FI102643B - Menetelmä ja laite vaihtojännitteen ilmaisemiseksi - Google Patents

Description

102643

Menetelmä ja laite vaihtojännitteen ilmaisemiseksi - Förfarande och anordning för att indicera växelspänning 5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty menetelmä johdon vaihtojännitteen ilmaisemiseksi. Menetelmällä saadaan tieto vaihtojännitteen, kuten jotain laitteistoa syöttävän verkkojännitteen, päälläolosta jännitteisiin johtimiin koskematta ja laitteiston aiheuttamasta kuormitustilasta riippumatta. Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 2 johdanto-osassa määritelty laite 10 johdon vaihtojännitteen ilmaisemiseksi.

Erityisesti jakeluverkon jännitteen ilmaisuun tunnetaan ennestään laitteita. Ne toimivat jommallakummalla seuraavista periaatteista: 15 1) Johtoa tunnustellaan induktiivisesti läheisyyteen sijoitetun kelan avulla.

2) Tarkkailtavaan johtoon kytkeydytään galvaanisesti.

Periaatteella 1) saadaan kompakteja ja turvallisia ilmaisimia. Niiden heikkoutena kuitenkin on, että ne ilmaisevat vaihtojännitteen vain johtimen ollessa virrallinen: 20 Jos vaihtojännite on kuormittamaton, ei virtaa eikä tämän synnyttämää magneettikenttää ole, jolloin laite virheellisesti näyttää puuttuvaa jännitettä.

Periaatteella 2) saadaan ilmaisimia, jotka näyttävät oikein vaihtojännitteen olemassaolon sekä kuormitetussa että kuormittamattomassa tapauksessa. Niiden heikkou-25 tena taas on, että galvaaninen kytkentä jännitteiseen johtuneen on turvallisuusriski. Laitteen asennus on myös hankala tapauksissa, joissa se edellyttää johdon kuorimista tai pistotulpan avaamista. Sähköturvallisuusmääräykset täyttävän ilmaisimen valmistamisesta ja asentamisesta aiheutuvat suhteellisen suuret kustannukset.

30 Keksinnön tarkoituksena on mm. poistaa edellä mainitut haitat. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 2.

35 Menetelmän perusajatus on seuraava: Tarkkailtavaa johtoa tunnustellaan kapasitiivi-sesti. Jännitteisen johdon vaihtosähkökenttä varaa tuntoelimenä käytettävää kapasitanssia. Tämän erittäin heikko kenttä vahvistetaan ensin rinnalle kytketyn, lähelle verkkotaajuutta viritetyn aktiivisen resonaattorin avulla. Saatua, paremmin kuormi- 102643 2 tettavaa, jännitettä vahvistetaan sitten ja muokataan esimerkiksi kaksiriviseksi (on/off) käyttötarkoitusta varten. Tila "on" tarkoittaa vaihtojännitteen olemassaoloa, ja tila "off1 sen puuttumista.

5 Keksinnön etuna on, että vaihtojännite tulee ilmaistuksi, olivat johtunet virrallisia tai eivät. Sähkökenttähän on johtimien ympäristössä yhtä lailla molemmissa tapauksissa. Lisäksi keksinnön etuna on, että ilmaisin on turvallinen, koska jännitteisiin osiin ei tarvita galvaanista kytkentää.

10 Keksintö on edullinen järjestelmässä, jossa jonkin laitteiston käyttöjännite on tasa-jännite, joka kehitetään verkkolaitteen avulla jakeluverkon vaihtojännitteestä. Jos tasajännite katoaa, ei ilman lisälaitetta heti tiedetä, mistä se johtuu. Syynä voi olla esimerkiksi oikosulku syötettävässä laitteistossa, verkkolaitteen stabilaattorin vioittuminen, verkkolaitteen sulakkeen palaminen tai verkkojännitteen katoaminen. Jos 15 kyse on viimeksimainitusta, verkkojänniteilmaisin kertoo sen heti. Jos järjestelmään kuuluu varaenergialähde, ilmaisin voi myös kytkeä sen automaattisesti päälle.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa 20 kuva 1 esittää keksinnön mukaisen vaihtojänniteilmaisimen lohkokaavion, kuva 2 esittää keksinnön mukaista periaatetta vaihtojännitteen kapasitiivisesta tunnustelusta kuva 3 esittää esimerkkiä ilmaisimen kytkentäkaaviosta ja 25 kuva 4 esittää esimerkkiä ilmaisimen sijoitustavasta, sekä ilmaisimen piirile vyn foliokuviota.

