EP4038732A1 - Schaltungsanordnung zum ermitteln einer art und eines werts einer eingangsspannung und zugehöriges verfahren - Google Patents

Schaltungsanordnung zum ermitteln einer art und eines werts einer eingangsspannung und zugehöriges verfahren

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EP4038732A1
EP4038732A1 EP20804450.3A EP20804450A EP4038732A1 EP 4038732 A1 EP4038732 A1 EP 4038732A1 EP 20804450 A EP20804450 A EP 20804450A EP 4038732 A1 EP4038732 A1 EP 4038732A1
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EP
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voltage
output signal
circuit arrangement
input voltage
power supply
Prior art date
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Pending
Application number
EP20804450.3A
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French (fr)
Inventor
Daniel Portisch
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Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Definitions

  • Circuit arrangement for determining a type and a value of an input voltage and associated method
  • the present invention relates generally to the field of electrical engineering, in particular the field of power electronics and power electronic circuits.
  • the present invention relates to a circuit arrangement of which an input voltage of a power supply or a switched-mode power supply is analyzed - i.e. a voltage value, in particular an average, of the input voltage of the power supply and a respective type of voltage of the input voltage are determined.
  • the present invention further relates to an associated method for determining a type of voltage of the input voltage of the power supply.
  • power supplies or switched-mode power supplies are used to a large extent to supply loads such as electronic controls, pumps, valves, sensors, etc.
  • loads such as electronic controls, pumps, valves, sensors, etc.
  • These consumers are provided with a suitable, often predefined voltage from the power supply or the switched-mode power supply.
  • a high voltage level on the input side such as a 230V AC voltage or a 12OV AC voltage, is set to a lower and usually constant voltage level predefined for the consumer (e.g. 24V DC voltage as the nominal output voltage and 28V DC voltage as the maximum output voltage) on one output side the power supply implemented.
  • the power supply or the switched-mode power supply is usually with a mains voltage as the input voltage from a single-phase or three-phase supply network, in particular a three-phase network, is supplied.
  • a single-phase power supply can, for example, be fed with an alternating voltage (eg 230V alternating voltage) as input voltage, which usually falls as the difference between a so-called outer conductor and a so-called neutral conductor of the supply network. Therefore, an input stage - for example in the form of a rectifier unit - is often provided in such a Stromversor supply, through which the AC voltage from the supply network is converted into a DC voltage for the power supply.
  • the mostly unstabilized input voltage is then converted into a constant output voltage or the predefined supply voltage for the electrical loads, with a constancy of the output voltage and / or an output current being achieved by regulating the energy flow.
  • the constancy of the output voltage means, for example, that when the input voltage falls, an input current of the power supply begins to increase. This can, for example, lead to heating of the components of the power supply or the switched-mode power supply or even to damage.
  • the input voltage of the power supply is usually monitored for safety reasons and, if necessary, the output of the power supply is switched off if, for example, the input voltage falls below a given value.
  • an ongoing and as accurate measurement of the input voltage of the power supply is necessary, e.g. by means of a dedicated measuring circuit. of which, for example, a primary-side reference potential or ground potential of the power supply is used.
  • the input voltage can be measured, for example, by means of a half-wave rectification of the input voltage, in which For example, a diode is provided for the outer conductor and the neutral conductor of the supply voltage, and is carried out by means of an ohmic voltage divider.
  • this measurement variant of the input voltage has the disadvantage that a capacitive voltage divider is formed by the so-called Y capacitors, for example when there is no load or a partial load on the output side of the power supply or the switched-mode power supply.
  • the so-called Y capacitors are used for electron magnetic compatibility (EMC) in order to prevent unwanted mutual interference with other devices.
  • EMC electron magnetic compatibility
  • the capacitive voltage divider formed by the Y capacitors influences the primary-side reference or ground potential and the measurement of the input voltage, in particular the mean value or the voltage level, can be very imprecise.
  • the type of voltage of the input voltage cannot be determined.
  • direct voltage is an electrical voltage, the instantaneous value of which hardly changes or does not change at all over a longer observation period. That means it has the same sign and (approximately) the same amount at all times.
  • An alternating voltage is an electrical voltage whose polarity changes in regular repetition, but whose time average is usually zero.
  • Another variant of determining the input voltage of a power supply or a switched-mode power supply can, for example, be done using a full-wave rectifier or bridge rectifier, through which the input voltage is rectified, and with the help of a differential amplifier, to which the rectified input voltage is fed.
  • this measurement variant has the disadvantage that the rectifier unit for measuring the input voltage in the event of a line-side overvoltage - a so-called surge - must withstand the same overvoltage values as the input-side rectifier unit of the power supply.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a circuit arrangement and an associated method with which a determination of a voltage type of an input voltage and the most accurate possible determination of a voltage value of an input voltage of a power supply or a switched-mode power supply is made possible .
  • the object is achieved by a circuit arrangement for determining a type of voltage and a voltage value, in particular the mean value, of an input voltage.
  • This circuit arrangement is arranged in such a way that the input voltage of the power supply drops at an input side of the circuit arrangement.
  • This circuit arrangement comprises at least one differential amplifier for converting the input voltage into a useful signal, which is rectified via a first rectifier unit.
  • the first rectifier unit is at an output of the differential Renz amplifier arranged and it is assigned a first Kompen sationsdiode such that a forward voltage of the first rectifier unit is compensated.
  • the circuit arrangement also includes an inverter which generates an inverted useful signal from the useful signal.
  • the inverted useful signal is rectified by means of a second rectifier unit arranged at an output of the inverter, the second rectifier unit being assigned a second compensation diode such that a forward voltage of the second rectifier unit is compensated.
  • the circuit arrangement comprises a mixing unit, from which a first output signal is generated from the rectified useful signal and the rectified, inverted useful signal.
  • the output side of the circuit arrangement has a filter unit, such as an RC filter, from which a second output signal (for example an average value of the rectified input voltage signal) is generated from the first output signal of the circuit arrangement.
  • the main aspect of the solution proposed according to the invention is to enable a precise analysis of an input voltage of a power supply or a switched-mode power supply in a simple and inexpensive manner. That is, the type of voltage (AC or DC voltage) and a voltage value, in particular an average value, of the input voltage are determined as precisely as possible.
  • a first output signal is generated, on the basis of which a voltage type of the input voltage (for example direct voltage or alternating voltage) can be determined.
  • a second output signal is derived from the first output signal, which can be used for a precise measurement of a voltage value, such as the mean value of the input voltage.
  • the rectifier units By attaching the rectifier units on the output side, which can be configured as rectifier diodes, for example, lower-cost components can be used, since measurements can be made at a lower voltage level than on the input side of the circuit arrangement.
  • the rectifier Compensation diodes associated with the units are compensated for a relatively high forward voltage of the respective rectifier unit or the respective rectifier diode. This enables very precise measurement results to be achieved, especially when determining the voltage value or the mean value of the input voltage.
  • the filter unit of the circuit arrangement arranged on the output side such as an RC filter, ideally generates a second output signal (e.g. an average value of the rectified input voltage signal) from the first output signal of the circuit arrangement.
  • a second output signal e.g. an average value of the rectified input voltage signal
  • the first output signal and the second output signal can ideally be forwarded to a control unit via a data connection (e.g. Process Field Network or Profinet for short, etc.) for evaluation.
  • This control unit can, for example, be arranged locally or centrally and designed, for example, as a microcontroller.
  • the differential amplifier has a high resistance on the output side.
  • the relatively high voltage level of the input voltage e.g. 84V to 278V
  • a significantly lower voltage level e.g. 0.5V to 12.5V
  • more cost-effective components which are not designed for high voltages can be used, in particular for the rectifier units.
  • a preferred embodiment of the circuit arrangement according to the invention provides that the first rectifier unit and the associated first compensation diode and that the second rectifier unit and the associated second compensation diode are each designed as double diodes.
  • the respective rectifier unit and the respective compensation diode are installed in a housing, for example, and are therefore ideally thermally coupled. This thermal coupling allows temperature-dependent flux voltages to be eliminated very easily and a relatively precise evaluation or measurement of the input voltage to be achieved.
  • An expedient development of the invention provides that the differential amplifier and the inverter are designed in such a way that an internal auxiliary supply of the power supply can be used as operating voltage for the differential amplifier and for the inverter. In this way, no additional power supply is required to supply the differential amplifier and the inverter.
  • the circuit arrangement can thus be designed to save space and costs.
  • a reference voltage e.g. 5 volts
  • the reference voltage shifts an output voltage of the differential amplifier or the inverter by the corresponding value of the reference voltage.
