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Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Steuerstromkreises
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der in den
Oberbegriffen der Ansprüche 1 bis 4 angegebenen Art.
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Eine derartige Schaltungsanordnung wurde im Hauptpatent bereits vorgeschlagen.
Hierbei ist es erforderlich, daß der höhere Spannungswert, auf den die Gleichspannung
umschaltbar ist, um den steuernden Gleichstrom zu treiben, um die Zenerspannung
der mit der gesteuerten Vprrichtung in Reihe geschalteten Zenerdiode höher ist als
die zur Steuerung der Vorrichtung erforde,rliche Spannung. Obliche Gleichspannungsquellen
haben jedoch eine Leerlaufspannung,die nur geringfügig höher ist als die
zur
Steuerung der gesteuerten Vorrichtung erforderliche Spannung, so daß bei der vorgeschlagenen
Schaltungsanordnung entweder eine Spannungsquelle mit besonders hoher Spannung oder
aber eine Vorrichtung verwendet werden muß, bei der die zur Steuerung ausreichende
Spannung geringer als üblich ist.
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In beiden Fällen müssen die nicht dem Üblichen entsprechenden Teile
gesondert hergestellt werden.
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Den in den Ansprüchen 1 bis 4 angegebenen Lösungsmöglichkeiten gemäß
der Erfindung liegt die gemeinsame Aufgabe zugrunde, mit einem Spannungswert der
den steuernden Gleichstrom teibenden Gleichspannungsquelle auszukommen, der annähernd
der zur Steuerung der gesteuerten Vorrichtung erforderlichen Spannung gleicht.
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Den Lösungsmöglichkeiten der Ansprüche 1 bis 3 liegt der gemeinsame
Lösungsgedanke zugrunde, nach der Umschaltung der Gleichspannung auf den gegenüber
dem Ruhezustand höheren Spannungswert die an der mit der gesteuerten Vorrichtung
in Reihe geschalteten Zenerdiode oder einem anderen vorgesehenen Schaltungselement
abfallende Spannung zumindest annähernd zu Null zu machen.
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Bei der Lösungsmöglichkeit gemäß Anspruch 1 wird die Zenerdiode nach
der Umschaltung auf den höheren Spannungswert durch die dann leitend geschaltete
Schalt strecke einer Schaltvorrichtung überbrückt und aus dem Stromkreis genommen.
Bei der Lösungsmöglichkeit gemäß Anspruch 2 wird durch das elektrische Verhalten
der Vierschichtdiode oder der äquivalenten Transistorschaltung die an ihr abfallende
Spannung nach der Umschaltung auf den höheren Spannungswert bis auf eine gegenüber
der ZUndspannung geringe Durchlaßspannung verringert. Gleiches gilt bei der Verwendung
eines Thyristors oder der Reihenschaltung gemäß Anspruch 3 bzw. 4. In allen
Fällen
steht damit derhöhere Spannungswert, auf den die speisende Gleichspannung umschaltbar
ist, praktisch ungeschmälert als Steuerspannung für die zu steuernde Vorrichtung
zur Verfügung.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert,
in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung mit einer in Reihe zur gesteuerten Vorrichtung geschalteten
Zenerdiode; Fig. 2 und 3 mögliche Abwandlungen der Schaltungsanordnung gemäß Fig.
1; Fig. 4 bis 6 weitere Abwandlungen der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, wobei
mit der zu steuerenden Vorrichtung eine Vierschichtdiode oder eine äquivalente Transistorschaltung
in Reihe geschaltet ist; Fig. 7 eine andere mögliche Abwandlung der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 1, wobei mit der zu steuernden Vorrichtung ein Thyristor in Reihe geschaltet
ist; Fig. 8 und 9 weitere Abwandlungen der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, wobei
mit der zu steuernden Vorrichtung die Schaltstrecke einer Schaltvorrichtung in Reihe
liegt.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung dient zur Steuerung
einer mittels Gleichstrom steuerbaren Vorrichtung 10, beispielsweise einer Hupe.