Kuvassa 1 näkyy kapasitiivinen tuntoelin 100, joka vaihtosähkökentän vaikuttaessa siihen saa resonaattorin 200 värähtelemään vaihtojännitteen taajuudella. Resonaatto-30 rin lähtö on yhdistetty käsittelypiiriin 500. Tähän kuuluu differentiaalivahvistin 300 ja ilmaisinpiiri 400. Resonaattorin 200 vaihtojännite vahvistetaan edullisesti suuri-impedanssisella differentiaalivahvistimella 300. Vahvistettu vaihtojännite muutetaan on/off-tyyppiseksi tasajännitteeksi ilmaisinpiirissä 400 vaihtojännitteen olemassaolon tai sen puuttumisen ilmoittamiseksi.

Kuvassa 2 on vaihtojännitejohdon johtimet 97, 98 piirretty päistä katsottuna niin, että ne näkyvät poikkileikkauksina. Johtimien lähelle on sijoitettu pienet johdelevyt eli elektrodit 101 ja 102. Kun johdossa on jännite, kulkee sen ympäristössä sähkö- 35 3 102643 vuo. Osa 99 tästä kulkee tuntoelimenä toimivien elektrodien 97, 98 välissä aiheuttaen niiden välille pienen jännitteen. Kun johdon jännite on vaihtojännite, myös levyjen välille syntyy samantaajuinen vaihtojännite. Tämä vaihtojännite vaikuttaa resonaattorin 200 yli saaden sen värähtelemään.

5

Resonaattori 200 on rinnakkaisresonanssipiiri. Jotta se saataisiin värähtelemään riittävän suurella amplitudilla keksinnön mukaisella järjestelyllä, on sen häviöiden oltava pieniä ja toisaalta sen reaktanssien suuria. Jälkimmäinen ehto merkitsee pientä kapasitanssia ja suurta induktanssia. Suuri induktanssi saadaan toteutetuksi 10 pienessä tilassa vain aktiivipiireillä. Kuvan 3 esimerkissä induktanssi 201 on tehty ICl:n operaatiovahvistimien avulla; kytkentä on gyraattori. Induktanssin suuruus L on komponenttiarvojen R7, R8 ja C7 tulo. Valituilla komponenttiarvoilla L = 110 kH. Jos resonaattorin kapasitanssi C2 on suuruudeltaan 80 pF, tulee resonanssi-taajuudeksi 54 Hz, joka on sopivan lähellä verkkotaajuutta 50 Hz. Resonanssipiirin 15 yli olevat diodit DP2 ovat suojausta varten. Värähtelyn amplitudi on niin pieni, että diodeilla ei ole vaikutusta primääritoiminnassa.

Merkitään resonaattorin 200 vaihtojännitettä U χ :llä (kuva 3). Resonaattorin alapään jännite on kiinnitetty nollatasoon operaatiovahvistimen 203 avulla. Operaatiovah-20 vistimen 301 kytkentä antaa vahvistetun jännitteen U| ja operaatiovahvistimen 302 kytkentä lähes yhtä paljon vahvistetun, mutta invertoidun jännitteen Ui· Siis U3 « -U2 (noin 5°:n vaihe-ero 50 Hz:n taajuudella). Operaatiovahvistimen 303 kytkentä antaa tällöin teoriassa pienillä taajuuksilla jännitteen U4 = 2 (R1/R2)-U2· Valituilla komponenttiarvoilla saadaan 50 Hz:n taajuudella niin suuri vahvistus, että jännite 25 U4 leikkautuu, eli se on käyttöjännitteiden ± 7,5V rajaamaa suorakaideaaltoa.

