DE19732766C2

DE19732766C2 - Spannungsversorgung für einen Sensor

Info

Publication number: DE19732766C2
Application number: DE19732766A
Authority: DE
Inventors: Tilmann Krueger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: AU9069898A; EP1000460A1; DE19732766A1; WO1999007058A1; US6194882B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungsversor gung eines Sensors aus Energiequellen mit geringer Energie und Einrichtungen zur Benutzung des Verfahrens. In den nach folgenden Ausführungen wird als Beispiel für einen Sensor das Geiger-Müller-Zählrohr zum Detektieren radioaktiver Strahlung unterstellt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf Sensoren beschränkt ist, son dern beispielsweise auch zur Spannungsversorgung von ande ren Verbrauchern dienen kann, insbesondere wenn diese nur einen sehr geringen Stromverbrauch bei einer Spannung von über 100 Volt haben.

Es ist eine Reihe von Verfahren bekannt, die der Spannungs versorgung von Sensoren dienen. Sie lassen sich einteilen in gesteuerte und in geregelte Spannungswandler.

Typische gesteuerte Spannungsversorgungen sind der Eintakt durchflußwandler und der Gegentaktzerhacker, bei denen die Primärspannung mit einem festen Übersetzungsverhältnis in die Sekundärspannung umgesetzt wird.

Eintaktsperrwandler speichern bei einem Primärimpuls eine bestimmte Energie in einer Drossel, die nach Abschalten des Primärimpulses auf der Sekundärseite abgegeben wird. Bei ei ner bekannten Belastung der Sekundärseite kann so die er zielte Sekundärspannung auch gesteuert werden. Ist die se kundärseitige Belastung jedoch nicht bekannt, so wird die Sekundärspannung meist geregelt oder begrenzt, wenn sie ei nen bestimmten Wert aufweisen oder zumindest nicht über schreiten soll. Eine Begrenzung der Sekundärspannung wird oft auch durch parasitäre Eigenschaften von Bauelementen er reicht, wie den Avalanche-Effekt von Dioden oder die Kapazi tät der Drossel.

Bei einem Verbraucher mit nicht besonders niedrigem Strombe darf bietet eine Spannungsversorgung nach dem Stand der Technik einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad.

Geiger-Müller-Zählrohre sind Verbraucher, die für optimale Meßgenauigkeit mit konstanter Spannung bei einem weiten Be reich des benötigten Stromes versorgt werden müssen.

Beispielsweise beträgt der benötigte Strom für ein typi sches Zählrohr bei einer optimalen Meßspannung von 500 Volt bei fehlender Strahlung 0,25 nA, bei maximaler Strahlung aber 15 µA entsprechend einem Verhältnis von 1 : 60.000.

So ist in G. Peltz, Einspulen-Spannungswandler von 9 V auf 150 V, in Elektronik 24/1981, Seite 76 beschrieben, wie selbst bei einer geringen Spannungsumsetzung um einen Fak tor von etwa 15 bereits im Leerlauf ein Strom von über 2 Milliampere gezogen wird. Es ist dargestellt, wie mit Bur straten hoher Frequenz die Ausgangsspannung erzeugt wird und was unter dem Begriff "guter Wirkungsgrad" nach dem Stand der Technik zu verstehen ist. So wird bei einer Bela stung des Ausgangs mit einem Milliampere der Wirkungsgrad mit 70 Prozent angegeben.

Die bisher bekannten Verfahren sind mit vielen Problemen be haftet, die die Primärenergiequelle, beispielsweise eine Batterie, stark belasten und so die mögliche Einsatzdauer beschränken, denn die Stromversorgungen von Meßgeräten zur Messung radioaktiver Strahlung mit einem Geiger-Müller-Zähl rohr als Sensor können den geringen Strombedarf des Sensors bei geringer Strahlung nicht mit einem guten Wirkungsgrad bereitstellen. Dies gilt insbesondere, wenn die Versorgungs spannung des Sensors auch bei maximaler Strahlung nicht zu sammenbrechen soll.

