EP1086477B1 - Eingangsschaltung für relativ hochstromige zu überwachende ac-signale - Google Patents

Eingangsschaltung für relativ hochstromige zu überwachende ac-signale Download PDF

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EP1086477B1
EP1086477B1 EP00925159A EP00925159A EP1086477B1 EP 1086477 B1 EP1086477 B1 EP 1086477B1 EP 00925159 A EP00925159 A EP 00925159A EP 00925159 A EP00925159 A EP 00925159A EP 1086477 B1 EP1086477 B1 EP 1086477B1
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EP
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input
monitored
discharge
resistor
supply voltage
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Horea-Stefan Culca
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Eaton Industries GmbH
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Moeller GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/16—Indicators for switching condition, e.g. "on" or "off"
    • H01H9/167—Circuits for remote indication

Definitions

  • the invention relates to an input circuit for relatively high-current alternating voltage signals to be monitored, which are to be monitored in particular with regard to a predefinable amplitude threshold values.
  • Such input circuits are used for example in small controls.
  • Input circuits for monitoring AC signals are well known, mention may be made here by way of example the document FR 2 671 437 A1.
  • some devices to be monitored such as glow-lamp-equipped switches or proximity-type initiators, require higher input currents to the input circuit for proper operation.
  • the disadvantage of this solution is that when the device to be monitored is switched off in the region of the vertex of its AC supply voltage, the capacitor can only discharge relatively slowly via the high-impedance input resistor, starting from a high amount.
  • a circuit arrangement for monitoring a defined amplitude threshold value of alternating voltage input signals comprising a series circuit comprising a rectifier, a voltage divider and a comparator, the rectifier having its anode at the input signal and its Cathode feeds the consisting of at least two resistors, arranged between the anode of the rectifier and ground potential voltage divider and the tap of the voltage divider is connected to the comparison input of the comparator, so that at the comparator output a first binary signal is generated, further comprising a zero crossing detector whose monitoring input with a Reference signal is connected to form a second binary signal, a zero crossing detector downstream delay stage to form a time-limited third binary n signal, and at least one edge-triggered flip-flop, the comparator output being connected to a state-controlled input of the flip-flop and the output of the delay stage being connected to an edge-triggered input of the flip-flop such that a
  • the invention is therefore based on the object to improve the input circuit in such a way that shutdowns of devices that provide a relatively high input current can be detected quickly.
  • the discharge resistor is low impedance compared to the output resistance of the device to be monitored switched off.
  • the lowering of the input voltage below the threshold value can be detected.
  • An advantageous development of the invention also consists in the common use of the switching element for several similar inputs, especially in a not too large number of inputs even when using only one common discharge resistor.
  • the discharge circuit is advantageously in a series circuit of rectifier, discharge resistor and switching element; wherein the switching element is expediently designed as a transistor.
  • the circuit arrangement according to FIG. 1 shows by way of example an indicated small controller 10 with two signal inputs 17 and 18, via which relatively high-current AC signals of two devices 1 and 2 to be monitored are fed to two corresponding input circuits 11 and 12.
  • the first device 1 is an approximation initiator, which consists essentially of the parallel connection of a first, electronic switching element S1 and coupled to this control electronics En.
  • the second device 2 is a second switching element S2 with parallel connected glow lamp G with resistor Rv.
  • the devices 1 and 2 to be monitored are fed by an AC supply voltage L1.
  • the zero potential N is used in the small controller 10 as a ground.
  • the conventionally formed input circuits 11 and 12 are consecutively composed of a capacitor C arranged between signal input 17 or 18 and zero potential N, an input resistor Re acting as a voltage divider and an input of an electronic component A, eg a comparator, supplied by this input.
  • an electronic component A eg a comparator
  • the circuit arrangement according to FIG. 3 again shows, by way of example, an indicated small controller 20 with two signal inputs 17 and 18, via which the relatively high-current AC signals of the devices 1 and 2 to be monitored are fed to two input circuits 21 and 22 according to the invention.
  • the devices 1 and 2 to be monitored are the same as in FIG. 1.
  • the input circuits 21 and 22 according to the invention have been expanded compared to the conventional input circuits 11 and 12 of FIG. 1 by a common discharge circuit 23 arranged between the signal inputs 17 and 18 and zero potential N.