Ylipäästösuotimella C6, R25 pudotetaan mainitun suorakaideaallon keskimääräistä tasoa ja pyöristetään muotoa. Operaatiovahvistimen 401 kytkentä varaa kondensaattorin CIO niin, että jännite Uö nousee jännitteen U5 ylempään tasoon, eli vähän 30 nollan alapuolelle. Se myös pysyy siinä jännitteen U5 ollessa alemmassa tilassa suuren aikavakion R27-C10 vuoksi. Jos tarkkailtava vaihtojännite häviää, häviää myös U5in aaltomuoto, ja Uö asettuu tasoon -7,5V vastuksen R27 kautta.

Vahvistimella 402 muodostettu komparaattori antaa (noin) tasot +6,5V (ON) ja 35 -6,5V (OFF). Siinä on jännitteen U6 vaihtelualueen puolivälin paikkeille sijoittuva hystereesi υγ:η tarpeettoman vaihtelun estämiseksi verkkojännitteen tilan muutosvaiheessa.

4 102643

Kuvasta 4 nähdään, että vaihtojänniteilmaisin voidaan edullisesti sijoittaa verkko-johdon pistokkeen alle tai päälle (kuvassa laite näkyy suurennettuna).

Vaihtosähkökentän tunnusteluelektrodit 101, 102 on muodostettu suoraan piirile-5 vylle 103 johdealueina 104, 105.

Edellä on kuvattu esimerkkiä verkkojännitteen ilmaisevan piirin toteuttamisesta. Keksintö ei rajoitu juuri kuvatunlaisiin piiriratkaisuihin eikä myöskään vain jakeluverkon jännitteen ilmaisuun. Samaa keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa kaikissa 10 tapauksissa, joissa on hyödyllistä saada tieto jaksollisesti muuttuvan jännitteen olemassaolosta.

Claims (6)

102643

1. Menetelmä vaihtojännitteen ilmaisemiseksi johtimista, tunnettu siitä, että johtimien (97, 98) läheisyydessä tunnustellaan sähkökenttää niihin kapasitiivisesti kyt- 5 keytyvien elektrodien (101, 102) avulla, sähkökentän vallitessa elektrodien välille muodostuva jännite johdetaan olennaisesti vaihtojännitteen taajuudelle viritettyyn resonanssipiiriin (200) värähtelyn aikaansaamiseksi, ja resonanssipiirin jännitettä käsitellään (300, 400) johdon vaihtojännitteen olemassaoloa osoittavan signaalin muodostamiseksi. 10

2. Laite vaihtojännitteen ilmaisemiseksi, tunnettu siitä, että siihen kuuluu -elektrodit (101 ja 102) johdon ympärillä vallitsevan sähkökentän tunnustelemi- seksi kapasitiivisesti, - resonanssipiiri (200), johon elektrodit (101, 102) on yhdistetty ja joka on viritetty 15 olennaisesti vaihtojännitteen taajuudelle värähtelyn aikaansaamiseksi sähkökentän vallitessa, ja - käsittelypiiri (500) resonanssipiiriltä saatavan jännitteen muokkaamiseksi osoittamaan johdossa vallitsevaa vaihtojännitettä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että elektrodit muodos tuvat piirilevylle (103) järjestetyistä johdealueista (104, 105).

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että resonanssi-piiriin (200) kuuluva induktanssi (201) muodostetaan aktiivipiirin (204) avulla. : 25

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 2-4 mukainen laite, tunnettu siitä, että käsittelypiiriin (500) kuuluu suuri-impedanssinen differentiaalivahvistin (300).

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 2-4 mukainen laite, tunnettu siitä, että 30 käsittelypiiriin (500) kuuluu suuriamplitudisen vaihtojännitteen ilmaiseva piiri (400). 102643