DE3827758C2 - Einrichtung zur Überwachung einer vorgegebenen Stromstärke in mindestens einem elektrischen Leiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung einer vorgegebenen Stromstärke in mindestens einem elektrischen Leiter.

Üblicherweise wird zur Messung der Stromstärke in einem elektrischen Leiter in Serie zu einem Lastwiderstand ein Meßwiderstand in den Stromkreis eingefügt. An diesem Meßwiderstand fällt bei einem Stromfluß eine Meßspannung ab, die nach dem Ohmschen Gesetz proportional zur Stärke des in dem elektrischen Leiter fließenden Stromes ist. Bei diesem Meßverfahren wird in dem Meßwiderstand eine Verlustleistung umgesetzt, die dem System zusätzlich zugeführt werden muß. Ferner wird durch den in Serie zum Lastwiderstand angeordneten Meßwiderstand die am Lastwi­ derstand zur Verfügung stehende elektrische Spannung verringert. Schließlich besteht die Gefahr, daß der Meßwiderstand bei kurzgeschlossener Last zerstört wird, da in diesem Falle die im Meßwiderstand umgesetzte Verlustleistung sehr stark ansteigt. Diese Nachteile sind insbesondere bei elektrischen Anlagen von Kraft­ fahrzeugen, bei denen relativ hohe Ströme bei geringen Spannungen fließen, von besonderer Bedeutung.

Bei einer weiteren, aus der EP-A O 242 560 bekannten Einrichtung zur Messung des elektrischen Stromes in einem elektrischen Leiter ist ein den elektrischen Leiter umschließender Magnetkern mit einem Spalt vor­ gesehen, in welchem ein Magnetfeldsensor angeordnet ist. Dieser mißt den durch den elektrischen Strom im Leiter erzeugten magnetischen Fluß im Magnetkern und damit indirekt die Stärke des im elektrischen Leiter fließen­ den Stromes.

Da bei dieser bekannten Einrichtung der an sich schon teuere Magnetfeldsensor im Spalt des Magnetkernes verankert, beispielsweise verklebt werden muß, ist die bekannte Einrichtung für die Großserienfertigung zu aufwendig.

Aus der DE 23 00 802 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen von Gleichströmen und/oder Wechselströmen in Strom kreisen mit hohem Innenwiderstand beschrieben. Der zu messende Strom durchflutet einen geschlossenen Kern aus magnetisch sättigbarem Material. Der Kern ist mit einer Primärspule umgeben, die mit einer ansteuerbaren Stromquelle verbunden ist, welche einen linear mit der Zeit ansteigenden oder abfallen­ den Pumpstrom zur Verfügung stellt. Eine Sekundärspule ist mit einer Kom­ peratorschaltung verbunden, mittels der die Stromquelle derart umgesteuert werden kann, daß aus dem zeitlichen Mittelwert des Pumpstromes ein Maß für den zu messenden Strom bestimmt werden kann.

Der vorgenannte Gegenstand ist jedoch nicht unmittelbar als Überwa­ chungseinrichtung für einen Schwellwert, den der zu überwachende Strom unterschreitet, ausgebildet. Im übrigen ist die angegebene Schaltanordnung auch viel zu kompliziert für einen kostengünstig auszugestaltenden Serien­ einsatz.

In der Zeitschrift Frequenz 24, 1970, 3, Seiten 88 bis 96, ist in dem Artikel von Müller, G., "Die Eigenschaften einfacher Stromauswerteschaltungen mit Ringkernen" eine Indikatorschaltung mit einem Ringkern, einem Steuer­ stromkreis, einem Abfragestromkreis und einer Lesesignalwicklung be­ schrieben. Aus den allgemeinen Ausführungen ist jedoch keine Einrichtung der eingangs genannten Art zur Überwachung einer vorgegebenen Strom­ stärke beschrieben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Einrichtung eingangs genannter Art anzugeben, die eine verlustleistungsfreie Strommessung bei größtmöglichem Betriebsspannungsbereich ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dieser Einrichtung kann in einfacher Weise festgestellt werden, ob die Stromstärke in dem zu überwachenden Leiter einen vorgegebenen Wert über- bzw. unterschreitet.

