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Die
Erfindung betrifft einen Phasenausfalldetektor gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Einrichtung, die einen Phasenausfalldetektor
beinhaltet.
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Phasenausfalldetektoren
der Eingangs bezeichneten Art werden in Multiphasen-Elektrizitätsversorgungsnetzwerken
eingesetzt, um das Ausfallen einer Spannung oder das Abschwächen einer Spannung
in einer Phase oder in mehreren Phasen zu detektieren.
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Ein
Phasenausfalldetektor ist eine besonders wichtige Komponente in
Anlagen, die eine Netzelektrizitätsversorgung
benutzen. In vielen Anlagen verursacht der Ausfall bzw. ein signifikantes
Abschwächen
Probleme, selbst wenn dies nur eine Phase betrifft. Probleme können beispielsweise durch
die Elektrizitätsversorgung
oder durch das versorgte System, dass ungleich belastet wird, verursacht
werden, wenn eine Phase komplett fehlt oder eine beträchtliche
Abschwächung
erfolgt. Die erzeugte Asymmetrie kann auch bewirken, dass das System
schwierig zu steuern ist, oder dass weitere Störungen auftreten. Probleme
können
auch während
des Stadiums auftreten, in dem die Phasenspannung in den Normalzustand
zurückgesetzt
wird.
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Beispiele
von Systemen, die einen Phasenausfalldetektor benötigen, sind
Elektrizitätsversorgungen
für drei
Phasen, Motoren, Umwandler, Gleichrichter und Netzwerkumpoler. Insbesondere bei
Gleichrichter-basierenden Lösungen,
in welchen eine semigesteuerte Thyristorbrücke zum Einsatz kommt, ist
es wichtig, das selbst kurze Netzausfälle detektiert werden, um sicher
zu stellen, dass die Steuerung der Brücke nicht im Diodenmodus fortfährt, nachdem
die Netzspannung wieder hergestellt wurde. In derartigen Lösungen kann
die Zwischenkreisspannung während
eines Ausfalls zusammenbrechen, was zum Durchbrennen der Sicherungen führt, wenn
die Elektrizitätsversorgungsspannung wieder
hergestellt wird, was wiederum eine Unterbrechung eines Prozesses
zur Folge hat.
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Phasenausfalldetektoren
können
somit in vielen unterschiedlichen industriellen Applikationen zum
Einsatz kommen, in Schiffen sowie in nationalen Elektrizitätsversorgungsnetzwerken.
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Die
Druckschrift
US 3 001 100 offenbart
eine Lösung
zur Überwachung
der Betriebsweise eines Multiphasen-Netzwerks. Die Lösung erfordert
eine Hilfsspannungsquelle (
8;
26), die auf dem
Potential der Netzwerkspannung liegt, und kann nicht dazu benutzt
werden, festzustellen, welche der Phasen defekt sind. Die Ausführungsgeschwindigkeit
bei Anwendung dieser Lösung
ist gering, was diese beispielsweise untauglich macht für die Verwendung
im Zusammenhang mit modernen Frequenzumwandlern. Die langsame Ausführungsgeschwindigkeit
geht zurück
auf die Halbwellenrichtung (
4;
22) und die Zeitkonstanten.
Die offenbarte Schaltung differenziert weiterhin nicht zwischen
einem normalen Spannungsausfall in allen Phasen und dem Fehlen einer oder
zweier Phasen. Die Schaltung arbeitet weiterhin nicht in einem floatenden
Netzwerk, dem ein Nullleiter fehlt.
