DE60216619T2 - Anordnung zum messen eines stromzerhackers - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines zerhackten Stroms, die einen Impulstransformator umfasst.
  • Der Transformator beinhaltet eine Primärschaltung, in welcher der zerhackte Strom fließt, und eine Sekundärschaltung, in welcher ein zum zerhackten Strom proportionaler Ausgangsstrom fließt, wobei die Sekundärschaltung des Transformators zwei Ausgangsklemmen aufweist, zwischen denen eine Schaltung zum Messen des Ausgangsstroms angeschlossen ist. Außerdem enthält die Messvorrichtung eine Einrichtung zur Entmagnetisierung des Transformators.
  • Bei erster Annäherung lassen sich die Unzulänglichkeiten des Impulstransformators mittels einer parasitären Induktivität modellhaft darstellen, die zwischen den Ausgangsklemmen der Sekundärschaltung angeordnet ist. So fließt ein vernachlässigbarer Teil des Ausgangsstroms in dieser parasitären Induktivität. Jedoch nimmt dieser vernachlässigbare Teil des Stroms, der als „magnetisierender Strom" bezeichnet wird, angesichts der Potentialdifferenz zu, die an den Klemmen der parasitären Induktivität aufrechterhalten wird. Dieses Phänomen, genannt „Magnetisierungsphänomen", tritt in Erscheinung, sobald die Messung des Ausgangsstroms in der Messschaltung erfolgt.
  • Daher ist es notwendig, den Impulstransformator regelmäßig zu entmagnetisieren, beispielsweise indem veranlasst wird, dass der magnetisierende Strom durch eine Entmagnetisierungsschaltung fließt.
  • Wenn eine solche Messvorrichtung zum Messen eines zerhackten Stroms angewandt wird, der im Innern eines Gleichstromwandlers als Gleichstrom fließt, besteht die Messschaltung gemeinhin aus einem Widerstand, der mit einer ersten Diode in Serie geschaltet ist.
  • Was die Entmagnetisierungsschaltung anbelangt, wird diese gewöhnlich von einer Zenerdiode gebildet, die in Serie mit einer zweiten Diode geschaltet ist, die in entgegengesetzter Richtung zur Zenerdiode angeordnet ist, um jegliches Fließen von Strom in der Entmagnetisierungsschaltung zu unterbinden, wenn in der Messschaltung ein Strom in von der ersten Diode zugelassener Richtung fließt, und um im umgekehrten Fall einem Strom das Fließen in der Entmagnetisierungsschaltung zu gestatten, wenn ihn die erste Diode daran hindert, in der Messschaltung zu fließen.
  • So ermöglicht diese Vorrichtung das Messen eines monodirektionalen zerhackten Stroms, der in der Primärschaltung des Transformators fließt. Tatsächlich wird bei nur einer einzigen der beiden möglichen Fließrichtungen des Stroms in der Primärschaltung des Transformators dem in der Sekundärschaltung induzierten Ausgangsstrom erlaubt, in der Messschaltung zu fließen, und zwar bei jener Richtung, die über die erste Diode führt. Dieser Ausgangsstrom ist proportional zum Eingangsstrom, da ja der magnetisierende Strom als vernachlässigbar betrachtet werden kann. Andererseits kann er weder in der Entmagnetisierungsschaltung fließen, noch in einer ersten Richtung, weil er daran durch die zweite Diode gehindert wird, und auch nicht in der anderen Richtung, weil er daran durch eine positive Potentialdifferenz gehindert wird.
  • So fließt der Ausgangsstrom gänzlich in der Messschaltung, und der Eingangsstrom kann von der Messung der Ausgangsspannung Vs an den Klemmen des Ausgangswiderstands Rs abgezogen werden, und zwar mittels der folgenden Formel:
    Figure 00020001
    wobei Ns für die Spulenzahl in der Sekundärschaltung des Impulstransformators steht und Np die Spulenzahl in der Primärschaltung eben dieses Transformators repräsentiert.
  • Der Entmagnetisierungsvorgang erfolgt, wenn der Eingangsstrom einen Ausgangsstrom induziert, der null ist oder der nicht in der Messschaltung fließen darf, weil er daran von der ersten Diode gehindert wird. Folglich kann der magnetisierende Strom ungehindert und einzig in der Entmagnetisierungsschaltung fließen, und so kann die in der parasitären Induktivität akkumulierte Energie freigesetzt werden.