  • a negative voltage source to supply the differential amplifier or the inverter can be saved.
  • the stated object is also achieved by a method for determining a type of voltage of an input voltage of a power supply, for which a first output signal based on the input voltage of the power supply is used, which is detected by means of the circuit arrangement according to the invention.
  • a method for determining a type of voltage of an input voltage of a power supply for which a first output signal based on the input voltage of the power supply is used, which is detected by means of the circuit arrangement according to the invention.
  • a method for determining a type of voltage of an input voltage of a power supply for which a first output signal based on the input voltage of the power supply is used, which is detected by means of the circuit arrangement according to the invention.
  • a frequency of the input voltage and thus the type of input voltage is derived from the stored time stamp.
  • a frequency of the input voltage is derived from at least two stored time stamps. If, for example, a frequency in a range from 45 to 65 Hertz can be determined, this is assessed, for example, as a supply with an alternating voltage.
  • the type of voltage of the input voltage can be recognized even in the event of disturbances in the mains or supply voltage, e.g. when switching on with a small isolating transformer, etc.
  • the method according to the invention is terminated if, after the dead time has elapsed, the second threshold value is not exceeded within a predeterminable first period of time, or if the first threshold value is not undershot after a second predeterminable period of time.
  • the same values or different values can be selected for the first time period and for the second time period.
  • the measurement or the one to be repeated Steps of the method according to the invention can be repeated, for example, until a valid AC voltage supply (for example 10 times) has been detected. If no valid AC voltage is found after the number of repetitions given or after the first or second period of time (e.g. 100ms) has elapsed, it is assumed that a DC voltage (e.g. from a battery) is used as the input voltage as the supply voltage for the power supply.
  • a DC voltage e.g. from a battery
  • FIG. 1 shows schematically and by way of example a power supply with the circuit arrangement according to the invention for determining a type of voltage and a voltage value of an input voltage
  • FIG. 2 schematically shows an exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows an exemplary, detailed illustration of the circuit arrangement according to the invention
  • FIG. 4 shows an exemplary profile of a first output signal generated by the circuit arrangement according to the invention with a corresponding derivative of the voltage type of the input voltage
  • Figure 1 shows schematically and by way of example a single-phase power supply or a single-phase switched-mode power supply SV
  • wel che comprises the circuit arrangement ME according to the invention for determining a voltage type and a voltage value of an input voltage Ue of the power supply SV or the switched-mode power supply SV.
  • the exemplary power supply SV is supplied from a supply network with the input voltage Ue, which is, for example, a voltage difference between an outer conductor L and the neutral conductor N of the supply network. forms is. This means that only one outer conductor L or one phase L of the supply network is used to supply the power supply SV.
  • the input voltage Ue which can for example be a 230V AC voltage, is converted via a rectifier unit GL as the input stage of the power supply SV into a rectified intermediate circuit voltage U Z K on an output side of the rectifier unit GL or on an input side of an intermediate circuit ZK.
  • the intermediate circuit voltage U ZK is related to a reference potential M or a ground potential M.
  • the intermediate circuit ZK can comprise, for example, an optional intermediate circuit capacitor C Z K.
  • at least two Y capacitors Y1, Y2 are connected in the intermediate circuit ZK, for example for reasons of electromagnetic compatibility. Via the Y capacitors Y1, Y2, the reference or ground potential M and a protective conductor PE or what is known as the protective earth PE are arranged in the intermediate circuit ZK between the upper potential or between the reference or ground potential M.
  • the power supply SV also includes a switching converter SN, which is arranged on an output side of the intermediate circuit ZK.
  • This switching converter SN has at least one periodically operating, electronic switching element and can be designed, for example, as a potential-separating switching converter SN, which has galvanic separation (e.g. transformer), or potential-tied (i.e. non-potential-separating) switching converter SN without galvanic separation.
  • the power supply SV has the circuit arrangement ME according to the invention, with which a voltage type and a voltage value of the input voltage Ue of the power supply SV or the switched-mode power supply SV can be determined.
  • the circuit arrangement ME is arranged in such a way that the input voltage Ue of the power supply SV drops at an input of the circuit arrangement ME.
  • the circuit arrangement ME is connected, for example, on the input side via high-resistance resistors RI, R2 to the external conductor L and the neutral conductor N on the input side of the switched-mode power supply SN.
  • An auxiliary voltage U H (for example 13V) is provided for supplying voltage to the circuit arrangement ME.
  • the circuit arrangement is connected to the reference potential or ground potential M of the intermediate circuit ZK of the power supply SV.
  • the circuit arrangement ME provides two output signals AS1, AS2. These output signals AS1, AS2 can be forwarded to a local or central control unit SE, for example via a data connection (for example Process Field Network or Profinet for short, etc.). With the help of the control unit SE, which can be implemented as a microcontroller, for example, the output signals AS1, AS2 can be evaluated accordingly.
  • the voltage type of the input voltage Ue can be derived from a first output signal AS1, for example by means of the associated method for determining a voltage type of the input voltage Ue of the power supply SV. That is, from the first output signal AS1 - as will be described in more detail below with reference to FIG.
  • FIG. 2 now shows schematically an exemplary embodiment of the circuit arrangement ME according to the invention for determining the type of voltage and a voltage value of the input voltage Ue of the power supply SV, the circuit arrangement being arranged such that the input voltage Ue of the power supply SV is also on an input side of the shell processing arrangement ME is present.
  • the input side of the circuit arrangement is connected, for example, to the outer conductor L and to the neutral conductor N of the single-phase voltage supply of the power supply SV or the switched-mode power supply SV, with the input voltage Ue being the differential voltage between the outer conductor L and neutral conductor N at the input of the circuit arrangement ME or one Differential amplifier DIF of the circuit arrangement ME is present.
  • the input voltage Ue with a relatively high voltage level (eg 84 to 278V) is converted by the differential amplifier DIF into a useful signal NS with a low voltage level (eg 0.5 to 12.5V).
  • the differential amplifier DIF has a high impedance design on the input side.
  • a first rectifier unit GL1 in particular a one-way rectifier GL1 or a rectifier diode GL1, is attached to an output side of the differential amplifier DIF, by which the useful signal NS generated by the differential amplifier DIF is rectified and passed on to a mixer unit MS.
  • the first rectifier unit GL1 is assigned a first compensation diode Kl, by which a voltage shift caused by the forward voltage of the first rectifier unit GL1 is compensated.
  • the first rectifier unit GL1 and the first compensation diode Kl can be designed as a so-called double diode. This means that the two units GL1, Kl are installed in a common housing, for example, and are thus thermally coupled, which means that temperature-dependent flow voltages can be eliminated very easily and effectively.
  • the compensation diode is also assigned a first pull-up resistor R3, which connects a (signal) line to a higher voltage potential.
  • the first pull-up Resistance is arranged between an anode of the first compensation diode Kl and an auxiliary voltage U H.
  • the auxiliary voltage U H (ZB 13V), which is already present in the power supply SV to supply voltage to internal control and / or signal units, for example, is also used to supply power to the differential amplifier DIF or as an operating voltage U H for the differential amplifier DIF is being used.
  • the differential amplifier DIF also has a connection to a reference or ground potential M.
  • the circuit arrangement ME comprises an inverter INV, which also uses the internal auxiliary voltage U H for voltage supply or as operating voltage and also has a connection to the reference or ground potential M. From the inverter INV, the useful signal NS generated by the differential amplifier DIF is converted into an inverted useful signal negNS.
  • a second rectifier unit GL2 in particular a one-way rectifier GL2 or a rectifier diode GL2, is attached to an output side of the inverter INV, by which the inverted useful signal negNS generated by the inverter INV is rectified and passed on to the mixer unit MS.
  • the second rectifier unit GL2 is also assigned a second compensation diode K2, by which a voltage shift caused by the forward voltage of the second rectifier unit GL2 is compensated.
  • the second rectifier unit GL2 and the second compensation diode K2 are also designed as so-called double diodes.
  • the second rectifier unit GL2 and the second compensation diode K2 are also arranged in a common housing and are thus thermally coupled, as a result of which temperature-dependent forward voltages can be eliminated very easily and effectively.
  • the second compensation diode K2 and the second rectifier unit GL2 are each assigned a second and a third pull-up resistor R4, R5.
  • the second pullup Resistor R4 is arranged between the anode of the second Kompensati onsdiode K2 and the auxiliary supply U H.
  • the third pull-up resistor R5 is placed between the anode of the second rectifier unit GL2 and the auxiliary supply U H.
  • a reference voltage Uref (eg 5V) is also provided.
