DE19748632A1

DE19748632A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Eingangsspannungsüberwachung von Netzteilen mit Wechselspannungsversorgung

Info

Publication number: DE19748632A1
Application number: DE1997148632
Authority: DE
Inventors: Horea-Stefan Culca
Original assignee: Kloeckner Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 1999-05-06

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Eingangsspannung von Netzteilen, die mit Wechselspannung versorgt werden.

Gemäß EN 61131 (6.3.7.3) werden Netzteile für speicherprogrammierbare Steuerungen oder dergleichen einer Unempfindlichkeitsprüfung unterzogen derart, daß bei Unterschreitung definierter Grenzwerte die Steuerung einen definierten Zustand einnehmen muß (z. B. Abschaltung). Umgekehrt muß die Steuerung bei der Rückkehr der Versorgungsspannung sicher einschalten. Hierfür ist eine sichere Erfassung des zu überwachenden Schwellwertes unerläßlich.

Bei herkömmlichen Netzteilen wird die Versorgungsspannung der Netzteile in der Regel nach erfolgter Gleichrichtung und Glättung abgegriffen und überwacht (siehe hierzu Fig. 1 Punkt a und b) und der Zentraleinheit ein Signal gegeben, sobald eine bestimmte Spannungsschwelle unter- bzw. überschritten worden ist. Insbesondere bei Netzteilen für Kleinsteuerungen und Logikrelais, wo aufgrund des zur Verfügung stehenden Einbauplatzes und der Kosten keine großen Glättungskondensatoren eingesetzt werden können, ist diese Methode nur unzureichend wirksam. Bei großen Stromverbrauchsunterschieden aufgrund unterschiedlicher Anzahl von ein- oder ausgeschalteten Ausgängen (i.d.R. Relaisausgänge mit entsprechend hohem Stromverbrauch) kommt es bei der herkömmlichen Methode zu dem Problem, daß ab einer bestimmten Last kein definiertes Ein- bzw. Abschalten mehr gewährleistet ist. So wird z. B. beim Einschalten der Versorgungsspannung bei Überschreitung der Einschaltschwelle und bei Zuschaltung von Ausgängen die Glättung der Versorgungsspannung derart verschlechtert, daß der Schwellenwert wieder unterschritten wird, die Ausgänge dann ausgeschaltet werden, die Last absinkt und die Glättung wieder verbessert wird, wodurch die Schwelle dann wieder überschritten wird und die Ausgänge wieder eingeschaltet werden u.s.w. . Dieses Spiel wiederholt sich dann, bis die Versorgungsspannung wieder einen ausreichenden Abstand zum entsprechenden Schwellenwert aufweist oder eine geringere Last vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, wodurch eine zuverlässige und schnelle Erfassung einer Unter- oder Überschreitung eines definierten Amplitudenschwellenwertes der Versorgungsspannung für Netzteile erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dabei wird erfindungsgemäß durch das Erfassen des Nulldurchgangs, eines Referenzsignals mit vorzugsweise gleicher Frequenz wie das zu überwachende Signal, stets der Scheitelpunkt der zu überwachenden Signalhalbwelle erfaßt, mit einem Schwellwert verglichen und bei Unterschreitung dieses Schwellwertes ein Auslösesignal erzeugt. Vorzugsweise dienen die bei der Nulldurchgangsüberwachung gewonnen Signale der Interrupterzeugung für einen Mikroprozessor und werden von diesem weiterverarbeitet. Durch die direkte Überwachung der ursprünglichen, wechselspannungsförmigen Versorgungsspannung, wird eine zuverlässige Überwachung und ein definiertes Ein- oder Ausschalten der Versorgungsspannung unabhängig von der ausgangsseitigen Last gewährleistet.

Weitere Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden

Figurenbeschreibung enthalten. Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Ausführung einer Schaltungsanordnung zur Überwachung der Versorgungsspannung für ein Netzteil, und

Fig. 2 Zustandsdiagramme verschiedener Eingangs-, Zwischen- und Ausgangssignale der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt ein Netzteil 2 zur Stromversorgung eines Verbrauchers und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Überwachung eines definierten Schwellenwertes L der Versorgungsspannung des Netzgerätes 2.