  • the discharge circuit 23 consists of the series connection of a respective one of the inputs 17 and 18 associated rectifier D and a discharge resistor Rc and a common electronic switching element S3 in the form of a MOS switching transistor.
  • the switching element S3 is driven via an inverter I by a control signal M.
  • the control signal M is derived from the supply voltage L1 in such a way that it occupies high potential or low potential during the positive or negative half cycle of the supply voltage L1, that is, the state changes in the zero crossing of the supply voltage L1. (Reference is hereby made to the applicant's German patent application 197 48 633.9, which was explained in the introduction.) The second digital signal generated there corresponds to the control signal M) used here.
  • the electronic switching element S3 is blocked and conductive during the negative half cycle.
  • the potential of the supply voltage L1 reaches the input 17 or 18 unabated, because during the negative half cycle the respective diode D and during positive half cycle the switching element S3 is blocked.
  • the switching element S3 is conductive by the low potential of the control signal M after the next zero crossing of the supply voltage L1, while by the pending on the capacitor C positive Input voltage Uin (t) of the rectifier D in question remains conductive until the discharge voltage Uc (t) of the capacitor C and thus the evaluated input voltage Uin (t) within this first negative half cycle (20ms) of the supply voltage quickly below the worst case threshold voltage Usmin and thus safely sinking below the typical threshold voltage Ustyp to be detected.
  • the discharge resistor Rc has to protect the electronic switching element S3 from overloading.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above, but also includes all the same in the context of the invention embodiments.
  • the values given for the input resistors Re and the capacitors C in FIGS. 1 and 3 are only exemplary but not untypical.
  • a common discharge resistor Rc may also be included Row is arranged with the common switching element S3, sufficient.
  • each rectifier D and each discharge resistor Rc is assigned a separate switching element.

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  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Eingangsschaltung für relativ hochstromige zu überwachende Wechselspannungssignale, die insbesondere hinsichtlich eines vorgebbaren Amplitudenschwellenwerte zu überwachen sind. Derartige Eingangsschaltungen finden beispielsweise Anwendung in Kleinsteuerungen.
    • Stand der Technik
  • Eingangsschaltungen zur Überwachung von AC-Signalen sind allgemein bekannt, genannt sei hier beispielhaft die Druckschrift FR 2 671 437 A1. Um die Verlustleistung gering zu halten, erfordern derartige Eingangsschaltungen geringe Eingangsströme. Einige zu überwachende Einrichtungen, beispielsweise mit Glimmlampe ausgestattete Schalter oder Näherungsinitiatoren, erfordern für ihre einwandfreie Funktion jedoch höhere Eingangsströme in die Eingangsschaltung. Für diese Fälle ist es üblich, die Eingangsschaltungen eingangsseitig mit einem parallel geschalteten Kondensator zu versehen, um den notwendigen Strom für die zu überwachende Einrichtung zu gewährleisten. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass bei Abschaltung der zu überwachenden Einrichtung im Bereich des Scheitelpunktes ihrer AC-Versorgungsspannung der Kondensator sich ausgehend von einem hohen Betrag nur relativ langsam über den hochohmigen Eingangswiderstand entladen kann. Weiterhin fließt über derartige Einrichtungen im ausgeschalteten Zustand ein Reststrom, der eine erhebliche Restspannung am Eingang verursacht. Diese beiden Vorgänge ermöglichen die Wahmehmung des abgeschalteten Zustandes der zu überwachenden Einrichtung erst nach einer Vielzahl von Wechselspannungsperioden der Versorgungsspannung und nicht - wie erwünscht - bereits innerhalb einer Periode.