Die Vorrichtung 10 ist über eine zweidrähtige Zuleitung 14 mit einer Zentrale Z
verbunden, von der aus die Steuerung der Vorrichtung 10 erfolgt. In der Zentrale
Z ist eine nicht gezeigte Gleichspannungsquelle mit einer Nenneprnnung von
12
V vorgesehen, die der zur Steuerung der Vorrichtung 10 erforderlichen Spannung gleicht.
An die Spannungsquelle ist eine Brückenschaltung mit ihrer Speisediagonalen angeschlossen.
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Eine Seite der Brückenschaltung wird von zwei in Reihe geschalteten
Widerständen 15, 17 gebildet, Ein Zweig der anderen Seite der Brückenschaltung ist
ebenfalls von einem Widerstand 19 gebildet,und den restlichen, in Reihe mit dem
Widerstand 19 liegenden Zweig der Brückenschaltung stellt diejenige Schleife dar,
die von der Zuleitung 14 und der an sie angeschlossenen Vorrichtung 10 gebildet
wird. Die Meßdiagonale der Brücke liegt zwischen dem Verbindungspunkt 21 der Widerstände
15, 17 einerseits und dem Verbindungspunkt 23 des Widerstands 19 und der Zuleitung
14 andererseits. An die Meßdiagonale ist über einen Operationsverstärker 25 eine
Auswerteschaltung 27 angeschlossen.
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Fällt das Potential des Verbindungspunktes 23 gegenüber dem Ruhezustand
aufgrund eines Kurzschlusses ab, so wird eine den Kurzschluß anzeigende optische
Anzeigevorrichtung 29 eingeschaltet. Steigt das Potential des Verbindungspunktes
23 gegenüber dem Ruhezustand ant ohne daß eine Steuerung der Vorrichtung 10 vorliegt,
so liegt eine Unterbrechung der Leitung 14 oder der Vorrichtung 10 vor, die mittels
einer optischen Anzeigevorrichtung 31 angezeigt wird.
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Die eine Ader 36 der Zuleitung 14 ist über einen mittels eines Schlosses
38 verriegelbaren und mittels eines Schlüssels zu betätigenden Schalter 40 der in
der Zentrale Z angeordnet ist, mit'dem Verbindungspunkt 23 sowie unmittelbar mit
einem Anschluß der Vorrichtung 10 verbunden. Die andere Ader 42 der Zuleitung 14
ist in der Zentrale Z geerdet. Zwischen den der Ader 36 abgewandten Anschluß der
Vorrichtung 10 und die Ader 42 ist eine Zenerdiode 52 geschaltet. Weiter ist in
räumlicher Nähe der Vorrichtung 10 ein
Relais vorgesehen, dessen
Relaisspule 33 zwischen die Adern 36, 42 und damit parallel zur Reihenschaltung
der Vorrichtung 10 und der Zenerdiode 52 geschaltet ist, und das einen Kontakt 35
aufweist, der parallel zur Zenerdiode geschaltet ist.
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Die Zenerdiode 52 hat eine Zenerspannung, die geringer ist als die
Spannung von 12 V der die Brückenschaltung in der Zentrale Z speisenden Spannungsquelle.
Im Ruhezustand verbindet der Widerstand 19 die Ader 36 der Zuleitung 14 mit der
Spannungsquelle.
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Hierdurch fließt ein Ruhestrom über den Widerstand 19, den normalerweise
geschlossenen Schalter 40* die Ader 36, die Vorrichtung 10, die Zenerdiode 52 und
die Ader 42 zum Masseanschluß der Spannungsquelle. Außer über die Vorrichtung 10
und die bezüglich des Ruhestroms in Sperrichtung geschaltete Zenerdiode 52 fließt
auch ein geringer Anteil des Ruhestroms über die Relaisspule 33, jedoch wird diese
zweckmäßig sehrhachohmig gemacht.