  • the useful signal NS of the differential amplifier DIF and the inverted useful signal negNS of the inverter INV are then combined to form a first output signal AS1, which is used, for example, to determine the voltage type of the input voltage Ue. This means that it can be derived from the first output signal AS1 whether the input voltage Ue is an AC or DC voltage.
  • the circuit arrangement ME also has a filter unit.
  • the filter unit is designed, for example, as an RC filter and comprises a resistor R F and a capacitance C F.
  • a second output signal AS2 can be generated from the first output signal AS1, which, for example, represents an average value of the first output signal AS1.
  • the second output signal AS2 can be used, for example, for a relatively precise determination of the input voltage Ue or an input voltage mean value.
  • the first output signal AS1 and the second output signal AS2 can then be forwarded to a local or central control unit SE via a data connection (e.g. Profi net, etc.), with the aid of which the output signals AS1, AS2 can be evaluated accordingly.
  • a data connection e.g. Profi net, etc.
  • the circuit arrangement ME according to the invention for determining a voltage type and a voltage value of the input voltage Ue of the power supply SV is also shown as an example and schematically, FIG. 3 above all showing exemplary embodiments of the differential amplifier DIF and the inverter INV.
  • the differential amplifier DIF of the circuit arrangement ME can be designed, for example, as an operational amplifier circuit.
  • the differential amplifier DIF comprises an operational amplifier OPI, which uses, for example, the auxiliary voltage U H as a positive operating voltage and whose negative operating voltage connection is connected to the reference or ground potential M.
  • the differential amplifier DIF has two input resistors RI, R2 on the output side, which are designed with high resistance and, for example, have the same resistance value.
  • Two further resistors R6, R7 are also provided, which are designed to be of low resistance compared to the input resistors RI, R2 and, for example, can also have the same resistance value.
  • the first resistor R6 of the differential amplifier DIF is connected to the reference voltage Uref and the second resistor R7 is arranged in the feedback of the differential amplifier DIF.
  • the first rectifier unit GL1 and the first compensation diode Kl is arranged in the feedback of the differential amplifier circuit DIF.
  • the inverter INV can also be designed as an operational amplifier circuit with an operational amplifier OP2.
  • the Operationsver stronger OP2 also uses the auxiliary voltage U H, for example, as a positive operating voltage and its negative operating voltage connection is connected to the reference or ground potential M.
  • a positive input of the operational amplifier OP2 of the inverter INV is connected to the reference voltage Uref, for example. This is achieved via a first resistor R8 of the inverter INV useful signal NS generated by the differential amplifier DIF is fed to a negative input of the operational amplifier OP2 of the inverter INV.
  • a second resistor R9 of the inverter INV is attached, the two resistors R8, R9 of the inverter INV having the same resistance value for an inversion of the useful signal NS.
  • the second rectifier unit GL2 is arranged for rectifying the inverted useful signal negNS and the second compensation diode is arranged in the feedback of the inverter circuit INV.
  • the rectified useful signal NS from the differential amplifier DIF and the rectified, inverted useful signal negNS are fed back to the mixing unit MS and mixed to form the first output signal AS1.
  • the second output signal AS2 is then derived from the first output signal AS1 via the RC filter unit R f , C F.
  • FIG. 4 shows, by way of example, a time profile of a first output signal AS1 generated by the circuit arrangement ME according to the invention, from which a voltage type of the input voltage Ue is derived according to the method according to the invention.
  • a time t is plotted on a horizontal axis and a voltage -U is plotted on a vertical axis.
  • An intersection of the vertical axis with the horizontal axis also lies on a voltage value of the reference voltage Uref (eg at 5V).
  • dashed markings for 0 volts, for a first threshold value SW1 and a second threshold value SW2 are applied to the vertical axis, the first threshold value SW1 being closer to the value of the reference voltage Uref than the second threshold value SW2.
  • a threshold value with a hysteresis can also be used.
  • the first output signal AS1 has, for example, one due to the rectification by the two rectifier units GL1, GL2 of the circuit arrangement ME Time course of a pulsating DC voltage, where a wave has a peak value U.
  • the second threshold value SW2 After the second threshold value SW2 has been exceeded, there is a wait to see when the first output signal AS1 falls below the first threshold value SW1 again. If, at a third point in time t3, the value falls below the first threshold value SW1 again, a second time stamp is stored again and the predefined dead time T t is started. After the dead time T t has elapsed at a fourth point in time t4, it is checked again whether the second threshold value SW2 has been exceeded. If this is the case, the system waits again for the first threshold value SW1 to be undershot and a time stamp is stored if the first output signal AS1 detects that the first output signal AS1 has fallen below the first threshold value SW1 at a fifth point in time t5.
  • a frequency of the first output signal AS1 and thus the input voltage Ue can then be derived from at least two stored time stamps. If this frequency is, for example, in a range from 45 to 65 Hertz, the input voltage Ue can be evaluated as an alternating voltage.
  • the second threshold value SW2 is never exceeded within a predeterminable first time period (e.g. 100 ms) or if the first threshold value SW1 is never undershot after a second period of time, for example after the first throughput of the peak value Ü of the first output signal AS1, execution of the method can thus be aborted or the input voltage Ue evaluated as direct voltage.
  • the input voltage Ue can also be evaluated as direct voltage if no frequency of the first output signal AS1 can be detected from the stored time stamps, e.g. after the specified number of repetitions of the method step.
  • the method for determining a voltage type of an input voltage Ue of a power supply SV can be carried out, for example, in the control unit SE.
  • the evaluation of the first as well as the second output signal AS1, AS2 can then, for example, be forwarded to a local or central control, evaluation and / or display unit, e.g. to be displayed or to be processed accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, von welcher eine Spannungsart und ein Spannungswert, insbesondere Mittelwert, einer Eingangsspannung (Ue) einer Stromversorgung (SV) bzw. eines Schaltnetzteils (SV) ermittelt wird. Dazu ist Schaltungsanordnung (ME) derart angeordnet, dass die Eingangsspannung (Ue) der Stromversorgung (SV) eingangsseitig an der Schaltungsanordnung (ME) abfällt. Die Schaltungsanordnung (ME) umfasst zumindest einen Differenzverstärker (DIF) zum Umwandeln der Eingangsspannung (Ue) in ein Nutzsignal (NS), welches über eine an einem Ausgang des Differenzverstärkers (DIF) angeordnete, erste Gleichrichtereinheit (GL1) gleichgerichtet wird, welcher eine erste Kompensationsdiode (K1) derart zugeordnet, dass eine Flussspannung der ersten Gleichrichtereinheit (GL1) kompensiert wird. Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung einen Inverter (INV), welcher aus dem Nutzsignal (NS) ein invertiertes Nutzsignal (negNS) erzeugt. Das invertierte Nutzsignal (negNS) wird von einer an einem Ausgang des Inverters (INV) angeordneten, zweiten Gleichrichtereinheit (GL2) gleichgerichtet, welcher eine zweite Kompensationsdiode (K2) derart zugeordnet ist, dass eine Flussspannung der zweiten Gleichrichtereinheit (GL2) kompensiert wird. Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung einen Mischeinheit (MS), von welcher aus dem gleichgerichteten Nutzsignal (NS) und dem gleichgerichteten, invertierten Nutzsignal (negNS) ein erstes Ausgangssignal (AS1) erzeugt wird, aus welchem mittels einer Filtereinheit ein zweites Ausgangssignal (AS2) abgeleitet wird. Dabei kann aus dem ersten Ausgangssignal (AS1) die Spannungsart und aus dem zweiten Ausgangssignal (AS2) ein Spannungswert, insbesondere ein Mittelwert, der Eingangsspannung (Ue) bestimmt werden.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Art und eines Werts einer Eingangsspannung und zugehöriges Verfahren
Technisches Gebiet
Die gegenständliche Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Elektrotechnik, insbesondere den Bereich der Leistungs elektronik sowie leistungselektronischer Schaltungen. Im Spe ziellen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Schaltungsanordnung, von welcher eine Eingangsspannung einer Stromversorgung bzw. eines Schaltnetzteils analysiert wird - d.h. es werden ein Spannungswert, insbesondere ein Mittel wert, der Eingangsspannung der Stromversorgung und eine je weilige Spannungsart der Eingangsspannung ermittelt. Weiter hin betrifft die gegenständliche Erfindung ein zugehöriges Verfahren zum Ermitteln einer Spannungsart der Eingangsspan nung der Stromversorgung.