Die dargestellte Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einer Serienschaltung mit einem Gleichrichter 4, einem Tiefsetzer 6 und einem Komparator 8. Dabei ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Gleichrichter 4 in Form einer Diode ausgebildet, wobei diese mit ihrer Anode mit der Versorgungsspannung (Verbindung zu L1) beaufschlagt ist und mit ihrer Kathode einen in Form eines aus zwei Widerständen R1, R2 bestehenden Spannungsteiler versorgt. Der nachgeschaltete Komparator 8, der auf einem ersten Eingang mit einem definierbaren Schwellenwert beschaltet ist, wird auf einem zweiten Eingang (Vergleichseingang) mit dem zwischen R1 und R2 liegenden Abgriff beschaltet. Der Ausgang des Komparators 8 ist mit dem zustandsgesteuerten Eingang eines flankengesteuerten Flip-Flops 14 verbunden.

Ferner weist die Schaltungsanordnung einen Nulldurchgangsdetektor 10, und eine Verzögerungsstufe 12 auf. Dabei ist der Nulldurchgangsdetektor 10 mit seinem Überwachungseingang mit einem Referenzsignal (hier die Versorgungsspannung L1) verbunden. Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 10 geht auf den Eingang einer Verzögerungsstufe 12, die wiederum mit ihrem Ausgang mit dem flankengesteuerten Eingang des Flip-Flops 14 verbunden ist.

Zur Überwachung der Versorgungsspannung von Netzteilen mit Wechselspannungsversorgung findet ferner ein erfindungsgemäßes Verfahren seine Anwendung. Da insbesondere der Komparator 8 aufgrund seiner Beschaffenheit keine derart hohen negativen Signale verträgt, werden in einem ersten Schritt mit Hilfe des Gleichrichters 4 die negativen Halbwellen der Versorgungsspannung eliminiert. In der angegebenen Schaltungsanordnung findet als Komparator 8 z. B. ein C-MOS-Gatter vom Typ HC Verwendung. Dabei ist der Vergleichs-Schwellenwert L mit der halben Versorgungsspannung des C-MOS-Gatters, hier z. B. 5V/2 = 2,5V, vorgegeben. Die jeweils erforderlichen Schwellenwerte der äquivalenten wechselspannungsförmigen Amplituden der Versorgungsspannung werden durch das entsprechende Spannungsteilerverhältnis des Tiefsetzers 6 realisiert. In Abhängigkeit von einer Unter- oder Überschreitung des definierten Schwellenwertes L wird so am Ausgang des Komparators 8 ein erstes binäres Signal S₁ erzeugt, welches auf den zustandsgesteuerten Eingang des Flip-Flops 14 geschaltet wird. Im dargestellten Beispiel findet ein flankengesteuertes D-Flip-Flop Verwendung, wobei das Ausgangssignal des Komparators 8 auf den D-Eingang des D-Flip-Flops geschaltet wird. Der flankengesteuerte T-Eingang des Flip-Flops 14 wird durch das von dem Nulldurchgangsdetektor 10 und der anschließenden Verzögerungsstufe 12 gebildete Signal belegt. Dabei überwacht der Nulldurchgangsdetektor 10 ein Referenzsignal vorzugsweise gleicher Phase und Frequenz wie die zu überwachende Versorgungsspannung und bildet durch die Erfassung jedes Nulldurchgangs ein zweites binäres Signal S₂ Das Signal S₂ wird anschließend durch die Verzögerungsstufe 12 um eine Verzögerungszeit T_v derart verzögert, daß im Zeitpunkt des jeweiligen Scheitelpunktes der Versorgungsspannungsamplituden ein Zustandswechsel (Flankensignal) erfolgt und so ein drittes binäres Signal S₃ gebildet wird. Dabei beträgt die Verzögerungszeit vorzugsweise ein Viertel der Periodendauer T des Referenzsignals. An Hand der am Ausgang des Komparators 8 und der Verzögerungsstufe 12 gebildeten Signale S₁ und S₃ wird das Flip-Flop 14 beschaltet und ein viertes binäres Signal S₄ gebildet. Das Signal S₄ bildet dann das Entscheidungsmerkmal, ob der Schwellenwert L unter- oder überschritten ist. Entsprechende Schaltvorgänge oder Maßnahmen können an dieser Stelle mit Hilfe des Signals S₄ eingeleitet werden. In einer bevorzugten Ausführung der Schaltungsanordnung werden zumindest die Verzögerungsstufe 12 und das Flip- Flop 14 innerhalb eines Mikroprozessors, in der Form von Hard- und/oder Software, realisiert.