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Der Widerstandswert des Widerstands 19 ist so hoch gewählt, daß beim
Fließen des Ruhestroms die zwischen dem Verbindungspunkt 23 und Masse und damit
zwischen den Adern 36, 42 der Zuleitung 14 liegende Spannung geringer ist als die
Zenerspannung der Zenerdiode 52.
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Zur Steuerung der Vorrichtung 10 ist ein Signalgeber 18 vorgesehen.
Dieser wird seinerseits in nicht dargestellter Weise von Signalen angesteuert, die
allein oder in Verknüpfung miteinander eine Betätigung der Vorrichtung 10 bedingen.
Der Signalgeber 18 schließt zur Steuerung der Vorrichtung 10 einen parallel zum
Widerstand 19 geschalteten Schalter 20. Hierdurch wird die Spannung auf der Zuleitung
14 auf die volle Speisespannung von 12 V erhöht. Da diese höher liegt als die Zenerspannung
der Zenerdiode 52 wird letztere invers leitend, und
es kann ein
gegenüber dem Ruhe strom höherer Strom über die Vorrichtung 10 und die Zenerdiode
52 fließen. Dabei ist jedoch zunächst die Spannung an den Anschlüssen der Vorrichtung
10 um die Zenerspannung der Zenerdiode 52 geringer als die Speisespannung von 12
Vt und diese Spannung und der ihr entsprechende Strom reichen noch echt zur Steuerung
der Vorrichtung 10 aus. Beim Anlegen der Speisespannung an die Zuleitung 14 fließt
nun jedoch auch ein genügend großer Strom über die Relaisspule 33, um den im Ruhezustand
offenen Schalter 35 zu schließen. Hierdurch wird die Zenerdiode 52 kurzgeschlossen,
wodurch nun die volle Speisespannung zur Steuerung der Vorrichtung 10 zur Verfügung
steht.
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Gemäß Fig. 2 kann die Relaisspule 33 auch ausschließlich der Vorrichtung
10 parallel geschaltet sein. Hierbei fließt dann der Ruhestrom nur über die Zenerdiode
52, die den Ruhestrom mit ihrem Sperrwiderstand zusammen mit dem Widerstand 19 im
wesentlichen bestimmt; der Widerstandswert des Innenwiderstands der Vorrichtung
10 ist gering gegenüber den Widerstandawerten des Widerstands 1% des Sperrwiderstands
der Zenerdiode 52 und der Relaisspule 33. Allerdings ist es hier und bei den im
folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen zweckmäßig> in der Zentrale Z zwischen
den Verbindungspunkt 23 und Masse, also zwischen die Adern 36, 42 der Zuleitung
14, einen zusätzlichen ohmschen Widerstand 37 zu schalten, um mit Sicherheit das
Auftreten einer oberhalb der Zenerspannung der Zenerdiode 52 liegenden Spannung
zwischen den Adern 36, 42 im Ruhe zustand zu verhindern.
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Bei der in Fig. 3 gezeigten Abwandlungsmoglichkeit ist als Schaltvorrichtung
ein Thyristor 39 vorgesehen der mit seiner bezüglich des Ruhestroms in Leitrichtung
gepolten jedoch im
Ruhezustand nicht leitenden Hauptstromstrecke
der Zenerdiode 52 parallel geschaltet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Steuerelektrode
des Thyristors 39 über einen Kondensator 41 mit dem mit der Ader 36 verbundenen
Anschluß der Vorrichtung 10 verbunden. Beim Schließen des Schalters 20 (Fig. 1)
und der hierdurch erfolgenden Spannungserhöhung fließt über den Kondensator 41 ein
Ladestrom, der den Thyristor 39 zündet worauf die Zenerdiode 52 kurzgeschlossen
wird.