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Die
Druckschrift
US 4 027 204 offenbart
eine zweite Lösung
zur Überwachung
der Funktionsweise eines Multiphasen Netzwerks. Die Lösung kann
tatsächlich
ohne eine separate Hilfsspannungsquelle bei dem Potential des Netzwerks
zum Einsatz kommen, jedoch muss die notwendige Hilfselektrizität durch
Widerstände
(
31,
32,
33,
37) geführt werden, was
zu einem signifikanten Elektrizitätsverlust im Normalbetrieb
führt,
insbesondere dann, wenn ein großer
Spannungsbereich abgedeckt werden soll. Aufgrund des hohen Elektrizitätsverbrauchs
kann diese Lösung
nicht vernünftig
implementiert werden, beispielsweise in eine Leiterplatte integriert
werden. Die Gleichrichterdioden (
12) in der Schaltung müssen auch
den Spannungsspitzen stand halten können, die in der Netzwerkspannung
auftreten, womit Komponenten mit einer großen Gegenspannungs-Kapazität erforderlich
sind, wenn höhere Spannungen
eingesetzt werden. Ein weiteres grundlegendes Problem der Schaltung
ist, dass diese nicht zum Detektieren der ausgefallenen Phasen eingesetzt
werden kann. Die Schaltung kann weiterhin nicht zwischen einem normalen
Spannungsausfall, in dem alle Phasen ausfallen, und einem Ausfall,
in dem eine oder zwei Phasen fehlen, unterscheiden.
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Die
Offenlegungsschrift
US 133 2448 offenbart
eine Lösung
zum Überwachen
der Funktionsweise eines Multiphasennetzwerks. Die Lösung basiert
auf elektromechanischen Hilfsrelais (
3,
4,
5,
26), deren
Spulen mit Elektrizität
mittels Spannungsteilerkondensatoren (
1) versorgt werden.
Bei normalen Netzwerkfrequenzen erfordert der Betrieb relativ große Kapazitätswerte,
was die Integration der Lösung in
eine Leiterplatine nicht sinnvoll oder sogar unmöglich macht. Die Schaltung
kann weiterhin eine ausgefallene Phase oder einen normalen Spannungsausfall
in allen Phasen nicht detektieren. Zusätzlich ist die Ausführungsgeschwindigkeit
so niedrig, dass diese Lösung
in Verbindung mit beispielsweise modernen Frequenzumwandlern ungeeignet
ist. Die Langsamkeit geht auf die elektromechanischen Komponenten
zurück.
Weiterhin ist die Lösung
teuer und benötigt
viel Platz.
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Patentschrift
US 3 999 087 offenbart einen Phasenausfalldetektor
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, einen einfachen und
günstigen
Phasenausfalldetektor bereitzustellen, der nicht nur einen Defektzustand
detektiert, sondern auch die defekte Phase ermittelt.
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Der
Phasenausfalldetektor gemäß der Erfindung
wird durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 charakterisiert.
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Ein
derartiger Phasenausfalldetektor ist mit einer separaten Detektorschaltung
für jede
Phase, die überwacht
werden soll, ausgestattet. Die Detektorschaltungen sind zwischen
die zu überwachende Phase
und einem gemeinsamen Verbindungspunkt geschaltet, sodass der gemeinsame
Verbindungspunkt ein Bezugsniveau definiert. Das Bezugsniveau kann
floatend ausgestaltet sein. In diesem Fall entspricht dieser einem
virtuellen Sternpunkt des Elektrizitätsversorgungsnetzwerks. Das
Bezugsniveau kann auch mit einem realen Sternpunkt, einem Erdungspotential
oder einem anderem geeigneten Potential verbunden werden. Die Detektorschaltung selbst
beinhaltet Spannungsteilerelemente, eine Triggerschaltung und einen
Detektor, welchem die zu überwachende
Spannung in abgeschwächter
Form von den Spannungsteilerelementen zugeführt wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung,
die eine Multiphasen-Netzelektrizitätsversorgung
benutzt, ist durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
8 definiert.
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Der
Einsatz der Erfindung hat beträchtliche Vorteile.
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Mit
Hilfe der Erfindung ist es möglich,
einen einfachen und günstigen
Phasenausfalldetektor zu implementieren, der nicht nur einen Fehlzustand
detektieren kann, sondern auch detektiert, welche der Phasen defekt
ist.
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Die
Erfindung ist durch eine Vielzahl von Ausführungsformen gekennzeichnet,
welche zusätzliche
bemerkenswerte Vorteile mit sich bringen.
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In
einer Ausführungsform,
in der die Detektorschaltungen mit einem gemeinsamen Bezugspunkt,
der auf einem bekannten Potential liegt, verbunden sind, kann der
Phasenausfalldetektor auch einen Fehlerzustand detektieren, in dem
alle Phasen defekt sind.