In der DE 36 05 417 C2 ist ferner eine Schaltung beschrie ben, die für kleine Ausgangsspannungen eine Reihenschaltung aus einer Gleichrichterdiode mit kleiner Durchlaßspannung und einem gesteuerten Feldeffekttransistor aufweist. Noch weiter in dieser Schrift dargestellte Richtung führen Syn chrongleichrichter mit gesteuerten Feldeffekttransistoren, bei denen die Gleichrichterdiode voll entfällt und die ins besondere zur Versorgung von Rechnerschaltungen mit beson ders niedriger Betriebsspannung bis kleiner 1 Volt und mit erheblichen Betriebsströmen gute Wirkungsgrade erlauben. Diese Schaltung ist aufwendig und für hohe Ausgangsspannun gen nicht geeignet.

In der JP 59-123461 A wird der zur Messung der Ausgangsspan nung erforderliche Strom nur während der Zeit eingeschal tet, während der der Sperrwandler betrieben wird. Bei hohen Ausgangsspannungen und geringen Ausgangsströmen wird bei nicht idealem Schalter ein vergleichsweise erheblicher Leckstrom des Schalters anfallen.

Damit ist es für batteriebetriebene Meßgeräte nicht mög lich, ohne regelmäßig die Batterie zu wechseln bzw. zu la den über lange Zeit die Strahlung zu messen und zu protokol lieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Verfahren und Geräte zu vermeiden und es zu ermöglichen, daß zum einen ohne Wartungsaufwand für möglichst lange Zeit möglichst genaue Messungen durchgeführt, zum anderen eine präzise langzeitliche Erfassung und Protokollierung der ge messenen Strahlung realisiert werden.

Insbesondere soll eine vereinfachte Schaltung geschaffen werden, die bei hohen Ausgangsspannungen einen sehr niedri gen Stromverbrauch gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist die obige Aufgabe mit einer Einrichtung ge mäß dem Anspruch 1 gelöst. So wird zur Erzeugung der Spannung ein Sperrwandler verwendet.

Der Gleichrichter des Sperrwandlers ist erfindungsgemäß auf niedrigen Sperrstrom und schnelles Abschalten optimiert.

In einer Ausbildung der Erfindung wird die Messung der er zeugten Spannung durch schnelle und geeignet synchronisier te Messung der Spannung an der Drossel ersetzt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird in der Regelein richtung der Zeitpunkt des nächsten benötigten Primärimpul ses abgeschätzt und die Regeleinrichtung bis dahin abschal tet.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Spannungsmessung und das Regelverhalten von einem Mikrocon troller durchgeführt, der den Sensorbetrieb steuert und auch die Auswertung, Anzeige und Protokollierung des Sensor signals durchführt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine typische Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Den Stand der Technik kennzeichnen die derzeit auf dem Markt befindlichen Strahlungsmeßgeräte, die bereits einen Stromverbrauch von wenigen Milliampere bei Betriebsspannun gen von 3 bis 9 Volt erzielen. Wesentliche Probleme ergeben sich aus dem Stromverbrauch der Regeleinrichtung, dem zur Spannungsmessung erforderlichen Strom, dem Sperrstrom des Gleichrichters und den Energieverlusten in der Umschaltzeit des Gleichrichters vom Leiten zum Sperren. In der Zeichnung zeigt

Fig. 2 eine typische Schaltung entsprechend dem Stand der Technik.

Die Batterie 1 versorgt die Schaltung mit der Betriebsspan nung 12. Die Regeleinrichtung 2 verarbeitet das Meßsignal 10, das der Spannungsteiler, gebildet von den Widerständen 6 und 7 aus der Ausgangsspannung 9 gewinnt, und erzeugt das Steuersignal 11 des Schalttransistors 3. Ist dieser durchge schaltet, so liegt die Betriebsspannung 12 an der Drossel 4. Damit steigt der Strom durch diese und speichert zuneh mend magnetische Energie in ihr, und zwar solange, bis der Schalttransistor abgeschaltet wird. Da die Induktivität der Drossel 4 eine schnelle Stromänderung verhindert, steigt die Spannung an ihr solange an, bis ein Wert er reicht wird, der der Ausgangsspannung 9 plus der Durchlaß spannung des Gleichrichters 5 entspricht, und lädt damit ihre eigene parasitäre Kapazität auf. Nun fließt solange La destrom in den Kondensator 8, bis die in der Induktivität der Drossel 4 gespeicherte magnetische Energie verbraucht ist. Die dafür benötigte Zeit ist hier Kondensatorladezeit genannt. Sie ist bei niedriger Ausgangsspannung 9 lang, bei hoher kurz.