  • Der Hauptnachteil dieser Vorrichtung besteht in ihrem monodirektionalen Charakter. In der Tat lässt sich der zerhackte Strom lediglich in einer einzigen Richtung messen.
  • Oder es ergibt sich die Notwendigkeit der Messung eines zerhackten Stroms mit einem durchschnittlichen Wert von null, beispielsweise um den zerhackten Strom zu messen, der als Gleichstrom in einem Gleichstromwandler fließt, der zwei Versorgungsbatterien mit unterschiedlichen Spannungen verbindet. In diesem Fall weist der zu messende Strom zwangsläufig positive und negative Werte auf.
  • Die Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile einer herkömmlichen Messvorrichtung zu beheben, indem sie eine Vorrichtung zum Messen eines zerhackten Stroms schafft, die in der Lage ist, jederzeit alle Werte dieses Stroms zu messen, die ungleich null sind, selbst wenn besagter Strom bidirektional ist.
  • US-A-5 068 776 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen eines zerhackten Stroms, die Folgendes umfasst:
    • – einen Impulstransformator, der eine Primärschaltung beinhaltet, in welcher der zerhackte Strom fließt, und eine Sekundärschaltung, in welcher ein zum zerhackten Strom proportionaler Ausgangsstrom fließt, wobei diese Sekundärschaltung zwei Ausgangsklemmen aufweist, zwischen denen eine Schaltung zum Messen des Ausgangsstroms angeschlossen ist, wobei diese Messspannung einen Unterbrecher und eine Einrichtung zur Synchronisation dieses Unterbrechers mit dem zerhackten Strom enthält, und
    • – eine Einrichtung zur Entmagnetisierung des Transformators, die eine Entmagnetisierungsschaltung umfasst, die zwischen den beiden Ausgangsklemmen der Sekundärschaltung angeschlossen ist.
  • US-A-5 923 548 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen von zerhacktem Strom, die eine Primärschaltung umfasst, in der ein zerhackter Strom fließt, und eine Messschaltung, in der ein zum zerhackten Strom proportionaler Ausgangsstrom fließt, und zwar ausschließlich dann, wenn der zerhackte Strom streng positiv ist.
  • Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Messen von zerhacktem Strom zum Gegenstand, die vom in US-A-5 068 776 beschriebenen Typ ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entmagnetisierungsschaltung bidirektional ist und dass der Unterbrecher in offenem Zustand und in geschlossenem Zustand bidirektional ist, um dem Ausgangsstrom zu ermöglichen, in der Messschaltung zu fließen, wenn der zerhackte Strom streng positiv ist und wenn er streng negativ ist, und um jegliches Fließen von Strom in der Messschaltung zu verhindern, wenn der zerhackte Strom null ist.
  • So ist bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ein Vorhandensein der ersten Diode in der Messschaltung nicht notwendig, da sie ja vorteilhafterweise von dem Unterbrecher und der Synchronisationseinrichtung ersetzt wird. Dieser Unterbrecher erlaubt, dass der Ausgangsstrom in der Messschaltung in beide Richtungen fließt, und ermöglicht gleichzeitig die nötige Entmagnetisierung der Sekundärschaltung des Transformators, wenn der zerhackte Strom null ist.
  • Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann weiterhin eine oder mehrere der folgenden Charakteristiken aufweisen:
    • – der Unterbrecher umfasst zumindest einen Feldeffekttransistor mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau oder einen Bipolartransistor;
    • – die Entmagnetisierungsschaltung enthält zwei Zenerdioden, die seriell und in entgegengesetzter Richtung geschaltet sind;
    • – der Unterbrecher beinhaltet zwei Feldeffekttransistoren mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau, die seriell und in entgegengesetzter Richtung in der Messschaltung geschaltet sind.
  • Die Erfindung wird mithilfe der folgenden Beschreibung besser verständlich, die allein als Beispiel angeführt ist und die anhand der beigefügten Zeichnungen erfolgt, bei denen:
  • 1 das Zeitverhalten der Intensität eines bidirektionalen zerhackten Stroms zeigt, dessen Messung sich mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vornehmen lässt;
  • 2 eine Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht; und
  • 3 eine Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt.
