DE3325361A1 - Lasttreiberschaltung mit laststromabfuehlung - Google Patents

Lasttreiberschaltung mit laststromabfuehlung

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DE3325361A1 DE19833325361 DE3325361A DE3325361A1 DE 3325361 A1 DE3325361 A1 DE 3325361A1 DE 19833325361 DE19833325361 DE 19833325361 DE 3325361 A DE3325361 A DE 3325361A DE 3325361 A1 DE3325361 A1 DE 3325361A1
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Description

9147-24ΝΧ-46Ο5
GENERAL ELECTRIC COMPANY
Lasttreiberschaltung mit Laststromabfühlung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßausrüstung und betrifft insbesondere eine Meßausrüstung und eine Steuereinrichtung in einer Umgebung, die während des Betriebes eine genaue und ständige überwachung verlangt. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Anordnung zum Umschalten von induktiven Hochstromlasten während des Überwachens des Status der Lastschaltung. Einem besonderen Zweck dient die Erfindung beim Treiben einer wechselstromgesteuerten Feldmagnetspule, die in einem Abstand von bis zu etwa 900 m (one-half mile) mit der Steuerquelle verbunden ist, wie beispielsweise in der Umgebung einer arbeitenden Kernreaktoranlage. Die Erfindung wird insbesondere dort eingesetzt, wo relativ hohe Stromwerte durch Signale mit Standardlogikpegel gesteuert werden und wo mechanische Kontaktrelais in der Betriebsumgebung nicht ausreichend zuverlässig sind.
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Manche Steuerfunktionen erfordern die Verwendung von Wechselstrom relativ hohen Wertes in Schaltungen, die Drahtlängen bis zu 1,85 km (one mile) oder mehr haben. Die relativ langen Hochstromkreise bringen besondere Steuerungsprobleme mit sich. Beispielsweise sind die langen Stromkreise unerwünschten Hochspannungs- und HochStromsprüngen aufgrund sowohl der äußeren Umgebung als auch der Induktivität in der Schaltung ausgesetzt. Es ist trotzdem erforder lich, den Strom in der getriebenen Schaltung von einem entfernten Ort aus genau zu messen.
Bislang werden Hochstromlasttreiberschaltungen mit logischen Signalen niedrigen Pegels über eine Gleichstromschaltungsanordnung und Schaltungen mit mechanischen Kontaktrelais gesteuert. Die Zuverlässigkeit und die Störfestigkeit sind bei solchen Schaltungsanordnungen nicht immer gewährleistet. Darüber hinaus haben mechanische Relais von Haus aus nur eine endliche Lebensdauer. Das häufige Testen einer Relaisschaltung hat zur Folge, daß die Relaiskontakte sich verschlechtern, wodurch die Zuverlässigkeit der Schaltung verschlechtert wird. Darüber hin-K aus sind die Testprozeduren so, daß ein Relais zum Testen aus seinem normalen Stromkreis entfernt werden muß, um eine Auswirkung auf die Last zu vermeiden. Die Verschlechterung, die durch Selbsttesten verursacht wird, ist in einer Umgebung, die eine hohe Zuverlässigkeit verlangt, im allgemeinen nicht akzeptabel.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung enthält einen Festkörperlasttreiber zum Steuern von Wechselstromlasten, die mit einer Drossel mit sättigbarem Schnittbandkern zum Abfühlen des Vorhandenseins oder NichtVorhandenseins von Laststrom in Reihe geschaltet werden können. Der Laststrom und die Laststromüberwachungsschaltung stehen beide unter der Steuerung von logischen Signalen relativ niedrigen Pe-
gels. Die Ausgangsschaltungsanordnung sorgt für eine starke Trennung zwischen der Steuerlogikschaltungsanordnung auf niedrigem Pegel und der Stromtreiberschaltungsanordnung auf hohem Pegel. Die Lasttreiberschaltungsanordnung kann getestet werden, indem eine Testtechnik, bei der Signale kurzer Dauer eingegeben werden, benutzt wird, ohne daß die Lasttreiberschaltungsanordnung verschlechtert wird, und der Strom kann mit vernachlässigbarer Auswirkung auf die Lastschaltung abgefühlt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer Lasttreiber
schaltung und einer Laststromüberwachungsschaltung nach der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 enthält die Lasttreiber- und stromabfühlschaltungsanordnung nach der Erfindung zwei HEXFETs 12, 14, die miteinander verbundene Gateelektroden 16 und 18, miteinander verbundene Sourceelektroden 20, 22 und Drainelektroden 24, 26 hat, welche an eine Last 28, die mit einer Stromquelle in Reihe geschaltet ist, über relativ lange Signalwege 32, 34 verbunden sind. Die Signalwege 32, 34 können aus einem verdrillten Doppeldraht bestehen, dessen Länge typisch in der Größenordnung von 800 m liegt. Die Last 28 ist typisch eine Feldwicklung einer elektromechanischen Magnetspule. Die Stromquelle 30 ist typisch eine Wechselstromversorgung, obgleich auch eine Gleichstromversorgung benutzt werden kann. An die Drainelektroden 24, 26 ist eine aus Dioden bestehende Amplitudenbegrenzungsschaltung 36 angeschlossen. Die Amplitudenbegrenzungsschaltung 36 dient zum Unterdrücken von unerwünschten Übergangsvorgängen, die sich auf den Signalwegen 32, 34 ausbilden können, sie ist aber für den normalen und
richtigen Betrieb der Schaltungsanordnung nicht notwendig. Die HEXFETs 12, 14 sind Feldeffekttransistoren mit drei Klemmen, die in der Lage sind, sowohl Wechselstromsignale zu leiten als auch Transistorgleichstromsignale in der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zu bewirken. Bevorzugt verwendet werden N-Kanal-Feldeffekttransistoren des Typs IRF350, die von der Firma International Rectifier, Los Angeles, California, hergestellt werden. Die Sourceklemmen 20, 22 sind mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt 38 verbunden, und die Drainelektroden 24, 26 sind mit der Last 28 und der Wechselstromguelle 30 in Reihe geschaltet, welch letztere beispielsweise eine 120 V, 60 Hz - Quelle ist, die zu der Last 28 in Reihe geschaltet ist.