Der Gleichrichter 5 braucht eine bestimmte Zeit, bis er wie der sperrt, die sogenannte Sperrerholzeit. Bis deren Ablauf treibt die Ausgangsspannung 9 einen zunehmenden Strom durch die Drossel 4 in umgekehrter Richtung, der Kondensator 8 wird teilentladen, die Drossel 4 mit magnetischer Energie in umgekehrter Richtung geladen. Wenn der Gleichrichter 5 wieder sperrt, so fließt der Strom solange in die Batterie 1 weiter, und zwar jetzt aus dem nun invers betriebenen Transistor 3, bis die magnetische Energie abgebaut ist.

Wenn die Batterie 1 durch Akkumulatoren gebildet wird, so stört die dadurch erzeugte Rückladung nicht. Handelt es sich aber um speziell für mehrjährigen wartungsfreien Be trieb geeignete Zellen, wie beispielsweise Lithium-Thio nylchlorid-Zellen, so wird die Lebensdauer herabgesetzt.

Weiterhin begrenzt die Sperrerholzeit die maximal erreichba re Ausgangsspannung 9, weil mit steigender Ausgangsspannung 9 die Kondensatorladezeit in bekannter Weise abnimmt. Der maximale Grenzwert wird erreicht, wenn keinerlei Stromver brauch bei der Ausgangsspannung 9, beispielsweise durch nichtideale Isolation, Diodensperrstrom oder Sensorstrom, auftritt und die Kondensatorladezeit gleich der Sperrerhol zeit wird, weil dann die dem Kondensator zugeführte Ladung gleich der ihm entnommenen wird. Dieses Verhalten erlaubt den Verzicht auf eine aufwendige Messung der Ausgangsspan nung 9 der Spannungsversorgung.

Für Sperrwandler zur Versorgung von Geiger-Müller-Zählroh ren sind sehr kleine Puls-Pausenverhältnisse typisch, also im Vergleich zu den Pulsabständen lange Pausenzeiten. In den Pausenzeiten fließt der Sperrstrom durch den Gleichrich ter. Dieser beträgt für typische Gleichrichter bereits bei Raumtemperatur einige Mikroampere, beispielsweise für Dioden des Typs 1N4007 5 µA bei 25°C, 50 µA bei 125°C, also ein Vielfaches der vom Sensor benötigten Ströme von bei spielsweise 0,25 nA. Da die Ausgangsspannung 9 oft weit mehr als das einhundertfache der Betriebsspannung 12 be trägt, ergibt sich ein dafür erforderlicher durchschnittli cher Strom der Batterie 1 von weit mehr als dem hundertfa chen, beispielsweise also in der Größenordnung von 1 mA. Da mit ist ein mehrjähriger Betrieb mit einer Zelle von beispielsweise 2 Ah Kapazität nicht realisierbar.

Auf dem Markt erhältliche Dioden mit kurzer Sperrerholzeit weisen relativ hohe Sperrströme auf, während Dioden mit be sonders kleinem Sperrstrom lange Sperrerholzeiten haben. Es bereitet große Schwierigkeiten, lange Kondensatorladezeiten zu erreichen, da dazu große Induktivitäten erforderlich sind, die in der Regel auch relativ große parasitäre Kapazi täten aufweisen. Selbst bei einer Induktivität von 100 mH und einer Betriebsspannung von 3 V steigt der Strom in 1 ms auf 30 mA an. Bei einem Verhältnis von Ausgangsspannung zu Betriebsspannung von 150 fällt der Strom der Induktivität linear vom Ausgangswert 30 mA in weniger als 7 µs auf Null ab. Bei einer parasitären Kapazität der Drossel von nur 150 pF geht davon über 1 µs verloren, und zwar der Teil mit dem höchsten Strom. So dauert die maximal mögliche Kondensator ladezeit also weniger als 6 µs, beginnend mit nur noch 25 mA.