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Die
Erfindung erlaubt es, den Aufbau des Phasenausfalldetektors extrem
einfach zu gestalten. In einer derart einfachen Ausführungsform
werden nur wenige einzelne Komponenten für den Phasenausfalldetektor
benötigt,
und die Herstellungskosten bleiben sehr niedrig. Der Phasenausfalldetektor
kann auch auf eine Leiterplatte integriert und mit sehr kleinen
physikalischen Abmessungen hergestellt werden.
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Die
Erfindung erlaubt weiterhin eine Schaltungslösung, die über einen großen Netzspannungsbereich
hinweg angewandt werden kann. Eine Schaltungslösung gemäß einiger Ausführungsformen
kann als solche über
den gesamten Niedrigspannungsbereich hinweg und unter Zuhilfenahme
von Spannungswandlern auch im Zusammenhang mit mittleren und hohen
Spannungen angewandt werden.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil wird erhalten, wenn Ausführungsformen
verwendet werden, bei denen der Kondensator oder die Kondensatoren
der Spannungsteilerelemente als Energiespeicher verwendet werden,
und die Elektrizität
für die
Triggerschaltung und den Detektor von diesem Energiespeicher zur Verfügung gestellt
wird. In derartigen Ausführungsformen
benötigen
die Triggerschaltung und der Detektor keine Hilfselektrizitätsversorgung
oder eine separate Energieversorgung; anstatt dessen wird die notwendige
Energie direkt von dem überwachten Elektrizitätsnetzwerk
bezogen.
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Die
Erfindung erlaubt weiterhin die galvanische Trennung von den Systemen,
die Fehlinformation sammeln bzw. trennen.
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Eine
interessante Anwendung der Erfindung ist ein Stromumwandler, der
in einer Motor-Stromzufuhr verwendet wird. Der Phasenausfalldetektor
kann dann in den Equipment-Aufbau aufgenommen werden und dazu verwendet
werden, die Wechselspannung zu überwachen,
die dem Gleichrichter zugeführt
wird. Wenn der gemeinsame Verbindungspunkt der Detektorschaltungen
des Phasenausfalldetektors mit dem Bezugspotential verbunden ist,
was beispielsweise von der Gleichspannungsschaltung des Gleichrichters
zu der Mittelspannung der Gleichspannungsschaltung führt (der
Potentialwert in der Mitte des negativen und positiven Potentials),
kann der Phasenausfalldetektor jede defekte Phase detektieren, unabhängig vom
Betrieb der anderen Phasen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren in
beispielsweise Ausführungsform
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Ein-Phasen-Ausfalldetektor gemäß der Erfindung,
der mit einer 3-Phasen-Spannungsversorgung verbunden ist.
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2 ein
Diagramm der Detektorschaltung des Phasenausfalldetektors aus 1.
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3 eine
Spannungsvektor-Darstellung eines sich im Einsatz befindlichen 3-Phasen-Systems.
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4 eine
Spannungsvektor-Darstellung eines 3-Phasensystems, in welchem die Spannung
einer Phase ausgefallen ist.
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5 ein
Schaltungsdiagramm eines 1-Phasen-Ausfalldetektors gemäß der Erfindung.
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Das
folgende Beispiel beschreibt den Einsatz der Erfindung in 3-Phasen-Systemen,
die die einfachsten derjenigen Systeme sind, die als Beispiele herangezogen
werden können.
Jedoch können
entsprechende Prinzipien auch auf andere Mehrphasen-Systemen und insbesondere
in Systemen, in denen die Phasen ein Vielfaches von 3 (n × 3-Phasen-System)
sind, übertragen.
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1 zeigt
einen Phasenausfallausfalldetektor 1 für ein 3-Phasen-Elektrizitätsversorgungsnetzwerk. Der
Phasenausfalldetektor 1 beinhaltet eine eigene Detektorschaltung 3,
die einen ersten Verbindungspunkt 4 und einen zweiten Verbindungspunkt 5 aufweist,
für jede
Phase 2 des Elektrizitätsversorgungsnetzwerks.