Die HEXFET-Vorrichtungen 12, 14 werden wegen ihrer hohen Strombelastbarkeit und wegen ihres sehr niedrigen EIN-Widerstands, der jeweils bei Betrieb in Durchlaßrichtung typisch in dem Bereich von 0,3 Ohm liegt, gewählt.
Die Lasttreiberschaltung wird über einen Transformator 40 aus einer Oszillatorschaltung angesteuert, die einen Feldeffekttransistor (FET) 42 enthält, der an die Primärwicklung 44 des Transformators 40 angeschlossen ist. Die Oszillatorschaltung arbeitet bei etwa 100 kHz an einem Oszillatoreingang 43, der zu einem UND-Gatter 45 führt, das den FET 42 ansteuert. Eine Sekundärwicklung 46 ist über eine Gleichrichterdiode 48 angeschlossen, die in einer HaIbwellengleichrichterschaltung arbeitet. Die gleichgerichtete Halbwellengleichspannung wird durch einen Kondensator 50 gefiltert, der parallel zu der Sekundärwicklung 46 und parallel zu einem Lastwiderstand 54 geschaltet ist, an dem eine Gleichspannung gebildet wird, wenn die Oszillatorschaltung in Betrieb ist. Der gemeinsame Schaltungspunkt 38 der Sourceelektroden ist mit einer Klemme des Filterkondensators 50 verbunden. Die Sourceelektroden 20, 22 sind nur in der Treiber-
schaltungsanordnung erforderlich, da die Gateelektroden 16, 18 durch ihren eigenen getrennten und gleichgerichteten Gleichstrom unter der Steuerung des die Primärwicklung 44 des Transformators 40 ansteuernden Oszillators angesteuert werden.
Das Oszillatoreingangssignal 43 wird zu dem FET 42 nur in Gegenwart entweder eines Wähleingangsimpulses aus einem Wähleingangssignal an einem Schaltungspunkt 53 über ein ODER-Gatter 47, der im allgemeinen eine Dauer von etwa 1 ms hat, oder eines gehaltenen Eingangsimpulses auf einer Leitung 51 aus einem nichtinvertierenden Ausgang Q eines monostabilen Multivibrators 49 durchgelassen. Die Dauer eines solchen gehaltenen Signals ist so lang, wie es durch die Last verlangt wird. Eine typische Dauer beträgt ungefähr 100 ms.
Die Wähleingangsleitung SEL an dem Schaltungspunkt 53 wird benutzt, um sowohl Testeingangssignale als auch Funktionseingangssignale zu liefern. Die Funktionseingangssignale werden über eine RC-Tiefpaßfilterschaltung geleitet, die aus Widerständen 55 und 57 und aus einem Kondensator 59 besteht, wobei die Signale über den Widerstand 57· an eine Eingangsklemme eines Schmitt-Triggers 61 angelegt werden. Der Schmitt-Trigger 61 dient zum Schutz vor Eingangssignalzittern, um dadurch ein falsches Triggern des Multivibrators 49 zu verhindern. Ein Signal, das eine Dauer von wenigstens 1 ms und im allgemeinen in der Größenordnung von 5 ms hat, wird über den Schmitt-Trigger 61 zu dem monostabilen Multivibrator 49 geleitet, um einen ZeitSteuerkondensator 62 zu laden und das ODER-Gatter 47 über die Logiksignalleitung 51 für die Dauer der Zeitverzögerung, die durch den Zeitsteuerkondensator 6 2 hervorgerufen wird, freizugeben. Auf diese Weise kann die Lasttreiberschaltungsanordnung mit einem Testim-
. 3.
puls von 1 ms getestet werden, der den Oszillator über das UND-Gatter 45 für einen kurzen, d.h. 1 ms dauernden Test aktiviert, ohne daß der Multivibrator 49 für die volle Dauer der Lasttreibfunktion eingesetzt zu werden braucht.