Stand der Technik
In der Fertigungs- und Automatisierungstechnik werden in gro ßem Umfang Stromversorgungen bzw. Schaltnetzteile für eine Versorgung von Verbrauchern wie z.B. elektronische Steuerun gen, Pumpen, Ventilen, Sensoren, etc. eingesetzt. Diese Ver braucher werden von der Stromversorgung bzw. dem Schaltnetz teil mit einer geeigneten, oft vordefinierten Spannung ver sorgt. Typischerweise wird dazu ein eingangsseitig hohes Spannungsniveau, wie z.B. eine 230V-Wechselspannung oder eine 12OV-Wechselspannung, auf ein für die Verbraucher vordefi niertes, niedrigeres und üblicherweise konstantes Spannungs niveau (z.B. 24V Gleichspannung als Nennausgangsspannung und 28V Gleichspannung als maximale Ausgangsspannung) auf einer Ausgangsseite der Stromversorgung umgesetzt.
Die Stromversorgung bzw. das Schaltnetzteil wird üblicher weise mit einer Netzspannung als Eingangsspannung aus einem einphasigen oder dreiphasigen Versorgungsnetz, insbesondere einem Drehstromnetz, versorgt. Eine einphasige Stromversor gung kann z.B. mit einer Wechselspannung (z.B. 230V- Wechselspannung) als Eingangsspannung gespeist werden, welche üblicherweise als Differenz zwischen einem so genannten Au ßenleiter und einem so genannten Neutralleiter des Versor gungsnetzes abfällt. Daher ist bei einer solchen Stromversor gung häufig eine Eingangsstufe - beispielsweise in Form einer Gleichrichtereinheit - vorgesehen, durch welche die Wechsel spannung aus dem Versorgungsnetz in eine Gleichspannung für die Stromversorgung umgewandelt wird. Von der Stromversorgung bzw. dem Schaltnetzteil wird die meist unstabilisierte Ein gangsspannung dann in eine konstante Ausgangsspannung bzw. in die vordefinierte Versorgungsspannung für die elektrischen Verbraucher umgesetzt, wobei eine Konstanz der Ausgangsspan nung und/oder eines Ausgangsstroms durch eine Regelung des Energieflusses erreicht wird.
Die Konstanz der Ausgangsspannung führt beispielsweise dazu, dass bei einer sinkenden Eingangsspannung ein Eingangsstrom der Stromversorgung zu steigen beginnt. Dies kann z.B. zur Erwärmung der Bauteile der Stromversorgung bzw. des Schaltnetzteils oder sogar zu einer Beschädigung führen. Da her wird üblicherweise aus Sicherheitsgründen die Eingangs spannung der Stromversorgung überwacht und gegebenenfalls der Ausgang der Stromversorgung abgeschaltet, wenn z.B. ein vor gegebener Wert von der Eingangsspannung unterschritten wird. Um ein Überhitzen bzw. eine Beschädigung der Stromversorgung, vor allem der einphasigen Stromversorgung, aufgrund einer eingangsseitigen Unterspannung bzw. einer Unterspannung aus dem Versorgungsnetz zu verhindern, ist eine laufende und mög lichst genaue Messung der Eingangsspannung der Stromversor gung z.B. mittels einer eigenen Messschaltung notwendig, von welcher z.B. ein primärseitiges Bezugspotential bzw. Massepo tential der Stromversorgung verwendet wird.
Die Messung der Eingangsspannung kann beispielsweise mittels einer Einweggleichrichtung der Eingangsspannung, bei welcher z.B. jeweils für den Außenleiter und den Neutralleiter der Versorgungsspannung eine Diode vorgesehen ist, und mittels eines ohmschen Spannungsteilers erfolgen. Diese Messvariante der Eingangsspannung weist allerdings den Nachteil auf, dass beispielsweise bei Leerlauf bzw. bei einer Teillast an der Ausgangsseite der Stromversorgung bzw. des Schaltnetzteil von den so genannten Y-Kondensatoren ein kapazitiver Spannungs teiler gebildet wird. Die so genannten Y-Kondensatoren dienen der Elektronmagnetischen Verträglichkeit (EMV), um ungewollte wechselseitige Beeinflussung anderer Geräte zu verhindern.
Sie sind zwischen Außenleiter bzw. Neutralleiter und Schutz leiter oder Protective Earth (PE) angebracht. Durch den von den Y-Kondensatoren gebildeten kapazitiven Spannungsteiler wird beispielsweise das primärseitige Bezugs- bzw. Massepo tential beeinflusst und die Messung der Eingangsspannung, insbesondere des Mittelwerts bzw. der Spannungshöhe, kann da mit sehr ungenau werden.
Weiterhin kann mit dieser Messvariante z.B. auch nicht die Spannungsart der Eingangsspannung festgestellt werden. Bei einer von einer Spannungsquelle oder einem Versorgungsnetz gelieferten elektrischen Spannung können als Spannungsart Gleichspannung und Wechselspannung unterschieden werden. Eine Gleichspannung ist eine elektrische Spannung, deren Augen blickswert sich über einen längeren Betrachtungszeitraum kaum bzw. gar nicht ändert. D.h. sie hat zu jedem Zeitpunkt das selbe Vorzeichen und (annähernd) denselben Betrag. Als Wech selspannung wird eine elektrische Spannung bezeichnet, deren Polarität in regelmäßiger Wiederholung wechselt, deren zeit licher Mittelwert üblicherweise aber null ist.
Eine weitere Variante die Eingangsspannung einer Stromversor gung bzw. eines Schaltnetzteils zu ermitteln, kann beispiels weise über einen Zweiweg-Gleichrichter bzw. Brückengleich richter, durch welchen die Eingangsspannung gleichgerichtet wird, und mit Hilfe eines Differenzverstärkers, welchem die gleichgerichtete Eingangsspannung zugeführt wird, erfolgen. Diese Messvariante weist allerdings den Nachteil auf, dass die Gleichrichtereinheit für die Messung der Eingangsspannung bei einer netzseitigen Überspannung - einem so genannten Sur- ge - die gleichen Überspannungswerte aushalten muss wie die eingangsseitige Gleichrichtereinheit der Stromversorgung.
Dies kann zu einer hohen Belastung für die Eingangsspannungs messung eingesetzten Bauteile (z.B. Dioden der Gleichrich tereinheit, etc.) führen bzw. diese Bauteile müssen entspre chend ausgelegt sein, um eventuell auftretende Überspannungen aushalten zu können. Eine derartige Dimensionierung kann z.B. zu relativ hohen Kosten und aufgrund der Anzahl und Größe der notwendigen Bauteile zu einem relativ großen Platzbedarf füh ren.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, mit welchen auf einfache und kostengünstige Weise eine Ermittlung einer Spannungsart einer Eingangsspannung sowie eine mög lichst genaue Bestimmung eines Spannungswerts einer Eingangs spannung einer Stromversorgung bzw. eines Schaltnetzteils er möglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung sowie durch ein zugehöriges Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Er findung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Spannungsart und ei nes Spannungswerts, insbesondere Mittelwerts, einer Eingangs spannung. Diese Schaltungsanordnung ist derart angeordnet, dass die Eingangsspannung der Stromversorgung an einer Ein gangsseite der Schaltungsanordnung abfällt. Diese Schaltungs anordnung umfasst zumindest einen Differenzverstärker zum Um wandeln der Eingangsspannung in ein Nutzsignal, welches über eine erste Gleichrichtereinheit gleichgerichtet wird. Die erste Gleichrichtereinheit ist an einem Ausgang des Diffe- renzverstärkers angeordnet und es ist ihr eine erste Kompen sationsdiode derart zugeordnet, dass eine Flussspannung der ersten Gleichrichtereinheit kompensiert wird. Weiterhin um fasst die Schaltungsanordnung einen Inverter, welcher aus dem Nutzsignal ein invertiertes Nutzsignal erzeugt. Das inver tierte Nutzsignal wird mittels einer an einem Ausgang des In verters angeordneten, zweiten Gleichrichtereinheit gleichge richtet, wobei der zweiten Gleichrichtereinheit eine zweite Kompensationsdiode derart zugeordnet ist, dass eine Fluss spannung der zweiten Gleichrichtereinheit kompensiert wird. Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung einen Mischeinheit, von welcher aus dem gleichgerichteten Nutzsignal und dem gleichgerichteten, invertierten Nutzsignal ein erstes Aus gangssignal erzeugt wird. Weiterhin weist die Schaltungsan ordnung ausgangsseitig eine Filtereinheit, wie z.B. einen RC- Filter, auf, von welcher aus dem ersten Ausgangssignal der Schaltungsanordnung ein zweites Ausgangssignal (z.B. ein Mit telwert des gleichgerichteten Eingangsspannungssignals) er zeugt wird.