Der erste Verbindungspunkt 4 der Detektorschaltung 3 ist
elektrisch mit dem Verbindungspunkt 12 der Phase 2 verbunden,
die durch die Detektorschaltung 3 überwacht wird. Die zweiten Verbindungspunkte 5 der
Detektorschaltungen 3 sind im Gegenzug mit einem gemeinsamen
Verbindungspunkt 9 der Detektorschaltungen verbunden, der
einem Sternpunkt des überwachten
Elektrizitätsversorgungsnetzwerks
entspricht. Der Verbindungspunkt 9 kann deshalb als virtueller
Sternpunkt bezeichnet werden. In der Schaltung aus 1 ist
der Verbindungspunkt 9 floatend ausgestaltet, sodass dieser nicht
mit einem reellen Sternpunkt des Elektrizitätsversorgungsnetzwerks verbunden
ist – was
der Grund dafür
ist, dass dieser als virtueller Sternpunkt bezeichnet wird. Der
Phasenausfalldetektor in 1 kann natürlich auch mit einem externen
Erdungspunkt, einem Sternpunkt oder einem entsprechenden Bezugsniveau
unter Zuhilfenahme eines Connektors 11, der mit dem Verbindungspunkt 9 verbunden
ist, verbunden werden.
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2 zeigt
die Detektorschaltung 3, die in dem Phasenausfalldetektor
aus 1 zum Einsatz kommt, etwas detaillierter. Die
Detektorschaltung 3 der 2 beinhaltet
kapazitive Spannungsteilerelemente 6, die zwischen den
ersten Verbindungspunkt 4 und den zweiten Verbindungspunkt 5 geschaltet sind.
Damit teilen die Spannungsteilerelemente 6 die Spannung
(Phasenspannung) zwischen der Phase 2 und dem virtuellen
Sternpunkt 9 als verringerte Spannung. Die Spannungsteilerelemente 6 sind
typischerweise aus Kondensatoren hergestellt, da Kondensatoren bestimmte
vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise haben Kondensatoren
einen niedrigen Energieverbrauch. Zusätzlich können Kondensatoren als Energiespeicher
eingesetzt werden, was für
den Betrieb der Detektorschaltung 3 exzellente Möglichkeiten
eröffnet.
Ein Eingangspunkt 7, dem die geteilte Spannung zugeführt wird
und durch welchen die Energie, die in den Spannungsteilerelementen 6 gespeichert
ist, entladen werden kann, ist mit den Spannungsteilerelementen 6 verbunden.
Die Detektorschaltung 3 beinhaltet auch eine Trigger-und-Detektorschaltung 8,
die zwischen den Eingangspunkt 7 und den zweiten Verbindungspunkt 5 geschaltet
ist.
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Die
Trigger-und-Detektorschaltung 8 ist eine Schaltung, die
einen Detektierpuls erzeugt, wenn die Spannung in dem Eingangspunkt 7 ein
Triggerniveau erreicht. In der Triggerschaltung kann beispielsweise eine
geeignete Triac- oder
Thyristerschaltung eingesetzt werden. Der Trigger ist beispielsweise
dazu ausgelegt, immer dann, wenn der absolute wert der Spannung
des Eingangspunkts 7 (welcher deshalb der Phasenspannung
folgt) auf ein bestimmtes Triggerniveau steigt, auszulösen. Damit
erzeugt die Trigger-und-Detektorschaltung 8 8 während eines
Wechselspannungszyklus zwei Detektierpulse, wenn die Phase 2,
die überwacht
wird, normal funktioniert. Der Detektierpuls kann von der Schaltung 8 zum Überwachungsequipment
weiter transportiert werden, das einen Fehlerzustand detektiert,
wenn die Detektierpulse nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeit
erhalten werden. Prinzipiell kann diese Reaktionszeit sogar niedriger
als der Zyklus der Wechselspannung sein, jedoch lohnt sich in den
meisten Applikationen ein Alarm oder eine Fehlermeldung nur nach
einer längeren
Periode ohne Pulse, beispielsweise 1–5 Sekunden. In einer bevorzugten
Ausführungsform
bezieht die Trigger-und-Detektorschaltung 8 ihre Energie
von dem Energiespeicher, der in dem Spannungsteileelement 6 enthalten
ist. Eine derartige Ausführungsform ist
einfach und weist bei Benutzung den beträchtlichen Vorteil auf, dass
ein Fehlerzustand selbst dann detektiert wird, wenn die Schaltung 3 selbst
defekt wird. Damit ist es in einem Fehlerzustand des Phasenausfalldetektors 1 nicht
möglich,
irrtümlicherweise
die Schlussfolgerung zu ziehen, dass die Spannungsversorgung defektfrei
ist.
