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FELD DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung ist im Allgemeinen auf Wechselstromsensoren gerichtet,
und im Speziellen auf einen Wechselstromsensor, der diskrete Induktoren
oder Spulen verwendet, die verwendet werden können um eine Lichtbogenbildung
in elektronischen Schaltungen zu detektieren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen wurde Wechselstrom durch Verwendung von di/dt-Detektorspulen
detektiert in Verbindung mit zahlreichen elektrischen Fehlererkennungssystemen
zur Verwendung mit elektrischen Geräten, und/oder mit elektrischen
Leitungsnetzen in wohnsitzbezogenen, kommerziellen und industriellen Anwendungen.
In solchen elektrischen Systemen wird eine elektrische Leistung
im Allgemeinen durch Schutzvorrichtungen zu vorgesehenen Zweigstromkreisen
geleitet, die ein oder mehrere Lasten speisen. Geeignete Überstrom-
und/oder Lichtbogenfehlererkennungsgeräte können verwendet werden, um Auslössignale
zum Betreiben von Schaltungsschutzvorrichtungen, wie z.B. Stromkreisunterbrecher
bereitzustellen, die ausgebildet sind den elektrischen Strom nach
der Erkennung von bestimmten vordefinierten Fehlerbedingungen in
der Schaltung zu unterbrechen. Ähnliche
di/dt-fühlende- und Fehlererkennungsvorrichtungen
können
für ähnliche
Zwecke in Anwendungen verwendet werden, die unterschiedlich sind
zu elektronischen Systemen, z.B. in individuellen elektrisch angetriebenen
Geräten,
wie z.B. Industriemaschinenanlagen, gewerbliche Ausrüstung oder
wohnsitzbezogene Geräte.
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Im
Allgemeinen waren die di/dt-Sensoren für solche Anwendungen zusammengesetzt
aus Ringspulen, die eine mittige Durchöffnung besitzen, durch welche
sich der zu überwachende
Draht oder ein anderer Leiter erstreckt.
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Die
Konstruktion und Verwendung von solchen Ringspulen ist üblicherweise
wohlbekannt. Allerdings kann die Ringspule, die bis jetzt für solche Lichtbogendetektierung
oder andere Stromdetektierungsanwendungen vorgeschlagen wurde, relativ teuer
und serienmäßig schwierig
herzustellen sein. Beispiele von solchen Ringspulen sind z.B. in
der
US-Patentanmeldung gezeigt mit der Seriennummer 08/403,033 ,
die am 13. März
1995 eingereicht wurde und betitelt ist mit "Current Sensing Arcing Fault Detector
and Method", und
mit der Seriennummer 08/403,084, die am 13. März 1995 eingereicht wurde und
betitelt ist mit "Device
and Method for Testing Arcing Fault Detectors".
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Eine
andere Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Stroms in einem
Leiter verwendet eine sogenannte Rogowskispule, welche üblicherweise eine
Leiterplatte ist, die mit einem kreisförmigen Ausschnitt versehen
ist, mit einer Spule, die durch Aufbringen von Metallbahnen auf
den beiden Seiten der Platte gebildet wird und die derart radial
verlaufen, dass ihre geometrischen Verlängerungen durch den Mittelpunkt
des Ausschnittes verlaufen. Die elektrischen Verbindungen zwischen
den Radien auf den zwei Seiten werden durch metallbeschichtete Löcher, die
die Dicke der Platte durchdringen, realisiert. Solch eine Rogowskispule
zum Messen von elektrischem Strom in einem Leiter ist z.B. in
US-Patent Nr. 5,442,280 gezeigt.
Allerdings ist die Rogowskispule, wie sie in dem oben referenzierten
Patent gezeigt ist, auch relativ kompliziert, teuer und schwierig
herzustellen.
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US-Patent Nr. 4,709,205
D1 beschreibt einen Stromsensor, der mehrere Rogowskispulen
umfasst, die in einer polygonalen Kontur angeordnet sind, um einen
Zwischenraum zu definieren. Durch diesen Raum kann ein Leiter durchgeführt werden, für den es
erwünscht
ist den Strom zu messen. Die Spulen werden auf einer Leiterplatte
montiert und von einem Gehäuse
eingefasst. Darüber
hinaus werden die Spulen elektrisch in Serie geschaltet und Ende-an-Ende
angeordnet. Die Achsen der Spulen sind parallel zu der Leiterplatte.