Mit Vorteil werden der Gleichrichter 4 mit dem Komparator 8 einerseits und der Nulldurchgangsdetektor 10 andererseits jeweils in einem C-MOS-Gatter realisiert, wobei vorzugsweise die integrierten Schutzdioden des C-MOS-Gatters zur Realisierung des Gleichrichters 4 zweckentfremdet werden, so daß sie Gleichrichterfunktion haben. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, wie in Fig. 2 dargestellt, den Gleichrichter 4 in Serie vor den Tiefsetzer 6 zu schalten. Hierbei wird der Gleichrichter 4 dann parallel zu dem mit Massepotential verbundenen Widerstand des Tiefsetzers 6 geschaltet, wobei der Gleichrichter 4 mit seiner Anode ebenfalls mit Massepotential und mit seiner Kathode mit dem Verbindungspunkt des Tiefsetzers 6 und dem Vergleichseingang des nachfolgenden Komparator 8 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform fällt der Gleichrichter 4 an der in der Fig. 1 dargestellten Stelle dann weg (nicht dargestellt). Mit Vorteil findet bei allen beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine zusätzliche Schutzbeschaltung gegen eine zu hohe Eingangsspannung (Eingangsspannung < Versorgungsspannung des Komparators 8) Verwendung. Hierfür wird vorzugsweise eine weitere Diode mit ihrer Anode mit dem Eingang des Komparators 8 und mit ihrer Kathode mit dem positiven Versorgungsanschluß des Komparators 8 verbunden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist sowohl die Diode zur Gleichrichtung (Gleichrichter 4) als auch die Diode zum Überspannungsschutz (nicht dargestellt) in den C-MOS- Komparator 8 integriert.

Der zuvor erwähnte Nulldurchgangsdetektor 10 ist i.w. äquivalent zu der aus Gleichrichter 4, Tiefsetzer 6 und Komparator 8 bestehenden Eingangsschaltung aufgebaut. Im Unterschied zu dieser ist der beim Nulldurchgangsdetektor 10 verwendete Tiefsetzer 6 derart dimensioniert, daß das (Spannungs-)Teilerverhältnis für den Eingang des Komparators nahezu 1 : 1 beträgt der mit Massepotential verbundene Widerstand R2 sehr groß gewählt oder gar weggelassen wird. Falls der entsprechende Mikroprozessor C-MOS-Eingänge mit integrierten Schutzdioden aufweist, ist es denkbar auf die separaten C-MOS HC-Inverter zu verzichten und die Komparatoren 8 und den Nulldurchgangsdetektor 10 mit den integrierten Mitteln des Mikroprozessors zu realisieren.

In der Fig. 2 sind die in der Schaltungsanordnung gebildeten Signale S₁-S₄, sowie eine zu überwachende wechselspannungsförmige Versorgungsspannung für Netzteile, in zeitlicher Abfolge dargestellt. Dabei ist veranschaulicht, das oberhalb des Schwellenwertes L, der zu überwachenden Versorgungsspannung, am Ausgang des Komparators 8 das Signal S₁ erzeugt wird, zeitgleich hierzu, durch das Signal S₃ im Scheitelpunkt des Referenzsignals, eine Flanke - zur Abfrage des Zustands am Komparatorausgang - erzeugt wird und so das vierte Signal S₄ gebildet wird. Dieses Signal kann dann für ein Verwendung finden, um bei Unter- oder Überschreitung definierter Schwellenwerte der Versorgungsschaltung sichere Schaltzustände zu gewährleisten und/oder entsprechende Zustände zu signalisieren (Ausgabe von Warnungen).

Claims

1. Verfahren zur Überwachung der Eingangsspannung von Netzteilen mit Wechselspannungsversorgung, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Eliminieren negativer Halbwellen der Versorgungsspannung,
b) Tiefsetzen der verbleibenden positiven Halbwellen der Versorgungsspannung,
c) Prüfen, ob der Wert der tiefgesetzten Halbwellen der Versorgungsspannung über oder unter dem Schwellenwert (L) liegt und in Abhängigkeit davon, Erzeugen eines ersten binären Signals (S₁),
d) zeitgleich zu den Schritten a) bis c) Überwachen der Nulldurchgänge eines wechselspannungsförmigen Referenzsignals und in Abhängigkeit davon, Erzeugen eines zweiten binären Signals (S₂),
e) Erzeugen eines dritten Signals (S₃) durch Verzögern des zweiten Signals (S₂) um eine definierte Verzögerungszeit (T_v) derart, daß im Zeitpunkt des jeweiligen Scheitelpunktes der positiven Halbwellen der Versorgungsspannung ein Zustandswechsel des dritten Signals (S₃) erfolgt, und
f) Entscheiden, ob der Wert der positiven Halbwelle der Versorgungsspannung über oder unter dem definierten Schwellenwert (L) liegt, wobei durch Auswertung des ersten Signals (S₁) im Zeitpunkt des Zustandswechsels des dritten Signals (S₃) ein viertes binäres Signal (S₄) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselspannungsförmige Versorgungsspannung und das Referenzsignal phasengleich sind und die Verzögerungszeit (T_v) ein Viertel der Periodendauer (T) des Referenzsignals beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselspannungsförmige Versorgungsspannung das Referenzsignal bildet und die Verzögerungszeit (T_v) ein Viertel der Periodendauer (T) des Referenzsignals beträgt.