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Abweichend von den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist
es ebenfalls möglich, die Steuerstrecke der zum Abschalten der Zenerdiode 52 vorgesehenen
Schaltvorrichtung ebenso wie die Schalt strecke der Zenerdiode 52 parallel zu schalten,
wenn die Schaltvorrichtung beispielsweise als Thyristor selbsthaltend ausgebildet
ist. So wäre es beispielsweise dann, wenn durch die Bemessung des Widerstands 37
(Fig. 1) im Ruhezustand dafür gesorgt wird> daß die Spannung auf der Zuleitung
14 um mehere Volt niedriger ist als die Zenerspannung der Zenerdiode 52, ebenfalls
möglich, die Steuerelektrode des Thyristors 39 in Fig. 3 ggf. über einen Vorwiderstand
mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Vorrichtung 1oder Zenerdiode 52 und des
Thyristors 39 zu verbinden. Zweckmäßig wird dabei der Steuerelektroden-Kathoden-Strecke
des Thyristors 39 ein Kondensator parallel geschaltet, der bei geringfügigen Anderungen
der an der Zenerdiode 52 abfallenden, gegenüber der Zenerspannung geringeren Spannung
aufgrund von Ruhestromschwankungen sowie beim Einschalten des Ruhestroms eine unerwünschte
Zündung des Thyristors 39 verhindert.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Lösung ist anstelle einer Zenerdiode mit
der Vorrichtung 10 eine bezüglich des Ruhestroms in Leitrichtung gepolte Vierschichtdiode
43 in Reihe geschaltet.
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Dies hat zunächst den Vorteil, daß der Ruhestrom von der Vierschichtdiode
43 relativ ikonstant gehalten wird> da der Vorwärtsstrom einer nicht gezündeten
Vierschichtdiode unterhalb der Zündspannung über einen relativ großen Spannungsbereich
einen konstanten, geringen Wert hat. Die Zündspannung der Vierschichtdiode 43 ist
entsprechend der Zenerspannung der Zenerdiode 52 (Fig. 1 bis 3) so bemessen, daß
sie höher als die beim Fließen des Ruhestroms an der Zuleitung 14 liegende Spannung
und geringer als die Speisespannung von 12 V ist. Wird der Schalter 20 in der Zentrale
Z (Fig. 1) geschlossen, so erreicht die an der Vierschicht-?; diode 43 liegende
Spannung die ZUndæpannung, worauf die Visschichtdiode 43 zündet und der Spannungsabfall
an ihr auf eine geringe Durchlaßspannung in der Größenordnung von 0>5 V bis 0,8
V zurückgeht. Auch hierdurch steht dann fast die gesamte Speisespannung zur Steuerung
der Vorrichtung 10 zur Verfügung.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist die Vierschichtdiode 43
(Fig. 4) durch eine äquivalente Transistorschaltung 43 ersetzt.
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Diese umfaßt einen Leistungstransistor 45 der in Reihe mit einem Rückkopplungswiderstand
47 7 zwischen Anodenpunkt A und Kathodenpunkt K der Ersatzschaltung geschaltet ist,
einen Steuertransistor 49, dessen Hauptstromstrecke zwischen die Basis des Leistungtransistors
45 und den Kathodenpunkt K geschaltet und dessen Basis an den Verbindungspunkt von
Leistungstransistor 45 und Rückkopplungswiderstand 47 angeschlossen ist, sowie eine
Zenerdiode 51, die in Sperrichtung parallel zur Hauptstromstrecke des Leistungstransistors
45 geschaltet ist. Bei unterhalb einer
Zündspannung liegenden Spannungen
zwischen Anodenpunkt A und Kathodenpunkt K sind Leistungstransistor 45, Steuertransistor
49 und Zenerdiode 51 nicht leitend. Wird die Spannung über die Zündspannung hinaus
erhöht, so wird die Zenerspannung der Zenerdiode 51 überschritten, wodurch ein kleiner
Basisstrom zum Steuertransstor 49 fließt. Er erzeugt einen verstärkten Kollektorstrom
und damit einen Basisstrom« des Leistungstransistors 45,den dieser verstärkt Wegen
der durch den Rückkopplungswiderstand 47 erzielten Stromgegenkopplung erhöht sich
hierdurch die Spannung der Basis des Steuertransistors 59, und sein Basisstrom nimmt
weiter zu. Insgesamt wird so eine Mitkopplung zwischen dem Steuertransistor 49 und
dem Leistungstransistor 45 erzielt, durch den diese bei der Zündspannung sprungartig
leitend werden. Die Ersatzschaltung wird wie eine Vierschichtdiode erst dann wieder
nichtleitend, wenn der Anodenstrom unter einen geringen Haltestrom abgesunken ist.