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Dementsprechend
ist es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung eine neue und verbesserte Wechselstromdetektierungsvorrichtung
bereitzustellen, die relativ einfache und preiswerte, sogar Standardtypen
von Induktoren oder Spulenkomponenten verwendet.
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Noch
eine andere Aufgabe ist es ein einfaches und relativ günstiges
Verfahren bereitzustellen zum Wahrnehmen eines Wechselstroms, wobei
relativ einfache und preisgünstige
Induktoren oder Spulenkomponenten verwendet werden.
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Die
Erfindung stellt ein Gerät
zum Wahrnehmen eines Wechselstroms umfassend der Merkmale von Anspruch
1 bereit, und ein Verfahren zum Feststellen von Wechselstrom gemäß dem Ansprach
15.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen:
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ist 1 eine
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die einen Wechselstromsensor
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 2 eine
Draufsicht eines Wechselstromsensors gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung;
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ist 3 eine
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die einen Wechselstromsensor
gemäß einer noch
anderen Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 4 eine
Draufsicht, die einen Wechselstromsensor gemäß einer anderen Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
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ist 5 eine
Draufsicht ähnlich
zu 4, die noch eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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ist 6 eine
Draufsicht ähnlich
zu den 4 und 5, die eine noch andere Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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ist 7 ein
schematisches Schaltdiagramm, das die Schaltverbindungen der Ausführungsformen
der 4 und 5 darstellt; und
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ist 8 ein
schematisches Schaltungsdiagramm einer Schaltung zur Verwendung
in Verbindung mit der Ausführungsform
von 6.
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Während die
Erfindung empfänglich
ist für zahlreiche
Modifikationen und alternative Formen, wurden spezielle Ausführungsformen
beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden hierin im Detail beschrieben
werden. Allerdings versteht es sich, dass nicht beabsichtigt wird
die Erfindung auf die einzelnen offenbarten Details zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Gerät oder Vorrichtung zum Wahrnehmen
eines Wechselstroms bereit, welches ein gering durchlässiger Sensor
für Hochfrequenzlichtbogendetektierung
ohne Sättigung
sein kann. Diese Wahrnehmungsvorrichtung oder Sensor ist vorzugsweise
aus relativ wenigen und einfachen Standardtypkomponenten konfiguriert.
Vorzugsweise werden relativ einfache Spulen oder Induktoren verwendet
und in einer bestimmten Orientierung auf einer relativ flachen Oberfläche, wie beispielsweise
einer Leiterplatte angeordnet, so dass die Spulen eine messbare
Stromausgabe erzeugen werden in Antwort auf einen Wechselstrom,
der durch einen Draht oder Leiter fließt, der zwischen den entspre chenden
Spulen verläuft.
Vorzugsweise werden die zwei oder mehr Spulen physikalisch so angeordnet,
dass die magnetischen Felder, die durch den Strom induziert werden,
additiv sind. Darüber
hinaus werden in den gezeigten Ausführungsformen die Spulen elektrisch
und additiv in Serie zusammengeschaltet, so dass die Ströme, die
darin induziert werden, addiert werden um ein einfacher zu detektierendes
Signal über
den Raumgeräuschpegel
zu erzeugen. Das heißt,
die entsprechenden Induktoren werden vorzugsweise so angeordnet,
dass deren magnetische Felder sich addieren statt sich gegenseitig auszugleichen
und so, dass die elektrischen Ströme, die sie erzeugen, sich
in Serie addieren.
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Während das
Vorhergehende auf eine Vielzahl von Wegen bewältigt werden kann, stellen
die zahlreichen Figuren der Zeichnungen eine Anzahl von Ausführungsformen
einer Vorrichtung zur Detektierung von Wechselstrom gemäß den Prinzipien
der Erfindung dar.