  • Der zerhackte Strom ie, dessen Zeitverhalten aus 1 hervorgeht, ist periodisch, wobei eine Periode 10 Mikrosekunden dauert.
  • Während einer Periode ist der zerhackte Strom ie null zwischen einem Zeitpunkt t0 = 0 μs und einem Zeitpunkt t1 = 3,5 μs.
  • Zum Zeitpunkt t1 nimmt der zerhackte Strom momentan den Wert ie = –5 A an. Anschließend steigt der zerhackte Strom zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 = 5 μs von Wert ie = –5A auf Wert ie = 0 A fast linear an. Folglich ist der zerhackte Strom zwischen t1 und t2 negativ.
  • Zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3 = 6,5 μs wächst der zerhackte Strom von Wert ie = 0 A auf Wert ie = 5 A fast linear weiter. Also ist der zerhackte Strom zwischen t2 und t3 positiv.
  • Zum Zeitpunkt t3 nimmt der zerhackte Strom den Wert ie = 0 A an. Danach ist der zerhackte Strom ie vom Zeitpunkt t3 bis zu einem Zeitpunkt t4 = 10 μs, d.h. bis zum Ende der Periode, null.
  • Gewünscht wird eine Messung des zerhackten Stroms ie zwischen den Zeitpunkten t1 und t3, d.h. während der zerhackte Strom fast linear von einem ersten negativen Wert von –5 A auf einen zweiten positiven Wert von 5 A ansteigt. Während dieser Messphase wird der Impulstransformator magnetisiert. Die Entmagnetisierung des Transformators erfolgt daher von Zeitpunkt t3 an und setzt sich fort, solange der zerhackte Strom null ist, d.h. bis zu einem Zeitpunkt t4 + (t1 – t0).
  • Eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen dieses zerhackten Stroms ie ist in 2 veranschaulicht.
  • Diese Vorrichtung umfasst einen Impulstransformator 10, der eine Primärschaltung 12 mit Np Spulen und eine Sekundärschaltung 14 mit Ns Spulen umfasst.
  • Die Sekundärschaltung 14 des Impulstransformators 10 weist zwei Ausgangsklemmen 16 und 18 auf. Bei erster Annäherung können die Unzulänglichkeiten des Transformators 10 mittels einer Induktivität 15 veranschaulicht werden, die zwischen den Ausgangsklemmen 16 und 18 angeordnet ist und bewirkt, dass ein Magnetisierungsstrom ip des Transformators fließt.
  • Eine Entmagnetisierungsschaltung 20 und eine Messschaltung 22 sind zwischen den beiden Klemmen 16 und 18 parallel geschaltet.
  • Die Entmagnetisierungsschaltung 20 besteht aus einer Diode 24, die seriell mit einer Zenerdiode 26 zwischen den Ausgangsklemmen 16 und 18 verbunden ist. Die Diode 24 ist in einer Richtung angeordnet, die das Fließen jeglichen Stroms in der Entmagnetisierungsschaltung 20, von der Ausgangsklemme 16 zur Ausgangsklemme 18, verhindert. Die Zenerdiode 26 ist in entgegengesetzter Richtung geschaltet.
  • Die Messschaltung 22 umfasst einen Ausgangswiderstand 28, der einerseits mit der Ausgangsklemme 16 und andererseits mit einem Bezugspunkt 30 mit konstanter Spannung verbunden ist, der die Masse bildet.
  • Weiterhin beinhaltet die Messschaltung 22 einen Unterbrecher 32, der aus einem Feldeffekttransistor mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau besteht. Der Drain dieses Transistors 32 ist an die Ausgangsklemme 18 angeschlossen, und die Source dieses Transistors ist mit der Masse 30 verbunden.
  • Der Transistor 32 bildet einen Unterbrecher, der nicht gänzlich bidirektional ist. Wenn er sich in geschlossenem Zustand befindet, ist er in der Tat bidirektional und lässt den Strom in der Messschaltung 22 in beiden Richtungen passieren. Befindet er sich in offenem Zustand, ist er hingegen monodirektional und hindert den Strom nur in einer Richtung am Durchfließen, nämlich vom Drain zur Source.