  • In der zum Prioritätszeitpunkt noch nicht veröffentlichten DE 197 48 633 A1 der Anmelderin wird eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines definierten Amplitudenschwellenwertes wechselspannungsförmiger Eingangssignale beschrieben, mit einer Serienschaltung aus einem Gleichrichter, einem Spannungsteiler und einem Komparator, wobei der Gleichrichter mit seiner Anode am Eingangssignal liegt und seine Kathode den aus mindestens zwei Widerständen bestehenden, zwischen Anode des Gleichrichters und Massepotenzial angeordneten Spannungsteiler speist und der Abgriff des Spannungsteilers mit dem Vergleichseingang des Komparators verbunden ist, so dass am Komparatorausgang ein erstes binäres Signal erzeugt wird, weiterhin mit einem Nulldurchgangsdetektor, dessen Überwachungseingang mit einem Referenzsignal beschaltet ist, zur Bildung eines zweiten binären Signals, einer dem Nulldurchgangsdetektor nachgeschalteten Verzögerungsstufe zur Bildung eines zeitlich begrenzten dritten binären Signals, und mit mindestens einem flankengesteuerten Flip-Flop, wobei der Komparatorausgang mit einem zustandsgesteuerten Eingang des Flip-Flops und der Ausgang der Verzögerungsstufe mit einem flankengesteuerten Eingang des Flip-Flops verbunden ist derart, dass ein zustandsunterscheidendes viertes Signal am Ausgang des Flip-Flops erzeugt wird. Diese Schaltungsanordnung ist nicht für die schnelle Überwachung eines relativ hochstromigen Eingangssignals, das durch eingangsseitige Beschaltung eines parallelen Kondensators realisiert wird, geeignet.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Eingangsschaltung in der Weise zu verbessern, dass Abschaltungen von Einrichtungen, die einen relativ hohen Eingangsstrom liefern, rasch erfassbar sind.
  • Ausgehend von einer Eingangsschaltung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
  • Durch die erfindungsgemäß hinzugefügte Entladeschaltung wird selbst dann, wenn die zu überwachende Einrichtung im Scheitelpunkt der Versorgungsspannung abgeschaltet wird, die Spannung über dem Kondensator und damit die Eingangsspannung sehr schnell betragsmäßig unter den Schwellenwert abgesenkt, so dass die Abschaltung der zu überwachenden Einrichtung ist rasch zu erfassen ist. Die schnelle Erkennbarkeit der Einschaltung der zu überwachenden Einrichtung bleibt aufgrund des im eingeschalteten Zustand niedrigen Ausgangswiderstandes der zu überwachenden Einrichtung erhalten.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Entladewiderstand niederohmig gegenüber dem Ausgangswiderstand der abgeschalteten zu überwachenden Einrichtung ist. Hier wird spätestens nach einer Wechselspannungsperiode die Absenkung der Eingangsspannung unter den Schwellenwert erkennbar.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht außerdem in der gemeinsamen Verwendung des Schaltelementes für mehrere gleichartige Eingänge, insbesondere bei einer nicht zu großen Anzahl von Eingängen auch bei Verwendung nur eines gemeinsamen Entladewiderstandes.
  • Die Entladeschaltung besteht vorteilhaft in einer Reihenschaltung aus Gleichrichter, Entladewiderstand und Schaltelement; wobei das Schaltelement zweckmäßig als Transistor ausgebildet ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
    • Figur 1:
    ein Schaltungsanordnung mit Eingangsschaltungen nach dem Stand der Technik;
    Figur 2:
    typische Spannungs- und Signalverläufe für die Schaltungsanordnung nach Fig. 1;
    Figur 3:
    eine Schaltungsanordnung mit erfindungsgemäßen Eingangsschaltungen;
    Figur 4:
    typische Spannungs- und Signalverläufe für die Schaltungsanordnung nach Fig. 3.
    Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt beispielhaft eine angedeutete Kleinsteuerung 10 mit zwei Signaleingängen 17 und 18, über welche relativ hochstromige AC-Signale zweier zu überwachender Einrichtungen 1 und 2 an zwei entsprechende Eingangsschaltungen 11 und 12 geführt werden. Die erste Einrichtung 1 sei ein Näherungsinitiator, der im wesentlichen aus der Parallelschaltung eines ersten, elektronischen Schaltelementes S1 und einer mit diesem gekoppelten Ansteuerelektronik En besteht. Die zweite Einrichtung 2 sei ein zweites Schaltelement S2 mit parallel geschalteter Glimmlampe G mit Vorwiderstand Rv. Gespeist werden die zu überwachenden Einrichtungen 1 und 2 von einer AC-Versorgungsspannung L1. Das Nullpotenzial N wird in der Kleinsteuerung 10 als Masse verwendet. Die in üblicher Weise ausgebildeten Eingangsschaltungen 11 und 12 bestehen hintereinander folgend aus einem zwischen Signaleingang 17 bzw. 18 und Nullpotenzial N angeordneten Kondensator C, einem als Spannungsteiler wirkenden Eingangswiderstand Re sowie einem von diesem gespeisten Eingang eines elektronischen Bausteins A, z.B. Komparators. Im abgeschalteten Zustand der Einrichtungen 1 und 2, d.h. bei geöffneten Schaltelementen S1 und S2, fließen bemerkenswerte, im wesentlichen durch die Ansteuerelektronik En bzw. den Vorwiderstand Rv bestimmte Eingangsströme in die Signaleingänge 17 und 18 und von dort im wesentlichen über die Kondensatoren C zur Masse ab. Im eingeschalteten Zustand der Einrichtungen 1, 2 gelang das Potenzial der Versorgungsspannung L1 über die Schaltelemente S1, S2 an die Signaleingänge 17, 18 und damit an die Kondensatoren C sowie abgeschwächt und ohne Verzögerung zu den Bausteinen A und damit zur weiteren Auswertung. Bei Abschaltung der Einrichtungen 1, 2 während der positiven Halbwelle der Versorgungsspannung L1 erfolgt der Potenzialabbau an den Signaleingängen 17, 18 und damit an den Eingängen der Bausteine A mit erheblicher Verzögerung.
