) an die Fußpunkte dieser Spannungsteiler (R11, R12; R21, R22; R31, R32; R41, R42) geführt ist, daß eine dritte der Referenzspannungen (Ur3) an die Referenzeingänge jener Überwachungskomparatoren (K5, K6, K7, K8) geführt ist, die die Betriebsspannungen einer zweiten Polarität überwachen, daß den Überwachungskomparatoren (K1, K2, . . ., K8) ein Mitkopplungsnetzwerk (MKN) zugeordnet ist zur Erreichung von Schalthysteresen, die von den jeweils auszuwertenden Betriebsspannungen und von der Versorgungsspannung (UB) unabhängig sind, und daß jedem Überwachungskomparator (K1, K2, . . . K8) ein Widerstand (R1 . . . R8) zur Festlegung seiner ihm eigenen Ansprechschwelle zugeordnet ist über den ihm die zu überwachende Betriebsspannung zuführbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungskomparatoren (K1, K2, . . . K8) zu Gruppen zusammengefaßt sind und daß mehrere dieser Gruppen von Überwachungskomparatoren auf dieselbe Ausgabeeinheit (AE) geschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinheit (AE) eine Referenzschaltung (REF) enthält zur Gewinnung sämtlicher Referenzspannungen (UR1, Ur2, Ur3, Ur4) aus einer Versorgungsspannung (UB).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausgabeeinheit (AE) eine Überwachungsschaltung (ÜS) mit einer festen Signalschwelle (UrB) vorgesehen ist zur Überwachung der Versorgungsspannung (UB), daß eine Signalisierung (SE) aktivierbar ist, wenn die Versorgungsspannung (UB) einen unteren Toleranzwert unterschreitet, und daß eine externe Versorgungsspannung (Uext) zuführbar ist zur Aufrechterhaltung der Signalisierung bei Ausfall der Versorgungsspannung (UB).

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaß (TP1 . . . TP8) vor jedem Überwachungskomparator (K1, . . . K8) vorgesehen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitkopplungsnetzwerk (MKN) derart an die Referenzschaltung (REF) angeschlossen ist, daß die Überwachungskomparatoren (K5, K6, K7, K8) zur Überwachung der Betriebsspannungen zweiter Polarität eine Hysterese aufweisen, die über den Innenwiderstand einer von der Referenzschaltung (REF) an das Mitkopplungsnetzwerk gelieferten Referenzspannungen (Ur3, Ur4) vorgegeben ist, und daß die Überwachungskomparatoren (K1, K2, K3, K4) zur Überwachung der Betriebsspannungen erster Polarität eine Hysterese aufweisen, die durch das Mitkopplungsnetzwerk (MKN) und den von der Referenzschaltung (REF) indirekt an das Mitkopplungsnetzwerk (MKN) gelieferten Referenzspannungen (Ur1 und UR4) bestimmt ist.