CH635941A5

CH635941A5 - Schaltungsanordnung zur messung von stroemen auf hohem potential.

Info

Publication number: CH635941A5
Application number: CH691478A
Authority: CH
Inventors: Bruno Mueller; Ulrich Baumgaertl; Werner Kohler
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1977-08-24
Filing date: 1978-06-26
Publication date: 1983-04-29
Also published as: DE2738558A1; BE869120A; DE2738558C3; GB2005846B; DE2738558B2; GB2005846A; US4209743A; FR2401426B1; SE7808522L; FR2401426A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential mit einem Messwertgeber mit einem Kondensator, der von einem dem zu messenden Strom proportionalen Strom aufgeladen und bei Erreichen einer definierten Spannung über eine parallelliegende, Licht emittierende Diode entladen wird, wobei eine Lichtimpulsfolge mit einer dem zu messenden Strom proportionalen Frequenz erzeugt wird, die über eine optische Übertragungsstrecke zu einem Messwertempfänger mit einem Fotoelement übertragen wird.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (DT-AS 15 91 972) liegt in Reihe mit der Licht emittierenden Diode eine Vierschichtdiode, die bei Überschreiten der definierten Spannung am Kondensator leitend wird, so dass im Parallelzweig mit der Licht emittierenden Diode ein Entladestrom fliesst. Dieser Entladestrom regt die Licht emittierende Diode zur Aussendung von Licht an. Infolge der Entladung sinkt die Kondensatorspannung ab, so dass der Parallelzweig schliesslich nichtleitend wird. Der Kondensator wird daraufhin wieder aufgeladen, der Parallelzweig wird anschliessend wieder leitend, und es wird ein erneuter Lichtimpuls erzeugt. Die Zahl der in der Zeiteinheit abgegebenen Lichtimpulse ist damit dem zu messenden Strom proportional.

Nachteilig ist die bekannte Schaltungsanordnung vor allem insofern, als ihr Dynamikbereich und damit ihr Messbereich durch den Zünd- und Haltestrom der Vierschichtdiode begrenzt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zur Messung von Strömen auf hohem Potential mit einem Kondensator vorzuschlagen, die einen vergleichsweise grossen Messbereich aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltungsanord- -nung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäss in Reihe mit der Licht emittierenden Diode ein Schaltelement mit einem Steueranschluss angeordnet und mit dem Steueranschluss der Ausgang einer Steuereinrichtung mit derart geringem Betriebsenergiebedarf verbunden, dass sie ohne'Verfälschung des . Messergebnisses aus dem den Kondensator aufladenden Strom mit Betriebsenergie versorgbar ist; der Eingang der Steuereinrichtung ist an eine parallel zum Kondensator angeordnete Schwellwerteinrichtung zur Festlegung der definierten Spannung angeschlossen, und die Versorgungsanschlüsse der Steuereinrichtung sind mit dem Kondensator verbunden.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung besteht darin, dass auf eine Vierschichtdiode in Reihe mit der Licht emittierenden Diode verzichtet ist, indem eine Schwellwerteinrichtung vorgesehen ist, die über eine nachgeordnete Steuereinrichtung ein in Reihe mit der Licht emittierenden Diode angeordnetes Schaltelement zum Durchschalten veranlasst, wenn an dem Kondensator infolge Aufladung durch einen dem zu messenden Strom proportionalen Strom die definierte Spannung erreicht ist. Eine Begrenzung des Dynamikbzw. Messbereiches durch Zünd- und Haltestrom einer Vierschichtdiode ist dadurch vermieden. Die Verwendung einer zusätzlichen Steuereinrichtung schafft keine besonderen Probleme, weil eine Steuereinrichtung mit geringem Betriebsenergiebedarf verwendet wird, die somit ohne Verfälschung des Messergebnisses aus dem den Kondensator aufladenden Strom mit Betriebsenergie versorgt werden kann. Es bleibt also trotz Einsatzes einer Steuereinrichtung mit den oben angegebenen Vorteilen der Vorzug der bekannten Schaltungsanordnung erhalten, dass auf hohem Potential eine besondere Energieversorgungsquelle für die Schaltungsanordnung zur Messung des Stromes nicht erforderlich ist.