Eines der Merkmale dieser Schaltungsanordnung ist die Möglichkeit, den Strom ständig und zuverlässig messen zu können, ohne den vorgesehenen funktionalen Betrieb zu unterbrechen oder anderweitig zu verschlechtern. Für diesen Zweck ist gemäß der Erfindung ein Abfühltransformator 52 vorgesehen, bei dem es sich um einen Transformator mit sättigbarem Kern handelt, um das Vorhandensein von Gatetreiberpotentialen oder Ausgangslaststrom zu erkennen. Der Transformator 52 hat einen Schnittbandkern 63, und eine erste Klemme 56 einer Lastabfühlwicklung 58 ist mit der Drainelektrode 26 und eine zweite Klemme 60 ist in Reihe mit der Last 28 verbunden. Ein erster Schalter 64 oder eine festverdrahtete Verbindung wird zum Hindurchleiten des Stroms durch die Last benutzt. Alternativ wird ein Widerstand 39 hoher Impedanz, der mit den Gateelektroden 16, 18 verbunden ist, mit einer Klemme 68 einer zweiten Transformatorwicklung 70 verbunden, deren andere Klemme 72 mit einem Stromfühler 78 verbunden wird. Die Verbindung kann über einen zweiten Schalter 76 als Teil einer mechanisch gekuppelten Schaltanordnung 66 mit dem ersten Schalter 64 erfolgen. Der Transformator 52 kann so zwei Funktionen dienen, nämlich als Gatestromfühler und als Laststromfühler. Statt dessen kann die zweite Wicklung 70 mit dem Stromfühler 78 festverdrahtet sein. In einer alternativen Ausführungsform können getrennte Transformatoren und Aufnehmer zum Gatestrom- und Laststromabfühlen benutzt werden, so daß der Mehrfachschalter 66 eliminiert werden kann und beide Abfühloperationen gleichzeitig ausgeführt werden können.
Der Stromzustand in dem Abfühltransformator 52 wird durch eine Testwicklung 80 überwacht. Eine Vormagnetisierungs-
Wicklung 82 magnetisiert den Abfühltransformator 52 auf einen gewünschten Stromwert vor, bei dem er sich der Sättigung nähert. Die Vormagnetisierung wird so gewählt, daß der erhöhte Strom entweder in der Lastabfühlwicklung 58 oder in der Gateabfühlwicklung 70 den Kern 63 in die Sättigung treibt und dadurch einem hohen Strom in der Abfühlwicklung 80 immer dann zu fließen gestattet, wenn an diese eine Spannung angelegt wird.
Die Spannung wird an die Testwicklung 80 mittels eines Testimpulses, der im allgemeinen eine Dauer in der Größenordnung von 1 ms hat, über einen Puffer 82 und einen Strombegrenzungswiderstand 84 angelegt, der mit dem ersten Eingangsschaltungspunkt eines Komparators 86 verbunden ist. Der zweite Eingangsschaltungspunkt des Komparators 86 ist mit einem Pegeleinstellpotentiometer 88 verbunden. Eine erste Diode 90 an dem Komparatoreingang verhindert, daß die Testleitung negativgeht. Eine zweite Diode 92 in Reihe mit der Abfühlwicklung 80 trennt diese von unerwünschten negativen Impulsen. Im Betrieb wird ein Testimpuls mit einer Dauer von 1 ms über den Puffer 82 und dadurch an die Abfühlwicklung 80 angelegt. Wenn der Kern 63 nicht gesättigt ist und dadurch das Vorhandensein von Strom in der Last angibt, stellt die Abfühlwicklung 80 eine hohe Impedanz dar und dadurch liegt ein logisches Signal hoher Spannung an dem Eingang des Komparators 86 an. Der Spannungswert wird durch den Komparator 86 abgefühlt und als ein logisches Ausgangssignal über einen Systemausgangswiderstand 94 geleitet, dessen Spannungswert ungefähr 800 \is nach dem Anlegen eines Eingangs test impulses abgetastet wird. Wenn dagegen der Kern 63 gesättigt ist, wird die Abfühlwicklung eine niedrige Impedanz gegen Masse darstellen und den Abfühleingang des Komparators 86 auf Masse ziehen. Dieser Wert wird durch den Komparator abgefühlt und als ein Logikpegelsignal über den Ausgangswiderstand 94 dargeboten. Beim Abtasten des Systemausgangssignala nach 800 us
wird der andere Logikpegel erfaßt und als eine Anzeige des Vorhandenseins von Strom erkannt. Diese Ausgangsanzeige wird eine logische Eins sein, wenn eine positive Logik angenommen wird.