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Zuerst
Bezug nehmend auf 1 wird ein Paar von Spulen 10, 12,
die im Wesentlichen identische Spulen oder Induktoren sein können, auf
einer Schaltungsplatte oder einem anderen Trageglied oder Körper 14 angeordnet
oder montiert, die eine im Wesentlichen flache oder planare Trageoberfläche 16 aufweist.
In 1 umfassen die Spulen 10, 12 im Allgemeinen
eine Vielzahl von Drahtwicklungen 18, 20 um entsprechende
Kerne 22, 24. Die Kerne definieren jeweils eine
lineare Achse mit den Spulen, die in auseinanderliegender Relation
auf der Trageoberfläche 16 montiert
sind, so dass diese linearen Achsen parallel miteinander und senkrecht
mit der Oberfläche 16 sind.
In der Ausführungsform
von 1 sind die Spulen mit entgegengesetzter Polarität montiert,
wie durch die entsprechenden Polaritätspunkte angedeutet wird, ein
Punkt über
der Spule 10 und der andere unter der Spule 12.
Die entsprechenden Drähte 18 und 20 der
Spulen 10 und 12 werden elektrisch additiv in
Serie geschaltet, so dass die Spulen ein wahrnehmbares Signal in
Antwort auf einen elektrischen Wechselstrom erzeugen werden, der
durch einen Leiter 30 fließt, der sich durch einen Raum 25 erstreckt,
welcher als dazwischenliegend oder als zwischen den zwei Spulen 10 und 12 definiert
wird. Eine ähnliche
Anordnung der Spulen 10a und 12a ist in 2 gezeigt,
wobei die Spulen 10a und 12a im Allgemeinen spiralförmig gewickelt
sind, wohingegen die Spulen in 1 in herkömmlicherer
Weise helikal gewickelt sind.
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In
Bezug auf 3 werden ähnliche Spulen 10b und 12b auf
der Oberfläche 16 montiert,
wobei deren Achsen im Allgemeinen parallel zu der Oberfläche 16 der
Leiterplatte oder des anderen Trageglieds 14 sind. Die
Spulen 10b und 12b sind anderweitig im Wesentlichen
die gleichen wie die Spulen 10 und 12 von 1.
Es ist zu beachten, dass die Polaritätsausrich tungen der Spulen 10b und 12b als
entgegengesetzt dargestellt sind, wobei der Punkt und das X in 3 die
Polarität
anzeigen. 3 zeigt zusätzlich alternative Merkmale,
inklusive einer Durchöffnung 35 in
der Leiterplatte oder Körper 14 zwischen den
Spulen 10b und 12b, durch welchen der Leiter 30 geführt wird.
Deshalb ist in der Ausführungsform von 3 wenigstens
ein Teil des Drahtes oder Leiters 30, der durch die Öffnung 35 läuft, im
Allgemeinen senkrecht zu der Oberfläche 16 und zu den
Achsen der entsprechenden Spulen 10b und 12b.
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In
der Ausführungsform
von 3 werden ebenfalls zwei zusätzliche Spulen 10c und 12c,
die im Wesentlichen ähnlich
zu den Spulen 10b und 12b sind, auf einer entgegengesetzten
planaren Trageoberfläche 16b des
Trageglieds oder Leitungsplatte 14 angebracht. Diese zusätzlichen
Spulen 10c und 12c haben Polaritäten wie
angedeutet, d.h. so dass die Polarität der Spule 10c identisch
ist mit der von 12b, und der Spule 12c identisch
ist mit der von 12b. Die Spulen 10c und 12c sind
in ähnlicher
Weise auf der Oberfläche
montiert, so dass deren Achsen parallel zu der flachen oder planaren
Oberfläche 16 sind,
und so, dass die entsprechenden Paare der Spulen 10b, 10c und 12b, 10c auf
jeder Seite der Öffnung 35 im Wesentlichen
symmetrisch angeordnet sind im Hinblick auf jeweils den anderen
und im Hinblick auf die Öffnung 35.
Wie oben erwähnt,
befindet sich die Durchöffnung 35 in
dem Raum dazwischen oder zwischen den entsprechenden Spulen 10b, 10c auf
einer Seite und 12b, 12c auf der anderen Seite.