Als besonders vorteilhaft hat es sich im Hinblick auf einen geringen Betriebsenergiebedarf erwiesen, wenn bei der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung die Steuereinrichtung aus einem Univibrator als integriertem Baustein in Komplementär-Metalloxyd-Gate-Technologie besteht.

Besonders vorteilhaft arbeitet die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung dann, wenn der Kondensator von dem dem zu messenden Strom proportionalen Strom über einen Widerstand aufgeladen wird, dessen Grösse durch den Quotienten aus Entladezeit des Kondensators und der Kapazität des Kondensators bestimmt ist; die Schwellwerteinrichtung und die Versorgungsanschlüsse der Steuereinrichtung sind an die Enden der Reihenschaltung des Widerstandes und des Kondensators angeschlossen. Diese Ausbildung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass über den gesamten Messbereich eine lineare Abhängigkeit zwischen dem zu messenden Strom und der Frequenz der Lichtimpulse besteht.

Dieser Vorteil beruht darauf, dass sich bei der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung die Frequenz f der Lichtimpulse in Abhängigkeit von der Kapazität C des Kondensators, der definierten Spannung Ud und der Entladezeit des Kondensators te durch folgende Gleichung (1) beschreiben lässt:

In dieser Gleichung bezeichnet I den dem zu messenden Strom proportionalen Strom und Ij den Verluststrom in der

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Steuereinrichtung. Berücksichtigt man nun, dass bei Verwen- Die dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet in folgender dung einer Steuereinrichtung aus integrierten Bausteinen in Weise: Von dem dem zu messenden Strom Ip proportionalen Komplementär-Metalloxyd-Gate-Technologie der Verlust- Strom I wird der Kondensator 4 solange aufgeladen, bis die an ström I [ vernachlässigbar klein ist, weil der Betriebsenergiebe- ihm entstehende Spannung in ihrer Höhe der definierten Spandarf derartiger Bausteine sehr gering ist, dann wird gemäss der s nung entspricht. Die Spannung wird durch die Zenerdiode 10 oben angegebenen Gleichung die Abweichung vom linearen definiert, so dass diese bei Erreichen dieser Spannung durchZusammenhang zwischen dem dem zu messenden Strom pro- bricht und damit mittels des mit ihr in Reihe liegenden Wider-portionalen Strom I und der Frequenz f der Lichtimpulse durch standes 11 einen Eingangsimpuls an der Steuereinrichtung 5 die Entladezeit te des Kondensators verursacht. Der Kondensa- hervorruft. Von der Steuereinrichtung 5 wird daraufhin ein tor lässt sich nicht beliebig schnell entladen, so dass sich die io Schaltimpuls auf das Schaltelement 14 gegeben, das dadurch Entladezeit schon bei Frequenzen von einigen kHz stark be- einen Stromkreis über die Licht emittierende Diode öffnet und merkbar macht. damit eine Entladung des Kondensators 4 unter Abgabe eines

Durch Einfügen eines Widerstandes mit dem Wert R mit Lichtimpulses herbeiführt. Danach erfolgt erneut eine Auflader oben angegebenen Bemessung lässt sich die Gleichung ( 1 ) dung des Kondensators 4 und nach Erreichen der definierten in folgende Gleichung (2) überführen: is Spannung wiederum die Abgabe eines Lichtimpulses. Da das

Erreichen der definierten Spannung am Kondensator 4 von der Grösse des Stromes I abhängig ist, werden in derselben Abhän-

f - \ = l (2) gigkeit Lichtimpulse erzeugt, so dass deren Frequenz dem

C'(Ud ~ I R) _|_ t C'Ud _ C R + t Strom I bzw. dem zu messenden Strom Ip proportional ist.

Ie! e 20 Dabei verursacht der Strom Ij zur Betriebsenergieversorgung der Steuereinrichtung 5 keine nennenswerte Beeinflussung des Wählt man nun den Widerstandswert R so, dass er der Glei- linearen Zusammenhanges, weil er bei Verwendung einer chung (3) Steuereinrichtung mit geringem Betriebsenergiebedarf vernach lässigbar klein ist.