Erhebliche Energie verbraucht die Schaltung zur Messung der Ausgangsspannung 9. Für übliche Regeleinrichtungen sind Re gelgrößen in der Größenordnung von 1 V erforderlich. So wird die Ausgangsspannung 9 durch den aus den Widerständen 6 und 7 bestehenden Spannungsteiler auf den geforderten Wert herabgesetzt. Es ist extrem aufwendig, extrem hochohmi ge stabile Widerstände zu verwenden. Preiswert sind Wider stände bis etwa 10 MΩ zu erhalten. Damit beträgt der Meß strom beispielsweise 50 µA.

Eine typische Anordnung einer Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt.

Im Vergleich zum in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik wird die Batterie 1 durch eine Einzelzelle mit hoher Span nung und Lebensdauer realisiert, beispielsweise eine Lithi um-Thionylchlorid-Zelle der Größe AA, auch Mignon genannt, mit einer Lebensdauer von 10 Jahren, einer Kapazität von 2 Ah und einer Spannung von 3,7 V. Die Gefährdung dieser Zel le durch eine oben angesprochene Rückladung wird vermieden durch zwei Pufferkondensatoren 16 und 17 sowie die Schottky diode 18. Letztere kann ersetzt werden durch einen geeignet gesteuerten Schalter, beispielsweise einen Feldeffekttransi stor, der parallel zu Transistor 3 angesteuert wird. Dann hat der Kondensator 17 den Ladestrom für Kondensator 8 zu übernehmen. Bei den oben dargestellten Werten wird eine La dung von 0,5 . 7 µs . 30 mA = 105 nC benötigt, der Spannungsab fall bei einer Kapazität von 1 µF beträgt also 0,105 V. Der Kondensator 17 hat auch die Rückladung aufzunehmen, bei spielsweise entsprechend 10% der in der Drossel 4 zunächst gespeicherten magnetischen Energie, also selbst bei Vernach lässigung der dadurch erfolgenden Spannungserhöhung 0, 1 . 0,5 . 1 ms . 30 mA = 1,5 µC entsprechend einer Spannungser höhung am Kondensator 17 um 1,5 V. Der Kondensator 16 entla stet die Batterie 1 gegenüber Sperrströmen der Schottky diode 18 einerseits und gemeinsam mit dem Kondensator 17 bei der Bereitstellung des Stromes zur Speicherung magneti scher Energie in der Drossel 4 andererseits.

Im Vergleich zum in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik wird die Regeleinrichtung 2 realisiert durch einen Pulsge ber 14, der einen Zeitschalter 15 durch Übertragung einer Ausschaltzeit 19 so programmiert, daß während dieser die Versorgung des Pulsgebers durch den Schalter 20 abgeschal tet ist. Eine derartige Regeleinrichtung kann beispielswei se durch Mikrocontroller mit sogenannten Low-Power-Modes realisiert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestal tung der Erfindung übernimmt dieser Mikrocontroller auch weitere Funktionen wie die Aktivierung des Sensors nur zu bestimmten Zeiten oder in Abhängigkeit von der verbliebenen Batteriekapazität oder Anzeige, Dosisberechnung und Proto kollierung der Meßwerte des Sensors.

Im Vergleich zum in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik wird die Ausgangsspannung 9 vor dem Gleichrichter gemessen. Damit ändert sich zwar nicht der benötigte Meßstrom, aber die zeitliche Dauer desselben, denn er fließt nur noch wäh rend der Kondensatorladezeit und der Sperrerholzeit. Damit ergibt sich eine Dauer des Signals von wenigen Mikrosekun den. Man kann dieses Problem durch Verwendung einer Abtast- Halteschaltung oder eines schnellen Analog/Digitalwandlers lösen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein im Mikrocontroller vorhandener Analog/Digitalwand ler mit relativ langsamer Abtast-Halteschaltung verwendet, wobei erfindungsgemäß das Steuersignal 11 mit dem Analog/Di gitalwandler synchronisiert wird, und zwar so, daß dessen Abtast-Halteschaltung eine bestimmte Zeit vor dem Abschal ten des Steuersignals 11 mit der Abtastung des Meßwertes be ginnt und diese nach Ablauf einer festen Zeit so rechtzei tig beendet, daß selbst bei maximaler noch zu messender Aus gangsspannung 9 die Kondensatorladezeit noch nicht beendet ist. Damit ist unabhängig von der Kondensatorladezeit die effektive Abtastzeit des Meßsignals 10 zwar kürzer als die von der Abtast-Halteschaltung zum Einschwingen benötigte Zeit, steht zu dieser aber in einem festen Verhältnis. Eine entsprechende Korrektur kann entsprechend dem Verhältnis der effektiven Abtastzeit des Meßsignals 10 zur Zeitkonstan ten der Abtast-Halteschaltung in allgemein bekannter Weise durchgeführt werden.