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Als
Nächstes
Bezug nehmend auf die 4 bis 6, werden
weitere ähnliche
Ausführungsformen
der Sensoranordnungen in Übereinstimmung mit
der Erfindung dargestellt. In jede der 4 bis 6 werden
drei oder mehr Spulen Ende-an-Ende auf der Trageoberfläche 16 angeordnet,
um einen polygonalen Umriss des dazwischenliegenden Raums 25 zu
definieren. In den 4 und 5 werden
vier solcher Spulen dargestellt, wobei 6 drei solche
Spulen darstellt. Die Spulen von 4 werden
mit 410, 412, 410a und 412a bezeichnet,
wobei die Spulen von 5 mit 510, 512, 510a und 512a bezeichnet
werden. Die Spulen von 6 werden durch die Bezugsnummern 610, 612 und 614 gekennzeichnet.
All die Spulen in den 4, 5 und 6 werden
auf deren entsprechenden zugehörigen
Trageoberflächen 16 oberflächenmontiert,
so dass die Längsachsen
von jeder der Spulen parallel zu der zugehörigen Oberfläche 16 sind.
Die entsprechenden Polaritäten
der Spulen sind jeweils auch durch Polaritätspunkte in den 4, 5 und 6 angedeutet.
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Darüber hinaus
hat in jeder der 4, 5 und 6 jede
der Spulen jeweils softmagnetische Kerne, die jeweils in einander
angrenzender Relation angeordnet sind, um die geschlossenen Vielecke
zu bilden, wie in den 4 bis 6 dargestellt
wird. Zwei solche aneinander angrenzende Enden werden jeweils mit
den Referenznummern 420, 422 in 4 angedeutet,
und durch die Referenznummern 520, 522 in 5,
und durch die Referenznummern 620 und 622 in 6,
wobei es sich versteht, dass die anderen entsprechenden aneinander
angrenzenden Enden oder Endfassungen in jeder dieser Ausführungsformen
im Wesentlichen ähnlich
sind. In den Ausführungsformen
der 5 und 6 sind die Enden oder Endfassungen
weiterhin abgeschrägt
oder gewinkelt mit einem Winkel von 180°, geteilt durch die Anzahl der
Spulen, so dass anliegende Enden Vorderflächen entlang sich ergänzenden
Oberflächen
haben. Demnach werden 45°-Endflächen in 5 vorgesehen,
und 60°- Endflächen werden
in 6 vorgesehen.
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Kurz
bezugnehmend auf 7 wird ein Beispiel der additiv-seriellen-Schaltverbindungen
der vier Spulen in irgendeiner der 4 oder 5 dargestellt,
so dass ein Signal über
den Ausgangsklemmen 720, 722 detektiert werden
kann. Der Einfachheit halber wurden die Spulen von 7 durch
die Referenznummern 710, 720 und 710a, 712a getrennt gekennzeichnet.
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8 stellt
eine ähnliche
Schaltungskonfiguration für
die Spulen von 6 dar, wobei die Spulen additiv
in Serie gekoppelt sind, um ein Ausgangssignal über den Ausgangklemmen 820 und 822 bereitzustellen. 8 stellt
auch einen Bandpassfilter dar, z.B. in der Form eines Widerstandes 824 und
eines Kondensators 826, die über den Ausgangklemmen 820, 822 in
Serie geschalten sind. Diese Filterkomponenten können aus ausgewählten Werten
bestehen, um Frequenzen von Interesse für eine gegebene Anwendung zu
isolieren. Darüber
hinaus ist die Kapazität
des Kondensators 826 vorzugsweise vielfach größer als
die Windungsstreukapazitäten
der entsprechenden Induktoren oder Spulen 610, 612 und 614, so
dass die Streukapazitäten
im Wesentlichen unbedeutend werden. In einem spezifischen Beispiel
wurde in der Schaltung von 8 jede der
Induktoren 610, 612 und 614 als ein Tausend
Mikrohenry(100 mh)-Induktor ausgewählt, der einen DC-Widerstand von
wesentlich 60 Ohms aufweist, wie z.B. J.W. Miller Part Nr. 78F102J.