Der Hauptaspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht darin, auf einfache und kostengünstige Weise eine ge naue Analyse einer Eingangsspannung einer Stromversorgung bzw. eines Schaltnetzteils zu ermöglichen. D.h. es werden Spannungsart (Wechsel- oder Gleichspannung) sowie ein Span nungswert, insbesondere ein Mittelwert, der Eingangsspannung möglichst genau ermittelt. Dabei wird ein erstes Ausgangssig nal erzeugt, auf dessen Basis eine Spannungsart der Eingangs spannung (z.B. Gleichspannung oder Wechselspannung) ermittelt werden kann. Aus dem ersten Ausgangssignal wird ein zweites Ausgangssignal abgeleitet, welches für eine genaue Messung eines Spannungswerts, wie z.B. dem Mittelwert, der Eingangs spannung herangezogen werden kann. Durch eine ausgangsseitige Anbringung der Gleichrichtereinheiten, welche z.B. als Gleichrichterdioden ausgestaltet sein können, können kosten günstigere Bauteile verwendet werden, da bei einem niedrige ren Spannungsniveau als auf der Eingangsseite der Schaltungs anordnung gemessen werden kann. Durch die den Gleichrich- tereinheiten zugeordneten Kompensationsdioden wird einen re lativ hohe Flussspannung der jeweiligen Gleichrichtereinheit bzw. der jeweiligen Gleichrichterdiode kompensiert. Dadurch können sehr genaue Messergebnisse - vor allem beim Ermitteln des Spannungswerts bzw. Mittelwerts der Eingangsspannung - erzielt werden.
Durch die ausgangsseitig angeordnete Filtereinheit der Schal tungsanordnung, wie z.B. einen RC-Filter, wird idealerweise aus dem ersten Ausgangssignal der Schaltungsanordnung ein zweites Ausgangssignal (z.B. ein Mittelwert des gleichgerich teten Eingangsspannungssignals) erzeugt. Auf diese Weise kann aus dem ersten Ausgangssignal die Spannungsart der Eingangs spannung und aus dem zweiten Ausgangssignal ein Messwert für den Spannungs- bzw. Mittelwert der Eingangsspannung ermittelt werden.
Dazu sind idealerweise für eine Auswertung das erste Aus gangssignal und des zweite Ausgangssignal über eine Datenver bindung (z.B. Process Field Network oder kurz Profinet, etc.) an eine Steuereinheit weiterleitbar. Diese Steuereinheit kann z.B. lokal oder zentral angeordnet und beispielsweise als Mikrokontroller ausgeführt sein.
Es ist weiterhin günstig, wenn der Differenzverstärker ein gangsseitig hochohmig ausgeführt ist. Dadurch kann auf einfa che Weise das relativ hohe Spannungsniveau der Eingangsspan nung (z.B. 84V bis 278V) beim erzeugten Nutzsignal auf ein wesentlich niedrigeres Spannungsniveau (z.B. 0,5V bis 12,5V) herabgesetzt werden. Dadurch können insbesondere für die Gleichrichtereinheiten kostengünstigere Bauteile, welche nicht für hohe Spannungen ausgelegt sind, eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung sieht vor, dass die erste Gleichrichtereinheit und die zugeordnete erste Kompensationsdiode und dass die zweite Gleichrichtereinheit und die zugeordnete zweite Kom pensationsdiode als jeweils Doppeldioden ausgestaltet sind. Dabei sind die jeweilige Gleichrichtereinheit und die jewei lige Kompensationsdiode beispielsweise in einem Gehäuse ver baut und dadurch idealerweise thermisch gekoppelt. Durch die se thermische Kopplung können temperaturabhängige Flussspan nungen sehr einfach eliminiert werden und eine relativ genaue Auswertung bzw. Messung der Eingangsspannung erzielt werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Differenzverstärker und der Inverter derart ausgestaltet sind, dass eine interne Hilfsversorgung der Stromversorgung als Betriebsspannung für den Differenzverstärker und für den Inverter genutzt werden kann. Auf dieses Weise ist keine zu sätzliche Spannungsversorgung für die Versorgung des Diffe renzverstärker und des Inverters notwendig. Die Schaltungsan ordnung kann damit platz- und kostensparend ausgestaltet wer den. Dazu ist weiterhin einen Referenzspannung (z.B. von 5 Volt) vorgesehen, welche eingangsseitig vom Differenzverstär ker und vom Inverter als Bezugsspannung genutzt wird. Durch die Referenzspannung wird z.B. eine Ausgangsspannung des Dif ferenzverstärkers bzw. des Inverters durch den entsprechenden Wert der Referenzspannung verschoben. Dadurch kann für die Spannungsversorgung des Differenzverstärkers bzw. des Inver ters nur die vorhandene Spannungsquelle sowie ein Bezugs- bzw. Massepotential genutzt werden. Eine negative Spannungs quelle zur Versorgung des Differenzverstärkers bzw. des In verters kann eingespart werden.
Die Lösung der angeführten Aufgabe erfolgt weiterhin durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Spannungsart einer Ein gangsspannung einer Stromversorgung, für welches ein auf der Eingangsspannung der Stromversorgung basierendes erstes Aus gangssignal genutzt wird, welches mittels der erfindungsgemä ßen Schaltungsanordnung erfasst wird. Dazu wird nach dem Er fassen des ersten Ausgangssignal mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, nach erstmaligem Feststellen bzw. Durch laufen eines Scheitelwertes des ersten Ausgangssignals abge wartet, bis ein erster Schwellwert unterschritten wird. Da- nach werden folgende Schritte bis zum Erreichen einer vorge gebenen Anzahl an Wiederholungen durchlaufen:
- Abspeichern eines Zeitstempels und Starten einer vorgege benen Totzeit, wenn der erste Schwellwert vom ersten Aus gangssignal unterschritten wird;
- Prüfen, ob nach Ablauf der vorgegebenen Totzeit ein zwei ter Schwellwert vom ersten Ausgangssignal überschritten wird; und
- Abwarten bis das erste Ausgangssignal den ersten Schwell wert wieder unterschreitet, wenn bei Ablauf der Totzeit der zweite Schwellwert vom ersten Ausgangssignal über schritten wurde, wobei der zweite Schwellwert größer als der erste Schwellwert ist.
Nach Erreichen der vorgegebenen Anzahl an Wiederholungen wird aus den gespeicherten Zeitstempel eine Frequenz der Eingangs spannung und damit die Art der Eingangsspannung abgeleitet.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf einfache und robuste Weise ermittelt werden, welche Spannungsart die Eingangsspannung aufweist. Dazu wird beispielsweise aus zu mindest zwei gespeicherten Zeitstempeln eine Frequenz der Eingangsspannung abgeleitet. Kann beispielsweise eine Fre quenz in einem Bereich von 45 bis 65 Hertz festgestellt wer den, so wird dies z.B. als Versorgung mit einer Wechselspan nung bewertet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ide alerweise die Spannungsart der Eingangsspannung selbst bei Störungen der Netz- bzw. Versorgungsspannung, wie z.B. beim Einschalten mit einem kleinen Trenntransformator, etc. er kannt werden.
Es ist weiterhin günstig, wenn das erfindungsgemäße Verfahren abgebrochen wird, wenn nach Ablauf der Totzeit der zweite Schwellwert innerhalb einer vorgebbaren ersten Zeitdauer nicht überschritten wird, oder wenn nach Ablauf einer zweiten vorgebbaren Zeitdauer der erste Schwellwert nicht unter schritten wird. Für die erste Zeitdauer und für die zweite Zeitdauer können z.B. gleiche Werte oder unterschiedliche Werte gewählt werden. Die Messung bzw. die zu wiederholenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können z.B. solange wiederholt werden, bis eine gültige Wechselspannungsversor gung (z.B. lOmal) detektiert wurde. Wird nach der Anzahl vor gegebenen Wiederholungen oder nach Ablauf der ersten bzw. zweiten Zeitdauer (z.B. 100ms) keine gültige Wechselspannung festgestellt, so wird davon ausgegangen, dass als Eingangs spannung einen Gleichspannung (z.B. von einer Batterie) als Versorgungsspannung der Stromversorgung verwendet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen dabei:
Figur 1 schematisch und beispielhaft eine Stromversorgung mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Ermit teln einer Spannungsart sowie eines Spannungswerts einer EingangsSpannung
Figur 2 schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Figur 3 eine beispielhafte, detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Figur 4 einen beispielhaften Verlauf eines von der erfin dungsgemäßen Schaltungsanordnung generierten, ersten Ausgangssignals mit entsprechender Ableitung der Span nungsart der Eingangsspannung
Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine einphasige Stromversorgung bzw. ein einphasiges Schaltnetzteil SV, wel che die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ME zum Ermitteln einer Spannungsart sowie eines Spannungswerts einer Eingangs spannung Ue der Stromversorgung SV bzw. des Schaltnetzteils SV umfasst. Die beispielshafte Stromversorgung SV wird von einem Versorgungsnetz mit der Eingangsspannung Ue versorgt, welche z.B. von einer Spannungsdifferenz zwischen einem Au ßenleiter L und dem Neutralleiter N des Versorgungsnetzes ge- bildet wird. D.h. es wird zur Spannungsversorgung der Strom versorgung SV nur ein Außenleiter L bzw. eine Phase L des Versorgungsnetzes genutzt.