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Die Vierschichtdiode 43 in Fig. 4 kann auch unterhalb ihrer Zündspannung
dadurch gezündet werden, daß die Anodenspannung sehr rasch ansteigt. Dieser Rateeffekt
wäre im vorliegenden Anwendungsfall unerwünscht. Man wird daher durch Bemessung
des Widerstands 37 (Fig. 1) die im Ruhezustand an der Zuleitung 14 liegende Spannung
genügend klein gegenüber der Zündspannung der Vierschichtdiode 43 wählen um bei
der Einschaltung des Ruhestroms eine Zündung zu vermeiden. Ebenfalls wäre es möglich,
für einen langsamen Anstieg des Ruhestroms nach dem Einschalten beispielsweise dadurch
zu sorgen, daß dem Widerstand 37 in Fig. 1 ein Kondensator parallel geschaltet wird.
Bei der Transistor-Ersatzschaltung 43 in Fig. 5 ist ein Rateeffekt kaum zu befürchten.
Trotzdem kann sicherheitshalber zum Schutz gegen Spannungsschwankungen, die in dz
nähe der Zündspannung der Ersatzschaltung 43' führen, dem Rückkopplungswiderstand
47
ein Kondensator 53 parallel geschaltet sein.
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Obwohl bei der Vierschichtdiode 43 und deren Ersatzschaltung 43' in
Fig. 4 und 5 die Durchlaßspannung nach dem Z<lnden gering ist, kann doch gewünschtenfalls
ähnlich wie in Fig. 1 ds 3 die verbleibende Durchlaßspannung durch eine zusätzliche
Schaltvorrichtung zu Null gemacht werden, deren Schaltstrecke der Vierschichtdiode
43 bzw. deren Ersatzschaltung 43' parallel geschaltet ist.
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Bei Parallelschaltung zur Ersatzschaltung 43' in Fig. 5 kann die Schaltvorrichtung
von der am Rückkopplungswiderstand 47 nach dem Zünden abfallenden Spannung gesteuert
werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt.
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In Fig. 6 ist ein Thyristor 55 mit seiner Hauptstromstrecke der Ersatzschaltung
43' parallel geschaltet. Seine Zündelektrode ist mit dem Verbindungspunkt von Leistungstransistor
45 und Rückkopplungswiderstand 47' verbunden; der Rückkopplungswiderstand 472 hat
einen gegenüber dem für die Funktion der Ersatzschaltung erforderlichen geringen
Wert und gegenüber dem entsprechend bemessenen Wert des Rückkopplungswiderstands
47 in Fig. 5 höheren Wert, um eine beim ZUnden der Ersatzschaltung 432 genügend
hohe Steuerspannung für den Thyristor 55 zu erzeugen. Der Kondensator 53 hat in
diesem Fall die zusätzliche Wirkung, kurze ZUndspannungsschwankungen des Thyristors
55 zu unterdrücken und diesen im Ruhezustand mit Sicherheit im nicht gezündeten
Zustand zu halten.