Der Widerstand 24 wurde mit 10 k Ohm ausgewählt und
der Kondensator 826 mit 470 pF. Andere Werte dieser Komponenten
können
für bestimmte
Anwendungen ausgewählt
werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
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Während eine
Anzahl von Orientierungen der Spulen und des Leiters, dessen Strom
dadurch wahrzunehmen ist, dargestellt und hierin beschrieben worden
sind, können
andere Orientierungen verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen,
wie durch die folgenden Ansprüche
definiert wird.
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Im
Hinblick auf die Induktoren können
zahlreiche Induktoren verwendet werden, die unterschiedlich sind
als diese oben aufgezeigten, ohne von der Erfindung abzuweichen,
abhängig
von der Anwendung. Zum Beispiel kann der Induktor, der oben mit
Referenz auf die 1 und 3 und 4 bis 6 gezeigt
und beschrieben wurde, vom Typ sein, der manchmal als linear unabgeschirmter oder
axial gewickelte Zylinderspulen (im Englischen: Solenoid) bezeichnet
wird. Die Anzahl der Wicklungen und das für den Kern ausgewählte Material
(entweder Luftkern oder Ferrit oder andere Materialien) kann übereinstimmend
mit der gewünschten
Anwendung ausgewählt
werden, wobei im Allgemeinen bekannt ist, dass Magnetspulen eine
relativ stärkere
Signalausgabe ausgeben werden. Die Signalausgabestärke ist
im Allgemeinen für
eine Spule mit einer vorgegebenen Größe auch proportional zu der
Induktivität
der Spule. Allerdings ist die Induktivität im Allgemeinen auch proportional
zu der Querschnittsfläche der
Spulen und der Anzahl der Drahtwicklungen.
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Deshalb
wird die Auswahl des Kerntyps und des Induktivitätswertes von einer Anzahl von
Faktoren abhängen,
inklusive ob die Ausgabe eine Eingabe für ein Hochimpedanz- oder ein
Niedrigimpedanzgerät
bilden soll, oder jeglicher Bedingungen, die die Größe oder
die Kosten der individuellen Induktoren betreffen. Zusätzlich wird
mit einer Magnetspule eine Sättigung
auf einem relativ geringen Niveau auftreten, so dass eine Magnetspule
geeignet sein kann, um geringe Ströme in dem Leiter 35 wahrzunehmen, wohingegen
ein Luftkern verwendet werden kann in Anwesenheit von relativ hohen
Strömen.
Gleichermaßen
wird sich im Allgemeinen, wenn man mehr Wicklungen auf dem Induktor
auswählt,
eine höhere Spannungsausgabe,
aber eine geringere Stromausgabe ergeben. Die Auswahl der Ausgangscharakteristiken
wird üblicherweise
von den Eingabecharakteristiken des Gerätes abhängen, in welches die Ausgabe
für eine
gegebene Anwendung eingespeist wird.
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Im
Hinblick auf die Auswahl der Anzahl der Wicklungen auf jeder Spule,
wird die Wicklungskapazität
mit der Anzahl der Wicklungen steigen, was wiederum den nutzbaren
Frequenzbereich der Spule reduziert. Deshalb kann die Anzahl der
Wicklungen übereinstimmend
mit dem gewünschten
Frequenzbereich für
den Betrieb für
eine gegebene Anwendung ausgewählt
werden. Zum Beispiel für
den Fall einer Überwachung
eines AC-Stroms ist die Bedin gung der Frequenzantwort der Spulen
eingeschränkt.
Auf der anderen Seite kann zur Detektierung von Lichtbogenströmen, die
typischerweise relativ hohe Frequenzkomponenten beinhalten, ein
relativ hoher nutzbarer Frequenzbereich wünschenswert sein.
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Was
hierin dargestellt und beschrieben worden ist, ist ein Verfahren
und ein Gerät,
um Wechselstrom wahrzunehmen und/oder zum Detektieren von Hochfrequenzlichtbögen. Die
zahlreichen hierin beschriebenen Ausführungsformen können in
einer großen
Auswahl von Applikationen Anwendung finden.