C • R = te (3) 25 Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemässen Schaltungsanordnung stimmt in seinem wesent-genügt, dann ergibt sich aus der Gleichung (2) die Beziehung liehen Aufbau mit dem nach Figur 1 überein, so dass für über-(4) einstimmende Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet wor-

j j den sind. Eine Abweichung liegt hinsichtlich der Verwendung f= — = — , (4) 3o eines Widerstandes 16 vor, der in Reihe mit dem Kondensator 4

angeordnet ist, um den oben erläuterten linearen Zusammenhang zwischen dem zu messenden Strom Ip bzw. dem dazu prowobei die Grösse Q eine Konstante bezeichnet. Durch Anord- portionalen Strom I und der Frequenz der von der Licht emittie-nen eines Widerstandes mit der angegebenen Bemessung lässt renden Diode 15 ausgesendeten Lichtimpulse über einen gros-sich also ein nahezu exakt linearer Zusammenhang zwischen der 35 sen Messbereich zu erhalten. Ein weiterer Unterschied besteht Frequenz f der Lichtimpulse und dem zu messenden Strom bzw. darin, dass die Schwellwerteinrichtung 9 an die Reihenschaltung einem diesem proportionalen Strom I herstellen. des Widerstandes 16 und des Kondensators 4 ebenso wie die

Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Versorgungsanschlüsse 6 und 7 der Steuereinrichtung 5 ange-Licht emittierenden Diode ein Widerstand parallelgeschaltet ist. schlössen sind, während die Licht emittierende Diode 15 und Durch diesen Widerstand lässt sich die Entladezeit des Konden- 4o das mit ihr in Reihe liegende Schaltelement 14 nur dem Kon-sators in vorteilhafter Weise verkürzen. densator 4 parallelgeschaltet sind.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Abgesehen von der vorteilhaften Wirkung des Widerstandes

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen 16 arbeitet die Schaltungsanordnung nach Figur 2 grundsätzlich Schaltungsanordnung mit einer in Form eines Blockschaltbildes in derselben Weise wie die nach Figur 1.

dargestellten Steuereinrichtung, in 45 Auch das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 enthält wieder

Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem in Reihe um einen Stromwandler 20 mit nachgeordnetem Brückengleich-mit dem Kondensator liegenden Widerstand und in richter 21, an den ein Kondensator 22 angeschlossen ist; gege-

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer als inte- benenfalls kann mit dem Kondensator 22 wiederum ein Wider-grierten Baustein ausgeführten Steuereinrichtung gezeigt. stand zur Linearisierung der Abhängigkeit der Frequenz der

Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung wird über 50 Lichtimpulse vom zu messenden Strom angeordnet sein. Paraleinen Stromwandler 1 und einen diesem nachgeordneten lei zum Kondensator 22 ist wiederum eine Schwellwerteinrich-Brückengleichrichter 2 mit einem Strom I gespeist, der einem in tung 23 angeordnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einer auf Hochspannungspotential verlaufenden Leitung 3 flies- zusätzlich zu einer Zenerdiode 24 und einem Widerstand 25 senden Strom Ip proportional ist. An die Gleichspannungsaus- eine Diode 26 enthält. Über einen Transistor 27 und zwei Wi-gänge des Brückengleichrichters 2 ist ein Kondensator 4 ange- 55 derstände 28 und 29 ist die Schwellwerteinrichtung 23 mit einer schlössen und wird daher von dem Strom I aufgeladen. Parallel Steuereinrichtung 30 verbunden, die einen integrierten Bau-zum Kondensator 4 ist eine Steuereinrichtung 5 mit ihren Ver- stein in Komplementär-Metalloxyd-Gate-Technologie darstellt, sorgungsanschlüssen 6 und 7 geschaltet. Mit ihrem Eingang 8 ist Dieser Baustein ist zusätzlich mit einem Kondensator 31 be-die Steuereinrichtung 5 mit einer Schwellwerteinrichtung 9 ver- schaltet und zu seiner Betriebsenergieversorgung über eine Di-bunden, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus der 60 ode 32 an den Brückengleichrichter 21 angeschlossen. Der AusReihenschaltung einer Zenerdiode 10 und eines Widerstandes gang 34 der Steuereinrichtung 30 ist mit einem Steueranschluss 11 besteht ; die Schwellwerteinrichtung 9 ist ebenfalls parallel 35 eines Schaltelements 36 verbunden, das wiederum in Reihe zum Kondensator 4 angeordnet. Der Ausgang 12 der Steuerein- mit einer Licht emittierenden Diode 37 parallel zum Kondensa-richtung 5 ist mit einem Steueranschluss 13 eines Schaltelemen- tor 22 angeordnet ist. Der Licht emittierenden Diode 37 ist ein tes 14 verbunden, mit dem in Reihe eine Licht emittierende 65 Widerstand 38 parallelgeschaltet, um das Entladeverhalten des Diode 15 angeordnet ist. Die Licht emittierende Diode 15 und Kondensators 22 günstig zu beeinflussen.