Für den Fall, daß die Stromstärke in dem zu überwachen­ den Leiter einen vorgegebenen Wert unterschreitet, ist der weichmagnetische Ringkern magnetisch nicht ge­ sättigt. In diesem Falle ist zwischen der Primärspule und der Sekundärspule des Transformators eine magneti­ sche Kopplung gegeben. Wird nun unter diesen Vorausset­ zungen vom Wechselspannungsgenerator eine Wechselspan­ nung mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz an die Primärspule des Transformators angelegt, so erzeugt der in der Primärspule fließende Wechselstrom ein magneti­ sches Wechselfeld, das über den weichmagnetischen Ringkern gebündelt zur Sekundärspule des Transformators weitergeleitet wird. In dieser wird durch das elektro­ magnetische Wechselfeld eine Wechselspannung induziert, deren Amplitude und Frequenz von der Amplitude und von der Frequenz der vom Wechselspannungsgenerator an die Primärspule des Transformators angelegten Wechselspan­ nung abhängt. Diese in der Sekundärspule des Transfor­ mators induzierte Wechselspannung wird der Auswerteein­ heit zugeführt. Wenn diese bei eingeschaltetem Wechsel­ spannungsgenerator, d. h. bei aktivierter Überwachungs­ einrichtung das Anliegen eines Wechselspannungssignals feststellt, so bedeutet dies, daß die Stromstärke in dem zu überwachenden elektrischen Leiter einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

Wird dagegen bei eingeschaltetem Wechselspannungsgene­ rator, d. h. aktivierter Überwachungseinrichtung in der Auswerteeinheit keine Wechselspannung registriert, dann bedeutet dies, daß die Stromstärke in dem zu überwachen­ den Leiter einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei der dann vorliegenden Stromstärke im elektrischen Leiter der weichmagnetische Ringkern magnetisch gesättigt ist und dadurch zwischen der Primärspule und der Sekundärspule des Transformators keine magnetische Kopplung gegeben ist. Diese Abnahme der Kopplungswirkung des weichmagnetischen Ringkernes ab einer vorgegebenen Stromstärke im zu überwachenden Leiter ist darauf zurückzuführen, daß die relative Permeabilität des Ringkernmaterials nicht konstant ist, sondern sehr stark von der magnetischen Feldstärke abhängt. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, wird die magnetische Flußdichte bzw. Induktion B ab einer be­ stimmten Größe des magnetischen Feldes bei weiterer Erhöhung der Feldstärke H nicht mehr größer, da die Sättigungsinduktion B_S erreicht ist. Wenn der weich­ magnetische Ringkern magnetisch gesättigt ist, dann kann das in der Primärspule bei angelegter Wechselspannung erzeugte elektromagnetische Feld nicht mehr zur Sekun­ därspule des Transformators übertragen werden, da sich die magnetische Flußdichte nicht mehr ändert, wenn sich die magnetische Feldstärke ändert.

Bei Kenntnis der magnetischen Eigenschaften des verwen­ deten Ringkerns kann die Anzahl der den Ringkern umge­ benden Windungen des zu überwachenden Leiters so gewählt werden, daß bei einer vorgegebenen Stromstärke ein an der Primärwicklung des Transformators anliegendes Wechselsignal nicht mehr zur Sekundärwicklung und damit zur Auswerteeinheit übertragen wird. Wenn also die Übertragung des Wechselsignals von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung des Transformators unterbunden wird, dann bedeutet dies, daß die Stromstärke in dem zu überwachenden Leiter einen vorgegebenen Wert überschrei­ tet. Wenn dagegen eine Übertragung des Wechselsignals von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung des Trans­ formators stattfinden kann, dann bedeutet dies, daß die Stromstärke in dem zu überwachenden elektrischen Leiter den vorgegebenen Wert unterschreitet. Auf diese Weise kann die Stromstärke in einem elektrischen Leiter in einfacher Weise unter Vermeidung der eingangs genannten Nachteile der bekannten Einrichtungen überwacht werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht der Ringkern aus einem Ferritmaterial oder einem amorphen Metall. Derartige Materialien haben die Eigenschaft, das Magnetfeld zu bündeln. Dadurch wird das Streufeld, d. h. der Teil des magnetischen Feldes, der keine Auswirkung auf die Induktion in der Sekundärspule hat, kleinge­ halten. Zudem wird durch das weichmagnetische Material aufgrund der großen relativen Permeabilität gegenüber Luft eine große magnetische Induktion erzielt, so daß bereits relativ kleine Stromstärken überwacht werden können.

Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn als Wechselspannungsgenerator ein Rechteckspannungsgenerator verwendet wird, der ein Rechteckspannungssignal mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz abgibt. Aufgrund der großen Flankensteilheit des Rechteckspan­ nungssignals wird in der Sekundärspule ein gut auswert­ bares Wechselspannungssignal induziert.

Zur Verstärkung des in der Sekundärspule des Transforma­ tors induzierten Wechselspannungssignals vor Eintritt in die Auswerteeinheit ist die Sekundärspule über eine Verstärkerschaltung mit der Auswerteeinheit verbunden.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit in Form einer Spannungsdiskriminatorschaltung oder einer Frequenzdis­ kriminatorschaltung ausgebildet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Überwachungseinrichtung, bei der der zu überwachende elektrische Leiter unterbrochen ist,

Fig. 3 die Überwachungseinrichtung von Fig. 2, bei der im Unterschied zur Fig. 2 in dem zu überwachen­ den elektrischen Leiter ein Strom einer vorgegebe­ nen Stärke fließt und

Fig. 4 die Überwachungseinrichtung von Fig. 2, mit der die Stromstärken zweier elektrischer Leiter überwacht werden.

Bei der Überwachungseinrichtung von Fig. 2 ist ein Rechteckspannungsgenerator 1 mit dem einen Anschluß 2 der Primärwicklung 3 eines insgesamt mit 4 bezeichneten Transformators verbunden. Der andere Anschluß 5 der Primärspule 3 ist über einen ersten Abschlußwider­ stand 6 mit Erdpotential verbunden. Ebenso wie der Anschluß 5 der Primärwicklung 3 ist auch der Anschluß 7 der Sekundärwicklung 8 des Transformators 4 über einen zweiten Abschlußwiderstand 9 mit Erdpotential verbunden. Der andere Anschluß 10 der Sekundärwicklung 8 ist mit dem Eingang 11 einer Verstärkerschaltung 12 verbunden. Der Ausgang 13 der Verstärkerschaltung 12 ist an eine Auswerteeinheit 14 angeschlossen, die beispielsweise durch eine Spannungsdiskriminatorschaltung oder eine Frequenzdiskriminatorschaltung gebildet sein kann. Die Kopplung der Primärspule 3 mit der Sekundärspule 8 des Transformators 4 erfolgt über einen weichmagnetischen Ringkern 15. Dieser wird von einem zu überwachenden elektrischen Leiter 16, in dem sich eine ohmsche Last 17, beispielsweise eine Lampe, befindet, mit min­ destens so vielen Windungen umgeben, daß er bei der zu überwachenden vorgegebenen Stromstärke magnetisch gesättigt ist. Diese magnetische Sättigung kann bei einer relativ großen Stromstärke im elektrischen Lei­ ter 16 bereits eintreten, wenn der elektrische Leiter 16 nur durch den Ringkern 15 des Transformators 4 hindurch­ geführt wird. Ebenso reicht es bisweilen aus, wenn die Primärwicklung 3 und die Sekundärwicklung 8 des Trans­ formators 4 nur jeweils eine einzige Windung aufweisen.

Nachdem vorstehend der Aufbau der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung von Fig. 2 beschrieben wurde, soll im folgenden ihre Funktionsweise in Verbindung mit Fig. 3 erläutert werden.

Die Fig. 3 unterscheidet sich von der Fig. 2 lediglich dadurch, daß bei der Fig. 2 ein im elektrischen Lei­ ter 16 angeordneter Schalter 18 geschlossen ist, so daß ein Strom vorgegebener Stromstärke durch den Leiter 16 fließt, der den Ringkern 15 des Transformators 4 magne­ tisch sättigt. Da in Fig. 2 der Schalter 18 im elektri­ schen Leiter 16 offen ist, kann in diesem kein elektri­ scher Strom fließen, der den Ringkern 15 des Transfor­ mators 4 magnetisch sättigen könnte.

Wird nun bei dem in Fig. 2 gezeigten Fall, bei dem im elektrischen Leiter 16 kein Strom fließt, vom Rechteck­ spannungsgenerator 1 eine Rechteckspannung an den Anschluß 2 der Primärwicklung 3 des Transformators 4 angelegt, dann fließt in der Primärwicklung 3 ein entsprechender Wechselstrom. Dieser erzeugt im magne­ tisch nicht gesättigten Ringkern 15 ein magnetisches Wechselfeld, welches in der Sekundärwicklung 8 des Transformators 4 eine entsprechende Wechselspannung erzeugt. Diese wird in der Verstärkerschaltung 12 verstärkt und anschließend der Auswerteeinheit 14 zugeführt. Diese erkennt anhand der Amplitude der anliegenden induzierten Wechselspannung bzw. anhand deren Frequenz, daß in der Sekundärwicklung 8 des Transformators 4 eine Wechselspannung induziert wird, die auf die an die Primärwicklung 3 des Transformators 4 angelegte Rechteckspannung zurückzuführen ist.