  • Überdies ist er an eine Synchronisationseinrichtung 33 angeschlossen, die seinen offenen oder geschlossenen Zustand in Abhängigkeit vom zerhackten Strom steuert. Wenn der zerhackte Strom ie konstant null ist, d.h. zwischen t0 und t1 und zwischen t3 und t4, steuert die Synchronisationseinrichtung 33 den Transistor 32 so, dass er sich in offenem Zustand befindet. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t3, wenn der zerhackte Strom ie fast linear zunimmt, steuert die Synchronisationseinrichtung 33 den Transistor 32 so, dass er sich in geschlossenem Zustand befindet.
  • Folglich ist zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 der zerhackte Strom ie negativ und induziert einen Ausgangsstrom is, der in der Sekundärschaltung 14 von Klemme 16 zu Klemme 18 fließt. Da sich der Transistor 32 zwischen t1 und t2 in geschlossenem Zustand befindet, kann ein Strom ungehindert in der Messschaltung 22 von Klemme 18 zu Klemme 16 fließen.
  • In der Entmagnetisierungsschaltung 20 fließt hingegen kein Strom, weil die Zenerdiode 26 in Anbetracht dessen nicht durchlässig ist, dass die Spannung zwischen den Klemmen 18 und 16 variabel und nicht gleich der Zenerspannung ist.
  • Daher fließt der Ausgangsstrom is in der Messschaltung 22. Dies hat zur Folge, dass ein magnetisierender Strom ip in der parasitären Induktivität 15 zwischen den Klemmen 18 und 16 hervorgebracht wird. Da aber dieser magnetisierende Strom ip in Bezug auf is von der Konzeption her vernachlässigbar ist, wird zwischen der Masse 30 und der Klemme 16 eine Ausgangsspannung Vs gemessen, die negativ und proportional zum zerhackten Strom ie ist.
  • Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ist der zerhackte Strom ie positiv und induziert einen Ausgangsstrom is, der in der Sekundärschaltung 14 von Klemme 18 zu Klemme 16 fließt. Da sich der Transistor 32 noch immer in geschlossenem Zustand befindet, fließt dieser Ausgangsstrom auch in der Messschaltung 22, und die gemessene Spannung Vs ist noch immer proportional zum zerhackten Strom ie.
  • Ebenso wie zuvor fließt ein magnetisierender Strom durch die parasitäre Induktivität 15 und diesmal von Klemme 16 zu Klemme 18. Dagegen fließt in der Entmagnetisierungsschaltung 20 kein Strom, weil er daran von der Diode 24 gehindert wird.
  • Seit dem Zeitpunkt t3 fließt in der Primärschaltung 12 des Transformators 10 kein Strom mehr und der Transistor 32 geht in den offenen Zustand über. Auf diese Weise erlaubt er keinem Strom, von Klemme 18 zu Klemme 16 in der Messschaltung 22 zu fließen.
  • Dennoch fließt zu diesem Zeitpunkt der magnetisierende Strom ip, der durch die parasitäre Induktivität 15 fließt, von Klemme 16 zu Klemme 18. Dieser Strom ip kann folglich nur in der Entmagnetisierungsschaltung 20 fließen, und die Potentialdifferenz zwischen den Klemmen 18 und 16 wird dann von der Zenerspannung der Zenerdiode 26 bestimmt. Auf diese Weise nimmt von Zeitpunkt t3 bis Zeitpunkt t0 + (t1 – t0), d.h. solange der zerhackte Strom ie null ist, der magnetisierende Strom ip ab, während er in der Entmagnetisierungsschaltung 20 fließt.
  • Damit diese Messschaltung einwandfrei arbeitet, ist es notwendig, dass der zerhackte Strom ie während des Zeitpunkts t3, zu dem die Entmagnetisierung des Impulstransformators 10 gestartet wird, positiv ist, damit der magnetisierende Strom ip ebenfalls positiv ist. Wäre der zerhackte Strom ie zum Zeitpunkt t3 negativ, flösse der magnetisierende Strom ip in der Tat von Klemme 18 zu Klemme 16 in der parasitären Induktivität 15 und flösse in der Messschaltung 22, anstatt durch die Entmagnetisierungsschaltung 20 zu fließen, in Anbetracht dessen, dass der Transistor 32 nicht bidirektional ist, wenn er sich in offenem Zustand befindet. Tatsächlich verhält er sich in dieser Hinsicht aufgrund des Vorhandenseins seiner parasitären Diode wie ein geschlossener Unterbrecher.