Im Vergleich zum in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik wird der Gleichrichter 5 aus zwei Dioden 21 und 22 reali siert, wobei die ausgangsseitige Diode 22 durch besonders kleinen Sperrstrom bei Verzicht auf besonders kurze Sperrer holungszeit und die Diode 21 auf besonders kurze Sperrerho lungszeit bei Verzicht auf besonders kleinen Sperrstrom rea lisiert wird. Gegen Ende der Kondensatorladezeit sind zu nächst beide Dioden 21 und 22 leitend. Bei Stromumkehr wird Diode 21 als erste ihre Sperrerholzeit erreichen und ab schalten. Danach wird die Diode 22 langsam sperren, aber we gen des im Vergleich zu der Diode 21 niedrigeren Sperr stroms für den wesentlichen Teil der Pausenzeit zwischen zwei Pulsen den Sperrstrom des Gleichrichters 5 bestimmen. Insgesamt wird für wenige Mikrosekunden der Sperrstrom der Diode 21 fließen, für den Rest der Pausenzeit der der Diode 22. Durch die vorgeschlagene ausgangsseitige Anordnung der Diode 22 läßt sich auch der Leckstrom der Schaltung minimie ren. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der ausgangsseitige Anschluß, die Kathode, der Diode 22 nicht mehr auf die Leiterplatte geführt, sondern direkt an einen freitragenden Anschluß des Speicherkondensators 8. Somit wer den durch die Leiterplatte hervorgerufene Leckströme, die leicht die Größenordnung des Sensorstromes erreichen können, vermieden.

Liste der Bezugszeichen

1

Batterie

2

Regeleinrichtung

3

Schalttransistor

4

Drossel

5

Gleichrichter

6

,

7

Widerstand

8

Speicherkondensator

9

Ausgangsspannung

10

Meßsignal

11

Steuersignal

12

Betriebsspannung

13

Bezugsmasse

14

Pulsgeber

15

Zeitschalter

16

,

17

Pufferkondensator

18

Schottkydiode, Schalttransistor

19

Ausschaltzeit

20

Schalter

21

,

22

Diode

Claims

1. Spannungsversorgung für einen hochohmigen Verbraucher von hoher Spannung, wobei zur Erzeugung der hohen Spannung (9) aus niederer Spannung (12) ein Sperrwandler verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (5) des Sperrwandlers aus mindestens einer Diode (22) mit niedrigem Sperrstrom und mindestens einer Diode (21) mit kurzer Sperrerholungszeit besteht, und daß die vom Sperrwandler erzeugte Spannung durch schnelle und geeignet mit dem Primärimpuls synchronisierte Messung der Spannung an der Drossel (4) abgeschätzt wird.

2. Spannungsversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsgeber (14) des Sperrwandlers zwischen den Primärimpulsen des Steuersignals (11) abgeschaltet wird.

3. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der hohen Spannung aus niederer Spannung ein Sperrwandler verwendet wird, dessen Rücklaufstrom durch einen Kondensator (17) aufgenommen wird.

4. Spannungsversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückfließen des Rücklaufstroms des Sperrwandlers in die Batterie durch einen Schalter oder eine Diode verhindert wird.

5. Spannungsversorgung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung mit einem Mikrocontroller realisiert wird, der auch weitere Funktionen zur Aktivierung des Verbrau chers oder zur Verarbeitung seiner Werte durchführt.