Wenn dagegen, wie bei dem in Fig. 3 dargestellten Fall, der Schalter 18 im elektrischen Leiter 16 geschlossen ist, dann fließt durch den elektrischen Leiter 16 ein Strom mit einer Stromstärke, durch die der weichmagne­ tische Ringkern 15 des Transformators 4 magnetisch gesättigt wird. Durch diese magnetische Sättigung des Ringkernes 15 wird die ansonsten über den Ringkern gegebene magnetische Kopplung der Primärspule 3 mit der Sekundärspule 8 des Transformators 4 unterbunden. Dies hat zur Folge, daß das vom Rechteckspannungsgenerator 1 an die Primärwicklung 3 angelegte Rechtecksignal nicht zur Sekundärwicklung 8 des Transformators 4 und damit über die Verstärkerschaltung 12 zur Auswerteeinheit 14 übertragen werden kann. Wenn demzufolge bei eingeschal­ tetem Rechteckspannungsgenerator 1 an der Auswerteein­ heit 14, wie in der Fig. 3 gezeigt, kein Wechselspan­ nungssignal ankommt, so bedeutet dies, daß durch den Leiter 16 ein Strom vorgegebener Stromstärke fließt. Erst wenn die Stromstärke unter einen Wert absinkt, der für die magnetische Sättigung des Ringkernes 15 nicht mehr ausreicht, dann wird das Wechselspannungssignal wieder von der Primärspule 3 zur Sekundärspule 8 des Transformators 4 übertragen, das dann in der Auswerte­ einheit 14 als solches erkannt wird. In diesem Falle kann die Auswerteeinheit 14 beispielsweise einen Alarm auslösen.

Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, können mit der erfin­ dungsgemäßen Überwachungseinrichtung gleichzeitig die Stromstärken mehrerer elektrischer Leiter überwacht werden. Die in Fig. 4 dargestellte Überwachungseinrich­ tung stimmt mit der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Überwachungseinrichtung überein. Zur Verdeutlichung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu den Fig. 2 und 3 ist der Ringkern 15 von zwei elektrischen Leitern 19 und 20 insgesamt mit mindestens so vielen Windungen umgeben, daß er bei den vorgegebenen Stromstärken in den einzelnen Leitern 19 und 20 magnetisch gesättigt ist. Bei gleichen Stromstär­ ken in beiden elektrischen Leitern 19 und 20 wird die jeweilige Anzahl der den Ringkern 15 umgebenden Win­ dungen der beiden elektrischen Leiter 19 und 20 mög­ lichst so gewählt, daß der Ringkern 15 bei etwa dem 1,5fachen Wert der vorgegebenen Stromstärke in einem der elektrischen Leiter 19 oder 20 magnetisch gesättigt wird. Auf diese Weise kann festgestellt werden, wann mindestens einer der elektrischen Leiter 19 und 20 stromlos ist.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Überwachung einer vorgegebenen Stromstärke in mindestens einem elektrischen Leiter mit einem Transformator (4), umfassend einen weichmagnetischen Ringkern (15), eine an einen Wechselspannungsgenerator (1) angeschlossene Primärspule (3) und eine mit einer Auswerteeinheit (14) verbundene Sekundärspule (8), dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Ringkern (15) von dem zu überwachenden Leiter (16; 19, 20) mit mindestens sovie­ len Windungen umgeben ist, daß er bei der vorgegebenen Strom­ stärke magnetisch gesättigt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ringkern (15) aus einem Ferritmaterial oder aus einem amorphen Metall besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator (1) ein Rechteckspannungsgenerator ist, der ein Rechteck­ spannungssignal mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz abgibt.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (8) unter Zwischenschaltung einer Verstärkerschal­ tung (12) mit der Auswerteeinheit (14) verbunden ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteein­ heit (14) eine Spannungsdiskriminatorschaltung ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (14) eine Frequenzdiskriminatorschaltung ist.