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Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit der Vorrichtung
10 anstelle einer Zenerdiode oder einer Vierschichtdiode ein Thyristor 57 in Reihe
geschaltet. Dieser ist bezüglich des
Ruhestroms in Leitrichtung
geschaltet, ist jedoch im Ruhezustand nicht gezündet. Seine geringe Leitfähigkeit
in Vorwärtsrichtung im nicht gezündeten Zustand reicht in einigen Anwendungsfällen
aus, einen zwar geringen, aber noch erfaßbaren Ruhestrom fließen zu lassen. In anderen
Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein wie im Ausführungsbeispiel dem Thyristor
57 einen hochohmigen Widerstand 59 parallel zu schalten. Die Steuerelektrode des
Thyristors 57 ist über einen Kondensator 61 mit dem dem Thyristor 57 abgewandten
Anschluß der Vorrichtung 10 verbunden. Beim Schließen des Schalters 20 (Fig. 1)
und dem hierdurch auftretenden Spannungssprung wird der Thyristor 57 ähnlich wie
der Thyristor 39 in Fig. 3 gezündet. Seine verbleibende Vorwärtsspannung ist dann
so gering, daß praktisch die gesamte Speisespannung für die Steuerung der Vorrichtung
10 zur Verfügung steht.
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Abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 könnten dem Thyristor
57 anstelle des Widerstands 59 auch Impedanzen anderer Art parallel geschaltet werden,
die zur Einstellung des Ruhestroms dienen. Verwendet man anstelle des Widerstands
59 eine hzüglich des Ruhestroms in Sperrichtung geschaltete Zenerdiode, so kommt
man wieder zum Auführüngsbeispiel gemäß Fig. 3, was die technische Verwandtschaft
der Lösungen zeigt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 könnte abweichend vom Dargestellten
der Thyristor 57, ähnlich wie dies für den Thyristor 39 in Fig. 3 beschrieben wurde,
auch von der an ihm selbst abfallenden Spannung gesteuert werden.
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Bei der in Fig. 8 dargestellten Abwandlungsmöglichkeit der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 1 liegt die Ader 36 nicht unmittelbar wie dort, sondern über einen im
Ruhezustand offenen Schalter 35 an einem Anschluß der Vorrichtung 10. Parallel zu
dieser Reihenschaltung ist die Relaisspule 33 zwischen die Adern 36, 42 geschaltet.
Spule 33 und von ihr betätigbarer Schalter 35 bilden gemeinsam eine Schaltvorrichtung
in Gestalt eines Relais, dessen Steuerstrecke zwischen,den Adern 36, 42 und dessen
Schaltstrecke in Reihe mit der Vorrichtung 10 liegen. Im Ruhezustand bestimmt der
zweckmäßig sehr hohe ohmsche Widerstand der Spule 33 (Eingangswiderstand der Steuerstrecke)
zusammen mit dem Widerstand 19 (Fig. 1) den Ruhestrom. Bei der Betätigung des Schalters
20 (Fig. 1) in der Zentrale Z spricht aufgrund der dann erhöhten Spannung von 12
V zwischen den Adern 36, 42 das Relais an, der Schalter 35 wird geschlossen, und
es liegt wieder die volle Speisespannung an der Vorrichtung 10, um diese zu steuern
bzw. zu betätigen.
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Fig. 9 ist gegenüber Fig. 8 dahingehend abgewandelt, daß anstelle
des Relais die Schaltvorrichtung ein elektronisches Schaltelement umfaßt, dessen
Steuerelektrode an eine zwischen die Adern 36, 42 geschaltete Auslöseschaltung angeschlossen
ist. Obwohl das genannte Schaltelement beispielsweise auch ein Transistor sein könnte,
ist es im Ausführungsbeispiel ein Thyristor 63, der mit seiner Schaltstrecke in
Reihe mit der Vorrichtung 10 liegt. Die Auslöseschaltung ist im Ausführungsbeispiel
eine Vierschichtdioden-Transistorersatzschaltung 43", die hinsichtlich Aufbau und
Wirkungsweise genau mit der
Ersatzschaltung 43' in Fig. 6 übereinstimmt.
Auch der parallel zu Steuerstrecke des Thyristors 63 geschaltete Kondensator 53'
entspricht dem Kondensator 53 in Fig. 6.
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In den Figuren 2 bis 9 dargestellte, nicht erwähnte Teile sind mit
den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Teilen vorangehender Figuren gleichartig.
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