4. Schaltungsanordnung zur Überwachung der Eingangsspannung von Netzteilen mit Wechselspannungsversorgung, mit

- einer Serienschaltung mit einem Gleichrichter (4), einem Tiefsetzer (6) und einem Komparator (8), wobei der Gleichrichter (4) mit seiner Anode an der Versorgungsspannung liegt und seine Kathode den aus mindestens zwei Widerständen (R1, R2) bestehenden, zwischen der Anode des Gleichrichters (4) und Massepotential angeordneten Tiefsetzer (6) speist und der Abgriff des Tiefsetzers (6) mit dem Vergleichseingang des Komparators (8) verbunden ist, so daß am Komparatorausgang ein erstes binäres Signal (S₁) erzeugt wird,
- einem Nulldurchgangsdetektor (10) dessen Überwachungseingang mit einem Referenzsignal beschaltet ist zur Bildung eines zweiten binären Signals (S₂),
- einer dem Nulldurchgangsdetektor (10) nachgeschalteten Verzögerungsstufe (12) zur Bildung eines zeitlich begrenzten dritten binären Signals (S₃),
- mindestens einem flankengesteuerten Flip-Flop (14),
- wobei der Komparatorausgang mit einem zustandsgesteuerten Eingang des Flip-Flops (14) und der Ausgang der Verzögerungsstufe (12) mit einem flankengesteuerten Eingang des Flip-Flops (14) verbunden ist derart, daß ein zustandsunterscheidendes viertes Signal (S₄) am Ausgang des Flip-Flops (14) erzeugt wird.

5. Schaltungsanordnung zur Überwachung der Eingangsspannung von Netzteilen mit Wechselspannungsversorgung, mit

- einem zwischen Versorgungsspannung und Massepotential angeordneten Tiefsetzer (6), einem parallel zu dem mit Massepotential verbundenen Widerstand des Tiefsetzers (6) angeordneten Gleichrichter (4), wobei der Gleichrichter (4) mit seiner Anode auf Massepotential liegt und einem nachgeschalteten Komparator (8) dessen Vergleichseingang mit dem Verbindungspunkt der Kathode des Gleichrichters (4) beschaltet ist, wobei am Komparatorausgang ein erstes binäres Signal (S₁) erzeugt wird,
- einem Nulldurchgangsdetektor (10) dessen Überwachungseingang mit einem Referenzsignal beschaltet ist zur Bildung eines zweiten binären Signals (S₂),
- einer dem Nulldurchgangsdetektor (10) nachgeschalteten Verzögerungsstufe (12) zur Bildung eines zeitlich begrenzten dritten binären Signals (S₃),
- mindestens einem flankengesteuerten Flip-Flop (14),
- wobei der Komparatorausgang mit einem zustandsgesteuerten Eingang des Flip-Flops (14) und der Ausgang der Verzögerungsstufe (12) mit einem flankengesteuerten Eingang des Flip-Flops (14) verbunden ist derart, daß ein zustandsunterscheidendes viertes Signal (S₄) am Ausgang des Flip-Flops (14) erzeugt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das/jedes Flip-Flop (14) durch Software innerhalb eines Mikrokontrollers realisiert wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsstufe (12) durch Software innerhalb eines Mikrokontrollers realisiert wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schaltungsanordnung ohne Tiefsetzer (6) innerhalb eines Mikrokontrollers realisiert wird.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flip-Flop (14) ein D-Flip-Flop ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (4) und der Komparator (8) in einem C-MOS-Gatter realisiert sind, wobei eine der integrierten Schutzdioden als Gleichrichter (4) verwendet wird.