Die Eingangsspannung Ue, welche beispielsweise eine 230V- Wechselspannung sein kann, wird über eine Gleichrichterein heit GL als Eingangsstufe der Stromversorgung SV in eine gleichgerichtete Zwischenkreisspannung UZK an einer Ausgangs seite der Gleichrichtereinheit GL bzw. an einer Eingangsseite eines Zwischenkreises ZK umgesetzt. Die Zwischenkreisspannung UZK ist dabei auf ein Bezugspotential M bzw. ein Massepoten tial M bezogen. Der Zwischenkreis ZK kann beispielsweise ei nen optionalen Zwischenkreiskondensator CZK umfassen. Weiter hin sind im Zwischenkreis ZK z.B. aus Gründen der elektromag netischen Verträglichkeit zumindest zwei Y-Kondensatoren Yl, Y2 angeschlossen. Über die Y-Kondensatoren Yl, Y2 sind im Zwischenkreis ZK zwischen dem oberen Potential bzw. zwischen dem das Bezugs- oder Massepotential M und einem Schutzleiter PE bzw. der so genannten Protective Earth PE angeordnet.
Von der Stromversorgung SV bzw. dem Schaltnetzteil SV wird die meist unstabilisierte Eingangsspannung Ue in eine kon stante Ausgangsspannung Ua (z.B. eine Gleichspannung von 4 bis 28V) an einer Ausgangsseite der Stromversorgung SV bzw. des Schaltnetzteils SV zur Versorgung eines oder mehrerer Verbraucher umgewandelt, wobei eine Konstanz der Ausgangs spannung Ua eine Regelung des Energieflusses erreicht wird. Dazu umfasst die Stromversorgung SV weiterhin einen Schalt wandler SN, welcher an einer Ausgangsseite des Zwischenkrei ses ZK angeordnet ist. Dieser Schaltwandler SN weist zumin dest ein periodisch arbeitendes, elektronisches Schaltelement auf und kann z.B. als potentialtrennende Schaltwandler SN, welche eine galvanische Trennung (z.B. Transformator) aufwei sen, oder potentialgebundene (d.h. nicht potentialtrennende) Schaltwandler SN ohne galvanische Trennung ausgeführt sein.
An einer Ausgangsseite des Schaltwandlers SN kann dann die konstante Ausgangsspannung Ua abgegriffen werden bzw. einem oder mehreren Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin weist die Stromversorgung SV die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ME auf, mit welcher eine Spannungsart und ein Spannungswert der Eingangsspannung Ue der Stromversorgung SV bzw. des Schaltnetzteils SV bestimmt werden kann. Die Schaltungsanordnung ME ist dabei derart angeordnet, dass an einem Eingang der Schaltungsanordnung ME die Eingangsspannung Ue der Stromversorgung SV abfällt. Dazu ist die Schaltungsan ordnung ME z.B. eingangsseitig über hochohmige Widerstände RI, R2 mit dem Außenleiter L und dem Neutralleiter N an der Eingangsseite des Schaltnetzteils SN verbunden. Für eine Spannungsversorgung der Schaltungsanordnung ME ist eine Hilfsspannung UH (z.B. 13V) vorgesehen. Als Hilfsspannung UH kann beispielsweise eine bereits in der Stromversorgung SV z.B. für Steuer- und/oder Signaleinheiten genutzte Hilfsver sorgung genutzt werden. Weiterhin ist die Schaltungsanordnung mit dem Bezugspotential bzw. Massepotential M des Zwischen kreises ZK der Stromversorgung SV verbunden.
Ausgangsseitig werden von der Schaltungsanordnung ME zwei Ausgangssignale AS1, AS2 zur Verfügung gestellt. Diese Aus gangssignale AS1, AS2 können beispielsweise über eine Daten verbindung (z.B. Process Field Network oder kurz Profinet, etc.) an eine lokale oder zentrale Steuereinheit SE weiterge leitet werden. Mit Hilfe der Steuereinheit SE, welche z.B. als Mikrocontroller ausgeführt sein kann, können die Aus gangssignale AS1, AS2 entsprechend ausgewertet werden. Aus einem ersten Ausgangssignal AS1 kann beispielsweise mittels des zugehörigen Verfahrens zum Ermitteln einer Spannungsart der Eingangsspannung Ue der Stromversorgung SV die Spannungs art der Eingangsspannung Ue abgeleitet werden. D.h. aus dem ersten Ausgangssignal AS1 kann - wie in der Folge anhand von Figur 4 näher beschrieben wird - bestimmt werden, ob die Ein gangsspannung Ue eine Wechselspannung oder eine Gleichspan nung ist. Ein zweites Ausgangssignal AS2 kann für eine genaue Bestimmung eines Spannungswerts bzw. Mittelwerts der Ein gangsspannung Ue herangezogen werden. Figur 2 zeigt nun schematisch eine beispielhafte Ausführungs form der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ME zum Ermit teln der Spannungsart und eines Spannungswerts der Eingangs spannung Ue der Stromversorgung SV, wobei die Schaltungsan ordnung derart angeordnet ist, dass die Eingangsspannung Ue der Stromversorgung SV auch an einer Eingangsseite der Schal tungsanordnung ME anliegt. Dazu ist die Eingangsseite der Schaltungsanordnung z.B. an den Außenleiter L und an den Neutralleiter N der einphasigen Spannungsversorgung der Stromversorgung SV bzw. des Schaltnetzteils SV angebunden, wobei als Eingangsspannung Ue die Differenzspannung zwischen Außenleiter L und Neutralleiter N am Eingang der Schaltungs anordnung ME bzw. eines Differenzverstärkers DIF der Schal tungsanordnung ME anliegt. Vom Differenzverstärker DIF wird die Eingangsspannung Ue mit einem relativ hohen Spannungsni veau (z.B. 84 bis 278V) in ein Nutzsignal NS mit niedrigem Spannungsniveau (z.B. 0,5 bis 12,5V) umgewandelt. Der Diffe renzverstärker DIF ist eingangsseitig hochohmig ausgestaltet.
An einer Ausgangsseite des Differenzverstärkers DIF ist eine erste Gleichrichtereinheit GL1, insbesondere ein Einwegg leichrichter GL1 oder eine Gleichrichterdiode GL1, ange bracht, von welcher das vom Differenzverstärker DIF erzeugte Nutzsignal NS gleichgerichtet wird und zu einer Mischeinheit MS weitergeführt wird. Der ersten Gleichrichtereinheit GL1 ist eine erste Kompensationsdiode Kl zugeordnet, von welcher eine durch die Flussspannung der ersten Gleichrichtereinheit GL1 verursachte Spannungsverschiebung kompensiert wird. Ide alerweise können die erste Gleichrichtereinheit GL1 und die erste Kompensationsdiode Kl als so genannte Doppeldiode aus gestaltet sein. D.h. die beiden Einheiten GL1, Kl sind z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse verbaut und dadurch thermisch gekoppelt, wodurch temperaturabhängige Flussspannungen sehr einfach und gut eliminierbar sind.
Der Kompensationsdiode ist weiterhin ein erster Pullup- Widerstand R3 zugeordnet, welcher eine (Signal-)Leitung mit einem höheren Spannungspotential verbindet. Der erste Pullup- Widerstand ist zwischen einer Anode der ersten Kompensations diode Kl und einer Hilfsspannung UH angeordnet. Die Hilfs spannung UH (Z.B. 13V), welche beispielsweise bereits in der Stromversorgung SV zur Spannungs ersorgung von z.B. internen Steuer- und/oder Signaleinheiten vorhanden ist, wird auch zur Spannungsversorgung des Differenzverstärkers DIF bzw. als Be triebsspannung UH für den Differenzverstärker DIF genutzt wird. Weiterhin weist der Differenzverstärker DIF eine Anbin dung an ein Bezugs- oder Massepotential M auf.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ME einen Inverter INV, welcher ebenfalls die interne Hilfsspan nung UH zur Spannungsversorgung bzw. als Betriebsspannung be nutzt und auch eine Anbindung an das Bezug- oder Massepoten tial M aufweist. Vom Inverter INV wird das vom Differenzver stärker DIF erzeugte Nutzsignal NS in ein invertiertes Nutz signal negNS umgesetzt.