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Die
Verbindung zwischen der Trigger-und-Detektorschaltung 8 und
dem Überwachungsequipement
kann galvanisch isoliert ausgelegt werden. Damit kann der Detektierpuls
beispielsweise unter zu Hilfenahme eines Lichtpulses oder Schallpulses übertragen
werden.
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In
der folgenden Beschreibung wird die Funktionsweise des Phasendetektors 1 in
einer Phasenfehler-Situation unter zu Hilfenahme der Vektordarstellung
der 3 und 4 erläutert. Die Spannungen eines
3-Phasen-Systems können
anhand von 3-Phasen-Spannungsvektoren dargestellt werden. 3 zeigt
eine derartige Darstellung. Wenn das Spannungsversorgungsnetzwerk
symmetrisch ist, sind die Absolutwerte der Spannungsvektoren relativ
zum Sternpunkt 9 von der selben Stärke und weisen untereinander
einen Winkel von 120° auf.
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Wenn
jedoch einer der Phaseneingänge ausfällt (beispielsweise
die Phase U) nimmt die Spannungsvektor-Darstellung die in 4 gezeigte Form
an. Die Spannungsvektoren der zwei verbleibenden Phasen 2 sind
immer noch von der gleichen Stärke,
jedoch tritt eine Phasenverschiebung von 180° zwischen diesen auf, das heißt sie weisen
gegensätzliche
Richtungen auf. Der sichtbare Sternpunkt 9 hat sich in
die Mitte der geradlinigen Verbindung zwischen den Vektorpunkten
bewegt.
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Wenn
die Phase U ausgefallen ist, ist die Länge des Vektors, die der Spannung
der Phase U entspricht, null, und der gesamte Sektor ist immer noch
in dem zuvor erwähnten
sichtbaren Sternpunkt 9 lokalisiert, da in dem Phasenausfalldetektor 1 der Spannungsteiler 6 der
diskutierten Phase 2 mit dem gemeinsamen Sternpunkt 9 verbunden
ist. Damit fällt keinerlei
Spannung über
dem Spannungsteiler 6 der defekten Phase ab. Die Trigger-
und Detektorschaltung 8 der Phase U gibt deshalb keinen
Detektierpuls.
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5 zeigt
eine extrem einfache Schaltung, mit Hilfe derer der in 1 und 2 gezeigte
Phasenausfalldetektor implementiert werden kann. In der in 5 gezeigten
Schaltung werden alle Phasen U, V und W, die überwacht werden, mit dem virtuellen Sternpunkt 9 durch
den Spannungsteiler (Spannungsteilerelement 6) verbunden,
der durch den Widerstand R1 und die Kondensatoren C1 und C2 gebildet
wird. Eine Spannung fällt über dem
Kondensator C2 ab, deren Stärke
von den Komponentenwerten, der Phasenspannung und der Netzwerkfrequenz abhängt.
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Die über den
Kondensator abfallende Spannung C2 wird durch den Widerstand R2
und die Zehnerdioden V1 und V2 hindurch zu dem Gate des Triacs V3
(Trigger- und Detektorschaltung 8) zugeführt. Wenn
die Spannung die Zenerspannung übersteigt, beginnt
ein Gatestrom durch den Triac zu fließen, was ein Schalten in einen
leitenden Zustand bewirkt. Der Kondensator C2 entlädt sich
nun über
den Widerstand R2, die Brücke
V4, die LED der optischen Verbindung V5 und den Triac V3, womit
ein Stromimpuls erzeugt wird. Die Amplitude und die Dauer des Pulses
hängt von
den Werten des Widerstands R2 und des Kondensators C2 ab.