  • Die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Messvorrichtung unterscheidet sich von der vorher beschriebenen ersten Ausführungsform bezüglich des Aufbaus der Messschaltung 22 und der Entmagnetisierungsschaltung 20.
  • Wie zuvor umfasst die Messschaltung 22 den Transistor 32, der zwischen der Ausgangsklemme 18 und der Masse 30 angeschlossen ist. Dagegen ist der Ausgangswiderstand 28 einerseits an der Ausgangsklemme 16 und andererseits am Drain eines weiteren Feldeffekttransistors 34 mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau angeschlossen, wobei die Source dieses weiteren Transistors 34 mit der Masse 30 verbunden ist.
  • Ebenso wie der Transistor 32 wird dieser weitere Transistor 34 von einer Synchronisationseinrichtung 35 gesteuert, und diese ist identisch mit Synchronisationseinrichtung 33. Folglich befinden sich die beiden Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren 32 und 34 in geschlossenem Zustand, wenn der zerhackte Strom ie nicht null ist, und sie befinden sich in offenem Zustand, wenn der zerhackte Strom ie null ist.
  • Die Gruppe, die von diesen beiden, in entgegengesetzter Richtung angeordneten Transistoren 32 und 34 gebildet wird, stellt einen Unterbrecher dar, der in offenem Zustand und in geschlossenem Zustand vollständig bidirektional ist.
  • Darüber hinaus wird in der Entmagnetisierungsschaltung 20 die Diode 24 durch eine zweite Zenerdiode 36 ersetzt, die in entgegengesetzter Richtung zur Zenerdiode 26 angeordnet ist. Auf diese Weise ist auch die Entmagnetisierungsschaltung 20 selbst vollständig bidirektional, d.h. sie ermöglicht bei beiden Fließrichtungen des Stroms eine Entmagnetisierung.
  • Welches auch die Richtung des magnetisierenden Stroms durch die parasitäre Induktivität 15 zum Zeitpunkt t3 sein mag, wenn der zerhackte Strom ie den Wert null annimmt, gestattet besagte Vorrichtung die Entmagnetisierung des Impulstransformators 10 in der Entmagnetisierungsschaltung 20.
  • Es geht klar hervor, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von zerhacktem Strom das Messen eines beliebigen bidirektionalen Stroms ie, ungeachtet der Form und der Richtung des Stroms ie, ermöglicht, während sie in ihrer Konzeption einfach bleibt.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zum Messen eines zerhackten Stroms (ie), umfassend: – einen Impulstransformator (10), der eine Primärschaltung (12) aufweist, in welcher der zerhackte Strom fließt, und eine Sekundärschaltung (14), in welcher ein Ausgangsstrom (is) fließt, der proportional zum zerhackten Strom ist, wobei diese Sekundärschaltung (14) zwei Ausgangsklemmen (16, 18) aufweist, zwischen denen eine Schaltung (22) zum Messen des Ausgangsstroms angeschlossen ist, wobei diese Messschaltung einen Unterbrecher (32, 34) und Einrichtungen (33, 35) zur Synchronisation dieses Unterbrechers mit dem zerhackten Strom (ie) umfasst, und – eine Einrichtung (20) zur Entmagnetisierung des Transformators, umfassend eine Entmagnetisierungsschaltung (20), die zwischen den beiden Ausgangsklemmen (16, 18) der Sekundärschaltung (14) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entmagnetisierungsschaltung bidirektional ist und dass der Unterbrecher (32, 34) im offenen Zustand und im geschlossenen Zustand bidirektional ist, um dem Ausgangsstrom (is) zu ermöglichen, in der Messschaltung (22) zu fließen, wenn der zerhackte Strom (ie) streng positiv ist und wenn er streng negativ ist, und um jedes Fließen von Strom in der Messschaltung (22) zu verhindern, wenn der zerhackte Strom (ie) null ist.
  2. Vorrichtung zum Messen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbrecher (32) mindestens einen Feldeffekttransistor mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau oder einen Bipolartransistor aufweist.
  3. Vorrichtung zum Messen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entmagnetisierungsschaltung (20) zwei Zenerdioden aufweist, die seriell und in entgegengesetzter Richtung montiert sind.
  4. Vorrichtung zum Messen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbrecher (32, 34) zwei Feldeffekttransistoren mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau aufweist, die seriell und in entgegengesetzter Richtung in der Messschaltung (22) montiert sind.
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