An einer Ausgangsseite des Inverters INV ist eine zweite Gleichrichtereinheit GL2, insbesondere ein Einweggleichrich ter GL2 oder eine Gleichrichterdiode GL2, angebracht, von welcher das vom Inverter INV erzeugte, invertierte Nutzsignal negNS gleichgerichtet wird und zur Mischeinheit MS weiterge führt wird. Der zweiten Gleichrichtereinheit GL2 ist eben falls eine zweite Kompensationsdiode K2 zugeordnet, von wel cher eine durch die Flussspannung der zweiten Gleichrich tereinheit GL2 verursachte Spannungsverschiebung kompensiert wird. Idealerweise sind auch die zweite Gleichrichtereinheit GL2 und die zweite Kompensationsdiode K2 als so genannte Dop peldiode ausgestaltet. Die zweite Gleichrichtereinheit GL2 und die zweite Kompensationsdiode K2 sind ebenfalls in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und damit dadurch thermisch gekoppelt, wodurch temperaturabhängige Flussspannungen sehr einfach und gut eliminierbar sind.
Der zweiten Kompensationsdiode K2 sowie der zweiten Gleich richtereinheit GL2 sind jeweils ein zweiter und ein dritter Pullup-Widerstand R4, R5 zugeordnet. Die zweite Pullup- Widerstand R4 ist zwischen der Anode der zweiten Kompensati onsdiode K2 und der Hilfsversorgung UH angeordnet. Der dritte Pullup-Widerstand R5 ist zwischen der Anode der zweiten Gleichrichtereinheit GL2 und der Hilfsversorgung UH ange bracht.
Um beispielsweise eine negative Betriebsspannung -UH für den Differenzverstärker DIF bzw. für den Inverter INV einzusparen bzw. die interne Hilfsversorgung UH der Stromversorgung SV nutzen zu können, ist weiterhin eine Referenzspannung Uref (z.B. 5V) vorgesehen.
In der Mischeinheit MS wird dann das Nutzsignal NS des Diffe renzverstärkers DIF und das invertierte Nutzsignal negNS des Inverters INV zu einem ersten Ausgangssignal AS1 zusammenge führt, welches beispielsweise für die Bestimmung der Span nungsart der Eingangsspannung Ue verwendet wird. D.h. aus dem ersten Ausgangssignal AS1 kann abgeleitet werden, ob es sich bei der Eingangsspannung Ue um eine Wechsel- oder Gleichspan nung handelt.
Weiterhin weist die Schaltungsanordnung ME eine Filtereinheit auf. Die Filtereinheit ist z.B. als RC-Filter ausgestaltet und umfasst einen Widerstand RF und eine Kapazität CF. Mit Hilfe der Filtereinheit kann aus dem ersten Ausgangssignal AS1 ein zweites Ausgangssignal AS2 erzeugt werden, welches z.B. einen Mittelwert des ersten Ausgangssignals AS1 dar stellt. Das zweite Ausgangssignal AS2 kann beispielsweise für eine relativ genaue Bestimmung der Eingangsspannung Ue bzw. eines Eingangsspannungsmittelwert verwendet werden.
Das erste Ausgangssignal AS1 wie das zweite Ausgangssignal AS2 können dann z.B. über eine Datenverbindung (z.B. Profi net, etc.) an eine lokale oder zentrale Steuereinheit SE wei tergeleitet werden, mit deren Hilfe die Ausgangssignale AS1, AS2 entsprechend ausgewertet werden können. In Figur 3 ist ebenfalls beispielhaft und schematisch die er findungsgemäße Schaltungsanordnung ME zum Ermitteln einer Spannungsart und eines Spannungswerts der Eingangsspannung Ue der Stromversorgung SV dargestellt, wobei aus Figur 3 vor al lem beispielhafte Ausführungsformen des Differenzverstärkers DIF bzw. des Inverters INV ersichtlich sind.
Der Differenzverstärker DIF der Schaltungsanordnung ME kann beispielsweise als Operationsverstärkerschaltung ausgeführt sein. Dazu umfasst der Differenzverstärker DIF einen Operati onsverstärker OPI, welcher als positive Betriebsspannung z.B. die Hilfsspannung UH nutzt und dessen negativer Betriebsspan nungsanschluss mit dem Bezugs- oder Massepotential M verbun den ist. Weiterhin umfasst der Differenzverstärker DIF ein gangsseitig zwei Eingangswiderstände RI, R2, welche hochohmig ausgeführt sind und z.B. einen gleichen Widerstandswert auf weisen. Es sind weiterhin zwei weitere Widerstände R6, R7 vorgesehen, welche im Vergleich zu den Eingangswiderständen RI, R2 niederohmig ausgeführt sind und z.B. ebenfalls den gleichen Widerstandswert aufweisen können. Dabei ist der ers te Widerstand R6 des Differenzverstärkers DIF mit der Refe renzspannung Uref verbunden und der zweite Widerstand R7 in der Rückkopplung des Differenzverstärkers DIF angeordnet. Ausgangsseitig des Differenzverstärkers DIF bzw. des Operati onsverstärkers OPI des Differenzverstärkers DIF ist wieder die erste Gleichrichtereinheit GL1 sowie in der Rückkopplung der Differenzverstärkerschaltung DIF die erste Kompensations diode Kl angeordnet.
Wie in Figur 3 beispielhaft dargestellt, kann auch der Inver ter INV als Operationsverstärkerschaltung mit einem Operati onsverstärker OP2 ausgestaltet sein. Auch der Operationsver stärker OP2 nutzt als positive Betriebsspannung z.B. die Hilfsspannung UH und sein negativer Betriebsspannungsan schluss ist mit dem Bezugs- oder Massepotential M verbunden. Ein positiver Eingang des Operationsverstärkers OP2 des In verters INV ist z.B. mit der Referenzspannung Uref verbunden. Über einen ersten Widerstand R8 des Inverters INV wird das vom Differenzverstärker DIF erzeugte Nutzsignal NS einem ne gativen Eingang des Operationsverstärkers OP2 des Inverters INV zugeführt. In der Rückkopplung des Operationsverstärkers OP2 des Inverters INV ist ein zweiter Widerstand R9 des In verters INV angebracht, wobei für eine Invertierung des Nutz signals NS die beiden Widerstände R8, R9 des Inverters INV den gleichen Widerstandswert aufweisen. Ausgangsseitig des Inverters INV bzw. des Operationsverstärkers OP2 ist die zweite Gleichrichtereinheit GL2 zum Gleichrichten des inver tierten Nutzsignals negNS angeordnet sowie die zweite Kompen sationsdiode in der Rückkopplung der Inverterschaltung INV.
Das gleichgerichtete Nutzsignal NS aus dem Differenzverstär ker DIF und das gleichgerichtete, invertierte Nutzsignal negNS werden wieder der Mischeinheit MS zugeführt und zum ersten Ausgangssignal AS1 gemischt. Über die RC-Filtereinheit Rf, CF wird dann aus dem ersten Ausgangssignal AS1 das zweite Ausgangssignal AS2 abgeleitet.
Figur 4 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf eines von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ME generierten, ersten Ausgangssignals AS1, von welchem gemäß dem erfindungs gemäßen Verfahren eine Spannungsart der Eingangsspannung Ue abgeleitet wird.
Auf einer waagrechten Achse ist dabei eine Zeit t aufgetragen und auf einer senkrechten Achse eine Spannung -U. Ein Schnittpunkt der senkrechten Achse mit der waagrechten Achse liegt auch auf einem Spannungswert der Referenzspannung Uref (z.B. bei 5V). Weiterhin sind auf der senkrechten Achse strichlierte Markierungen für 0 Volt, für einen ersten Schwellwert SW1 und einen zweiten Schwellwert SW2 aufgetra gen, wobei der erste Schwellwert SW1 näher beim Wert der Re ferenzspannung Uref liegt als der zweite Schwellwert SW2. Al ternativ kann auch ein Schwellwert mit einer Hysterese ver wendet werden. Das erste Ausgangssignal AS1 weist aufgrund der Gleichrichtung durch die beiden Gleichrichtereinheiten GL1, GL2 der Schaltungsanordnung ME beispielsweise einen zeitlichen Verlauf einer pulsierenden Gleichspannung auf, wo bei eine Welle einen Scheitelwert Ü aufweist.