  • Dies sei beispielhaft an dem zugehörigen Potenzialdiagramm nach Fig. 2 erläutert. Hier sind ein positiver Amplitudenschwellenwert und eine Abschaltung der zu überwachenden Einrichtung im Scheitelpunkt der Versorgungsspannung L1 angenommen. Nach Abschaltung der zu überwachenden Einrichtung 1 bzw. 2 erreicht die Entladespannung Uc(t) des Kondensators C die typische Schwellenspannung Ustyp erst nach knapp drei Perioden (60 ms) und die durch Überlagerung mit der Restspannung entstandene Eingangsspannung Uin(t) erst nach vier Perioden (80 ms). Unter Zugrundelegen der Worst-Case-Schwellenspannung Usmin wird die Abschaltung der zu überwachenden Einrichtung 1 bzw. 2 sogar erst nach sechs Perioden (120 ms) wahrgenommen.
  • Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 zeigt wiederum beispielhaft eine angedeutete Kleinsteuerung 20 mit zwei Signaleingängen 17 und 18, über welche die relativ hochstromigen AC-Signale der zu überwachender Einrichtungen 1 und 2 an zwei erfindungsgemäße Eingangsschaltungen 21 und 22 geführt werden. Die zu überwachenden Einrichtungen 1 und 2 sind gleich denen nach Fig. 1. Die erfindungsgemäßen Eingangsschaltungen 21 und 22 sind gegenüber den üblichen Eingangsschaltungen 11 und 12 nach Fig. 1 um eine zwischen den Signaleingängen 17 und 18 und Nullpotenzial N angeordnete gemeinsame Entladeschaltung 23 erweitert worden. Die Entladeschaltung 23 besteht aus der Reihenschaltung eines jeweils einem der Eingänge 17 und 18 zugeordneten Gleichrichters D und eines Entladewiderstandes Rc sowie eines gemeinsamen elektronischen Schaltelementes S3 in Form eines MOS-Schalttransistors. Das Schaltelement S3 wird über einen Inverter I von einem Steuersignal M angesteuert. Das Steuersignal M wird von der Versorgungsspannung L1 in der Weise abgeleitet, dass es High-Potenzial bzw. Low-Potenzial während der positiven bzw. negativen Halbwelle der Versorgungsspannung L1 einnimmt, also jeweils im Nulldurchgang der Versorgungsspannung L1 den Zustand ändert. (Es wird hierzu auf die eingangs erläuterte deutsche Patentanmeldung 197 48 633.9 der Anmelderin verwiesen. Das dort erzeugte zweite digitale Signal entspricht dem hier verwendeten Steuersignal M).