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Die
Energie des Kondensators C2 entlädt sich
damit über
die LED der optischen Verbindung, derart, dass das Licht der LED
den Empfänger
der optischen Verbindung vorübergehend
in einen leitenden Zustand versetzt. Dieser Zustand wird auf geeignete
Art und Weise einem Mikrokontroller angezeigt, beispielsweise durch
das Erzeugen einer Interrupt-Anfrage.
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In
der in 5 gezeigten Schaltung besteht die Aufgabe des
Widerstands R1 darin, den Stoßstrom
zu begrenzen, der durch die Kondensatoren C1 und C2 fließt, wenn
die Vorrichtung eingeschaltet wird, und wenn schnell anschwellende
oder abfallende Spannungsspitzen oder eingekerbte Spannungsflanken
in der Netzwerkspannung auftreten. In 3-Phasen-Versorgungsanwendungen weist der Widerstand
R1 typischerweise einen Wert in der Größenordnung von 1 Kiloohm auf
und sollte zumindest einer Leistung einiger Watt widerstehen können.
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Die über dem
Kondensator C2 abfallende Spannung kann durch Ändern der Werte der Spannungsteilekomponenten
C1 und C2 frei gewählt
werden. In der Praxis ist die Auswirkung des Widerstands R1 auf
das Teilungsverhältnis
der Spannung von lediglich geringer Bedeutung. Der Kapazitätswert des
Kondensators kann so gewählt
werden, dass der rms-Strom (Effektivstrom – Effektivwert) bei der höchsten verwendeten
Netzwerkfrequenz ungefähr 10–15 mA beträgt. Damit
kann, wenn die verfügbare Netzwerk-(Haupt-)Spannung
600V bei einer Frequenz von 60 Hz, oder 690 V bei einer Frequenz
von rund 50 Hz beträgt,
die Gesamtkapazität
des Spannungsteiles in der Größenordnung
von 100 nF liegen.
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Üblicherweise
werden in etwa 15 V für
den Wert der Zehnerdioden V1 und V2 gewählt, die den Triggerwert des
Triacs V3 definieren. In diesem Fall kann der Wert des Widertand
R2, der den Strom der LED begrenzt, beispielsweise 470 Ohm betragen.
R2 schützt
damit die LED vor Überstrom
und verringert andererseits die Entladung des Kondensators C2, wodurch
der Lichtimpuls, der von der LED erhalten wird, verlängert wird.
Da der Triggerstrom des kleinen Triacs, der in dieser Verbindung
verwendet wird, in der Größenordnung
weniger Miliampere liegt, brauchen die Spitzenspannungen, die über dem Kondensator
C2 abfallen, lediglich leicht höher
als die Zehnerspannung zu sein, damit der Triac V3 triggert.
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Die
Spannungsteilung wird dazu benutzt, die Triggerspannung so zu setzen,
dass diese dem Netzwerkspannungsniveau entspricht, bei dem diese
zur Detektierung der fehlenden Phase auftreten soll. Damit könnte beispielsweise
ein geeignetes Detektierniveau für
eine ausgefallene Phase 180V betragen, wenn gewünscht ist, dass der Phasenausfalldetektor in
dem Nominalspannungsbereich von 400 bis 690 V operiert, ein geeignetes
Detektierniveau für
eine fehlende Phase kann beispielsweise 280 Volt betragen. Das Phasenspannungsniveau,
das von dem Phasenausfalldetektor gesehen wird, beträgt 160 Vrms, das heißt bei einem Spitzenwert von
ungefähr
225 V, so dass das Spannungsteilungsverhältnis unter Verwendung von
15-Volt-Zehnerdioden
ungefähr
bei 15 liegt. Dies wird mit ausreichender Genauigkeit durch Wahl
von 100 nF als Wert für
den Kondensator C1 und 1,5 μF
als Wert für
den Kondensator C2 bewirkt. Der Kondensator C1 soll der gesamten
Netzwerkspannung standhalten, wohingegen 25V beispielsweise einen
ausreichenden Spannungswiderstand für den Kondensator C2 darstellt.
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Bei
dem Detektierniveau und einer Wechselspannung von 50 Hz wird eine
Stromspitze von ungefähr
6 mA durch den Spannungsteiler wandern, was absolut ausreichend
ist, um den Triac zu triggern.