Für die Auswertung der Eingangsspannung Ue bzw. des ersten Ausgangssignals AS1 wird nach Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens zuerst ein einmaliges Durchlaufen des Scheitelwer tes Ü des ersten Ausgangssignals abgewartet. Vom Scheitelwert Ü kommend wird dann ein Unterschreiten des ersten Schwellwer tes SW1 abgewartet. Wird ein Unterschreiten des ersten Schwellwerts SW1 beispielsweise an einem ersten Zeitpunkt tl festgestellt, so wird ein erster Zeitstempel abgespeichert und eine vorgegebenen Totzeit Tt gestartet. Nach Ablauf der vorgegebenen Totzeit Tt zu einem zweiten Zeitpunkt t2 wird geprüft bzw. gewartet, bis der zweite Schwellwert SW2 über schritten wurde. Nach Überschreiten des zweiten Schwellwerts SW2 wird gewartet, wann das erste Ausgangssignal AS1 wieder den ersten Schwellwert SW1 unterschreitet. Wird zu einem dritten Zeitpunkt t3 der erste Schwellwert SW1 wieder unter schritten, so wird wieder ein zweiter Zeittempel abgespei chert und die vorgegebenen Totzeit Tt gestartet. Nach Ablauf der Totzeit Tt zu einem vierten Zeitpunkt t4 wird wieder ge prüft, ob der zweite Schwellwert SW2 überschritten wurde. Ist dies der Fall, so wird wieder auf das Unterschreiten des ers ten Schwellwerts SW1 gewartet und ein Zeitstempel abgespei chert, wenn zu einem fünften Zeitpunkt t5 das Unterschreiten des ersten Schwellwerts SW1 durch das erste Ausgangssignal AS1 festgestellt wird.
Die Schritte „Abspeichern eines Zeitstempels und Starten ei ner vorgegebenen Totzeit Tt, wenn der erste Schwellwert SW1 vom ersten Ausgangssignal AS1 unterschritten wird", „Prüfen, ob nach Ablauf der vorgegebenen Totzeit Tt ein zweiter Schwellwert SW2 vom ersten Ausgangssignal (AS1) überschritten wird" und „Abwarten bis das erste Ausgangssignal AS1 den ers ten Schwellwert SW1 wieder unterschreitet, nachdem bei oder nach Ablauf der Totzeit Tt der zweite Schwellwert SW2 vom ersten Ausgangssignal AS1 überschritten wurde" werden solange wiederholt, bis eine vorgegebene Anzahl an Wiederholungen - z.B. 10 Wiederholungen - erreicht ist. Danach kann aus zumin dest zwei gespeicherten Zeitstempeln eine Frequenz des ersten Ausgangssignals AS1 und damit der Eingangsspannung Ue abge leitet werden. Liegt diese Frequenz beispielsweise in einem Bereich von 45 bis 65 Hertz, so kann die Eingangsspannung Ue als Wechselspannung bewertet werden.
Wird nach Ablauf der Totzeit Tt der zweite Schwellwert SW2 innerhalb einer vorgebbaren ersten Zeitdauer (z.B. 100ms) nie überschritten bzw. wird nach Ablauf einer zweiten Zeitdauer beispielsweise nach einem erstmaligen Durchlaufen des Schei telwerts Ü des ersten Ausgangssignals AS1 der erste Schwell wert SW1 nie unterschritten, so kann eine Durchführung des Verfahrens abgebrochen bzw. die Eingangsspannung Ue als Gleichspannung bewertet. Weiterhin kann die Eingangsspannung Ue auch als Gleichspannung gewertet werden, wenn sich aus den gespeicherten Zeitstempeln z.B. nach der vorgegebenen Anzahl an Wiederholungen der Verfahrensschritt keine Frequenz des ersten Ausgangssignals AS1 detektieren lässt. Das Verfahren zum Ermitteln einer Spannungsart einer Eingangsspannung Ue einer Stromversorgung SV kann beispielsweise in der Steuer einheit SE durchgeführt werden. Die Auswertung des ersten wie des zweiten Ausgangssignals AS1, AS2 können dann beispiels weise an eine lokale oder zentrale Steuer-, Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit weitergeleitet werden, um z.B. ange zeigt zu werden oder entsprechend weiterverarbeitet zu wer den.

Claims

Patentsprüche
1. Schaltungsanordnung (ME) zum Ermitteln einer Spannungsart und eines Spannungswerts einer Eingangsspannung (Ue) ei ner Stromversorgung (SV), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (ME) derart angeordnet ist, dass die Eingangsspannung (Ue) der Stromversorgung (SV) ein gangsseitig an der Schaltungsanordnung (ME) abfällt, und dass die Schaltungsanordnung (ME) zumindest umfasst:
- einen Differenzverstärker (DIF) zum Umwandeln der Ein gangsspannung (Ue) in ein Nutzsignal (NS), welches über eine erste Gleichrichtereinheit (GL1) gleichgerichtet wird, die an einem Ausgang des Differenzverstärkers (DIF) angeordnet ist und der eine erste Kompensations diode (Kl) zugeordnet ist;
- einen Inverter (INV) zum Erzeugen eines invertierten Nutzsignals (negNS) aus dem Nutzsignal (NS), wobei das invertierte Nutzsignal (negNS) über eine zweite Gleich richtereinheit (GL2) gleichgerichtet wird, die an einem Ausgang des Inverters (INV) angeordnet ist und der eine zweite Kompensationsdiode (K2) zugeordnet ist,
- eine Mischeinheit (MS) zum Erzeugen eines ersten Aus gangssignal (AS1) aus dem gleichgerichteten Nutzsignal (NS) und dem gleichgerichteten, invertierten Nutzsignal (negNS), und
- eine Filtereinheit (RF, CF) umfasst, welche dazu einge richtet ist, aus dem ersten Ausgangssignal (AS1) ein zweites Ausgangssignal (AS2) zu erzeugen.
2. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Auswertung das erste Ausgangssignal (AS1) und des zweite Ausgangs signal (AS2) über eine Datenverbindung an eine Steuerein heit (SE) weiterleitbar sind.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzver- stärker (DIF) eingangsseitig hochohmig ausgeführt ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gleich richtereinheit (GL1) und die zugeordnete erste Kompensa tionsdiode (Kl) und dass die zweite Gleichrichtereinheit (GL2) und die zugeordnete zweite Kompensationsdiode (K2) als jeweils Doppeldioden ausgestaltet sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzver- stärker (DIF) und der Inverter (INV) derart ausgestaltet sind, dass eine Hilfsversorgung (UH) der Stromversorgung (SV) als Betriebsspannung für den Differenzverstärker (DIF) und für den Inverter (INV) genutzt werden kann.
6. Verfahren zum Ermitteln einer Spannungsart einer Ein gangsspannung (Ue) einer Stromversorgung dadurch gekenn zeichnet, dass ein auf der Eingangsspannung (Ue) der Stromversorgung (SV) basierendes erstes Ausgangsignal (AS1) mit einer Schaltungsanordnung (ME) gemäß den An sprüchen 1 bis 5 erfasst wird, dass nach erstmaligem Durchlaufen eines Scheitelwertes (Ü) des ersten Ausgangssignal (Ue) abgewartet wird, dass ein erster Schwellwert (SW1) unterschritten wird, und dass dann folgende Schritte bis zum Erreichen einer vor gegebenen Anzahl an Wiederholungen durchlaufen werden:
- Abspeichern eines Zeitstempels und Starten einer vorge gebenen Totzeit (Tt) , wenn der erste Schwellwert (SW1) vom ersten Ausgangssignal (AS1) unterschritten wird;
- Prüfen, ob nach Ablauf der vorgegebenen Totzeit (Tt) ein zweiter Schwellwert (SW2) vom ersten Ausgangssignal (AS1) überschritten wird; und
- Abwarten bis das erste Ausgangssignal (AS1) den ersten Schwellwert wieder unterschreitet, wenn bei Ablauf der Totzeit (Tt) der zweite Schwellwert (SW2) vom ersten Ausgangssignal (AS1) überschritten wurde, wobei der zweite Schwellwert (SW2) größer als der erste Schwell wert (SW1) ist; und dass nach Erreichen der vorgegebenen Anzahl an Wie derholungen aus den gespeicherten Zeitstempel eine Fre quenz der Eingangsspannung (Ue) abgeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren abgebrochen wird, wenn nach Ablauf der Tot zeit (Tt) der zweite Schwellwert (SW2) innerhalb einer vorgebbaren ersten Zeitdauer nicht überschritten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass das Verfahren abgebrochen wird, wenn nach Ablauf einer zweiten vorgebbaren Zeitdauer der erste Schwellwert (SW1) nicht unterschritten wird.
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