  • Demnach ist während der positiven Halbwelle der Versorgungsspannung L1 das elektronische Schaltelement S3 gesperrt und während der negativen Halbwelle leitend. Bei eingeschalteter Einrichtung 1 bzw. 2 gelangt das Potenzial der Versorgungsspannung L1 unvermindert an den Eingang 17 bzw. 18, denn während der negativen Halbwelle ist die jeweilige Diode D und während positiven Halbwelle ist das Schaltelement S3 gesperrt. Wird jedoch während der positiven Halbwelle der Versorgungsspannung L1 die betreffende Einrichtung 1 bzw. 2 abgeschaltet, dann wird nach dem nächsten Nulldurchgang der Versorgungsspannung L1 das Schaltelement S3 durch das Low-Potenzial von Steuersignal M leitend, während durch die an dem betreffenden Kondensator C anstehende positive Eingangsspannung Uin(t) der betreffende Gleichrichter D leitend bleibt, bis die Entladespannung Uc(t) des Kondensators C und damit die auszuwertende Eingangsspannung Uin(t) innerhalb dieser ersten negativen Halbperiode (20ms) der Versorgungsspannung schnell unter die Worst-Case-Schwellenspannung Usmin und damit sicher unter die zu erkennenden typische Schwellenspannung Ustyp gesunken ist. Der Entladewiderstand Rc hat das elektronische Schaltelement S3 vor Überlastung zu schützen.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondem umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So sind beispielsweise die für den Eingangswiderstände Re und die Kondensatoren C in Fig. 1 und Fig. 3 angegebenen Werte nur beispielhaft, jedoch nicht untypisch. Bei einer kleinen Anzahl von Eingängen kann auch ein gemeinsamer Entladewiderstand Rc, der in Reihe mit dem gemeinsamen Schaltelement S3 angeordnet ist, ausreichen. Weiterhin kann es für bestimmte Anwendungsfälle von Vorteil sein, wenn jedem Gleichrichter D und jedem Entladewiderstand Rc ein separates Schaltelement zugeordnet ist. Außerdem ist es ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäße Eingangsschaltung 21 bzw. 22 durch entsprechende Umpolung der Gleichrichter D sowie entsprechende Auswahl des Schaltelementes S3 für die Erfassung negativer Schwellenwerte zu befähigen.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1; 2
    Einrichtung
    10
    Kleinsteuerung
    11; 12
    Eingangsschaltung
    17; 18
    Signaleingänge
    20
    Kleinsteuerung
    21; 22
    Eingangsschaltung
    23
    Entladeschaltung
    A
    Baustein
    C
    Kondensator
    D
    Gleichrichter
    En
    Ansteuerelektronik
    G
    Glimmlampe
    I
    Inverter
    L1
    Versorgungsspannung
    M
    Steuersignal
    Rc
    Entladewiderstand
    Re
    Eingangswiderstand
    Rv
    Vorwiderstand
    S1; S2; S3
    Schaltelement
    Uc(t)
    Entladespannung
    Uin(t)
    Eingangsspannung
    Usmin
    Worst-Case-Schwellenspannung
    Ustyp
    typische Schwellenspannung

Claims (6)

  1. Eingangsschaltung für zu überwachende AC-Signale, mit einem Eingangswiderstand (Re) und einem eingangsseitig parallel geschalteten Kondensator (C), durch den ein relativ hoher Eingangsstrom aufgrund einer AC-Versorgungsspannung (L1) durch die abgeschaltete zu überwachende Einrichtung (1; 2) geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig außerdem parallel eine Entladeschaltung (23) angeordnet ist, deren Entladewiderstand (Rc) klein gegenüber dem Eingangswiderstand (Re) ist, wobei die Entladeschaltung (23) ein Schaltelement (S3) aufweist, das bei gleichem Vorzeichen der momentanen Versorgungsspannung (L1) und der zu erkennenden Schwellenspannung (Ustyp) gesperrt, dagegen bei ungleichem Vorzeichen leitend ist.
  2. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Entladewiderstand (Rc) niederohmig gegenüber dem Ausgangswiderstand der abgeschalteten zu überwachenden Einrichtung (1; 2) ist.
  3. Eingangsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für zu gleichartigen Eingängen (17; 18) gehörende Entladeschaltungen (23) ein gemeinsames Schaltelement (S3) vorgesehen ist, wobei die zugehörigen zu überwachenden Einrichtungen (1; 2) von derselben AC-Versorgungsspannung (L1) gespeist werden.
  4. Eingangsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Entladewiderstand (Rc) vorgesehen ist.
  5. Eingangsschaltung nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (23) aus der Reihenschaltung eines in Vorzeichenrichtung der Schwellenspannung (Ustyp) ausgerichteten Gleichrichters (D), des Entladewiderstandes (Rc) und des elektronischen Schaltelementes (S3) besteht.
  6. Eingangsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (S3) ein Transistor ist.
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