Leerseite

Claims (8)

  1. Patentansprüche :
    Q/ Schaltungsanordnung zum Treiben einer Last auf logische Steuersignale hin, gekennzeichnet durch: eine Feldeffekttransistoranordnung (12, 14), die auf Eingangslogikpegelsignale hin eine Wechselstromquelle (30) ein- und ausschaltet und mit der Stromquelle (30) und der Last (28) in Reihe geschaltet ist, wobei die Stromquelle und die Last eine Lastanordnung (28, 30) bilden, die eine erste und eine zweite Klemme hat, und wobei die Feldeffekttransistoranordnung (12, 14) einen ersten Feldeffekttransistor (12) mit einer ersten Gateelektrode (16), einer ersten Sourceelektrode (20) und einer ersten Drainelektrode (24) und einen zweiten Feldeffekttransistor (14) mit einer zweiten Gateelektrode (18), einer zweiten Sourceelektrode (22) und einer zweiten Drainelektrode (26) aufweist, wobei die erste Gateelektrode (16) mit der zweiten Gateelektrode (18), die erste Sourceelektrode (20) mit der zweiten Sourceelektrode (22) und die erste Drainelektrode (24) mit der ersten Klemme der Lastanordnung (28, 30) und die zweite Drainelektrode (26) mit der zweiten Klemme der Lastanordnung
    (28, 30) verbunden ist, um dadurch einen geschalteten Stromkreis für Wechselstrom über die Feldeffekttransistoranordnung zu bilden, die auf Änderungen im Spannungspotential zwischen der ersten und der zweiten Sourceelektrode (20, 22) und der ersten und der zweiten Gateelektrode (16, 18) hin umschaltet.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gate-Sourceschaltungsanordnung zum Erzeugen der Eingangslogikpegelsignale, mit einer Einrichtung (47, 49), die mit einem Oszillator (42) verbunden ist, um ein Oszillatorsignal (43) durchzulassen, mit einer Einrichtung (48), die mit der Durchlaßschaltung verbunden ist, um das Oszillatorsignal gleichzurichten, wobei die Gleichrichteinrichtung ein Gleichstromsignal zwischen der ersten und der zweiten Gateelektrode (16, 18) und der ersten und der zweiten Sourceelektrode (20, 22) auf das Durchlassen von Signalen hin liefert.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Abfühleinrichtung (52) zum überwachen des Betriebes der Feldeffekttransistoranordnung (12, 14).
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühleinrichtung (52) eine erste Stromabfühlwicklung (58) in einer Drossel mit einem leicht sättigbarem Kern (63) aufweist, wobei die erste Wicklung mit der Lastanordnung (28, 30) und der Feldeffekttransistoranordnung (12, 14) zum Abfühlen von Strom in der Lastanordnung in Reihe geschaltet ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühleinrichtung (52) eine zweite Stromabfühlwicklung (70) in einer Drossel mit einem leicht sättigbarem Kern (63) aufweist, wobei die zweite Wicklung
    : *-" : " - 3325351
    swischen die erste und die zweite Gateelektrode (16, 18) und die erste und die zweite Sourceelektrode (20, 22) geschaltet ist, um Strom abzufühlen, durch den eine Spannung zwischen den Gateelektroden und den Sourceelektroden gebildet wird.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühleinrichtung (52) weiter eine Stromerfassungsschaltung zum Erkennen der Sättigung der Drossel enthält, wobei die Stromerfassungsschaltung eine dritte Stromabfühlwicklung (80) auf dem Kern (63), einen Komparator (86) und eine Einrichtung (82, 84) zum Anlegen eines Teststroms an die dritte Wicklung aufweist, welch letztere eine hohe Impedanz aufweist, wenn der Kern nicht in Sättigung ist, und eine niedrige Impedanz, wenn Kernsättigung vorliegt.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Sourceschaltungsanordnung eine Zeitsteuereinrichtung (62) enthält, die auf einen Eingangsimpuls, der wenigstens eine Mindestdauer hat, anspricht, um die Durchlaßschaltung (47) für eine vorgewählte Dauer eingeschaltet zu halten.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (82, 84) zum Eingeben eines Testimpulses in die Gate-Sourceschaltungsanordnung und durch eine Einrichtung (47, 61) zum Trennen der durch die Testimpulseingabeeinrichtung angelegten Testimpulse von der Zeitsteuereinrichtung (62), um zu verhindern, daß die Zeitsteuereinrichtung die Gate-Sourceschaltungssinrichtung einrasten läßt.
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