das Schaltelement 14 sind ebenfalls parallel zum Kondensator 4 Bei Verwendung einer Steuereinrichtung nach Figur 3 wird angeordnet. aus dem einem zu messenden Strom Ip proportionalen Strom I

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ein nur sehr kleiner Anteil zur Betriebsenergieversorgung über die Diode 32 entnommen, so dass dadurch die lineare Abhängigkeit zwischen zu messenden Strom Ip und der Frequenz der Lichtimpulse kaum beeinflusst wird ; mit dieser Schaltungsanordnung wird also eine besonders getreue Umsetzung eines zu messenden Stromes in eine Frequenz und damit eine genaue Erfassung des zu messenden Stromes in einer niederspannungs-

seitigen Empfangseinrichtung ermöglicht.

Mit der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential vorgeschlagen, die auf dem hohen Potential eine besondere Betriebsenergieversor-s gungsquelle nicht benötigt und dennoch eine sehr genaue Erfassung des zu messenden Stromes ermöglicht.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Schaltungsanordnung zur Messung von Strömen auf hohem Potential mit einem Messwertgeber mit einem Kondensator, der von einem dem zu messenden Strom proportionalen Strom aufgeladen und bei Erreichen einer definierten Spannung über eine parallel liegende, Licht emittierende Diode entladen wird, wobei eine Lichtimpulsfolge mit einer dem zu messenden Strom proportionalen Frequenz erzeugt wird, die über eine optische Übertragungsstrecke zu einem Messwertempfänger mit einem Fotoelement übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit der Licht emittierenden Diode (15) ein Schaltelement (14) mit einem Steueranschluss (13) angeordnet ist, dass mit dem Steueranschluss (13) der Ausgang (12) einer Steuereinrichtung (5) mit derart geringem Betriebsenergiebedarf verbunden ist, dass sie ohne Verfälschung des Messergebnisses aus dem den Kondensator (4) aufladenden Strom mit Betriebsenergie versorgbar ist, und dass der Eingang (8) der Steuereinrichtung (5) an eine parallel zum Kondensator (4) angeordnete Schwellwerteinrichtung (9) zur Festlegung der definierten Spannung angeschlossen ist und die Versorgungsanschlüsse (6,7) der Steuereinrichtung (5) mit dem Kondensator

(4) verbunden sind (Fig. 1).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung aus einem Univibrator als integriertem Baustein (30) in Komplementär-Metalloxyd-Gate-Technologie besteht (Fig. 3).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (4) von dem dem zu messenden Strom (Ip) proportionalen (I) über einen Widerstand (16) aufgeladen wird, dessen Grösse durch den Quotienten aus Entladezeit des Kondensators (4) und der Kapazität des Kondensators (4) bestimmt ist, und dass die Schwellwerteinrichtung (9) und die Versorgungsanschlüsse (6,7) der Steuereinrichtung

(5) an die Enden der Reihenschaltung des Widerstandes (16) und des Kondensators (4) angeschlossen sind (Fig. 2).

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht emittierenden Diode (37) ein Widerstand (38) parallel geschaltet ist (Fig. 3).