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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einem ersten Schaltkontakt und einem zweiten Schaltkontakt sowie einem Schaltelement, das zwischen den ersten Schalkontakt und den zweiten Schaltkontakt geschaltet ist, wobei eine vorbestimmte Gesamtmindestspannungsfestigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt gegeben ist, wenn der erste und zweite Schaltkontakt durch das Schaltelement nicht leitend verbunden sind.
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Müssen Schaltkontakte (z. B. von Relais, Schützen und dergleichen) im geöffneten Zustand eine Mindestspannungsfestigkeit aufweisen, ist das aktuell nur dadurch lösbar, dass die Öffnungsstrecken der Relaiskontakte groß genug gewählt werden. Dies hat jedoch eine in der Regel große Bauform zur Folge. Bei der Prüfung der Mindestspannungsfestigkeit wird bei mechanischen Schaltelementen zum einen die Festigkeit gegenüber einer länger anhaltenden Stehspannung (Stehspannungsfestigkeit) und zum anderen die Festigkeit gegenüber kurzen Stoßspannungen (Stoßspannungsfestigkeit) bei geöffnetem Schaltelement geprüft. Bei Halbleiterschaltelementen (z. B. Transistor, Thyristor und dergleichen) wird in der Regel nur die Stoßspannungsfestigkeit geprüft.
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In einem speziellen Anwendungsfall muss beispielsweise für Messzwecke eine Isolationsstrecke (Isolierung, Luft- /Kriechstrecke) schaltbar überbrückt werden. In diesem Fall müssen die entsprechenden Schaltkontakte im geöffneten Zustand den selben Beanspruchungen standhalten, die auch für die Isolierung gelten (z. B. analog zu Schutzimpedanzen im Kapitel 5.3.4 in IEC 61140-1). Darunter fällt z. B. auch die Prüfung der Stoßspannungsfestigkeit. Aktuell werden derartige Forderungen dadurch umgesetzt, dass die Luft- und Kriechstrecken (LuK) im geöffneten Zustand den Mindestanforderungen genügen.
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Soll beispielsweise ein Ladegerät mit einem Netzstecker (230 V Versorgungsspannung aus 3-Phasennetz) und einem Spannungsausgang von z. B. 6 V (Kleinspannung) beispielsweise der Überspannungskategorie CAT III gemäß der Norm IEC 60664-1 zugeordnet werden können, so muss eine Bemessungs-Stoßspannung von 6 kV zwischen sogenannten „gefährlichen aktiven Teilen“ (Netzstecker) und Kleinspannungsstromkreis (SELV, PELV, etc) gewährleistet sein. Dies kann für ein unhomogenes Feld durch eine Mindest-LuK von 5,5 mm erreicht werden.
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Diese Anforderungen werden beispielsweise von dem Dold Sicherheitsrelais Typ OA/OW5669 mit einer Spannungsfestigkeit zwischen den Schaltkontakten von 6 kV für einen 1,2/50 μs Impuls (Stirnzeit / Rückenhalbwertszeit) erfüllt. Ein derartiges Relais ist nicht nur verhältnismäßig teuer, sondern es besitzt auch eine große Bauform mit den Abmessungen: 29 mm × 13 mm × 25,5 mm.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Schaltvorrichtung mit reduziertem Bauvolumen bei gleicher Mindestspannungsfestigkeit bereitstellen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltvorrichtung mit
- – einem ersten Schaltkontakt und einem zweiten Schaltkontakt, und
- – einem Schaltelement, das zwischen den ersten Schaltkontakt und den zweiten Schaltkontakt geschaltet ist, wobei
- – eine vorbestimmte Gesamtmindestspannungsfestigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt gegeben ist, wenn der erste und zweite Schaltkontakt durch das Schaltelement nicht leitend verbunden sind,
- – mindestens ein elektronisches Bauelement zwischen den ersten Schaltkontakt und das Schaltelement geschaltet ist,
- – ein spannungsbegrenzendes Bauteil parallel an das Schaltelement angeschlossen ist, und
- – das Schaltelement eine Mindestspannungsfestigkeit besitzt, die geringer als die Gesamtmindestspannungsfestigkeit zwischen dem ersten und zweiten Schaltkontakt ist.
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In vorteilhafter Weise wird also die vorbestimmte Gesamtspannungsfestigkeit dadurch erzielt, dass einem Schaltelement mit verminderter Spannungsfestigkeit ein spannungsbegrenzendes Bauteil parallel geschaltet wird und dieser Parallelschaltung mindestens ein elektronisches Bauteil als Schutzimpedanz in Serie geschaltet wird. Dadurch teilt sich die an der Schaltvorrichtung anliegende Spannung auf die Schutzimpedanz bzw. die Schutzimpedanzen und das Schaltelement auf. In der Regel lässt sich dadurch ein derart kleines Schaltelement einsetzen, dass das Gesamtbauvolumen einschließlich dem parallelen spannungsbegrenzenden Bauteil und dem mindestens einen seriellen Bauelement kleiner ist als das Gesamtbauvolumen eines Schaltelements, dessen Mindestspannungsfestigkeit der Gesamtspannungsfestigkeit entspricht.
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Die Mindestspannungsfestigkeit kann sich je nach Bauelement auf die Prüfung nur der Stoßspannung oder die Prüfung der Stoßspannung und der Stehspannung beziehen. Vorzugsweise umfasst die Mindestspannungsfestigkeit des Schaltelements und die Gesamtmindestspannungsfestigkeit der gesamten Schaltvorrichtung also zwischen den Schaltkontakten ebenfalls jeweils die Stoßspannungsfestigkeit.
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Das Schaltelement der Schaltvorrichtung kann ein Relais oder ein Schütz sein. Damit können erfindungsgemäß übliche elektromechanische Schaltelemente eingesetzt werden. Alternativ kann als Schaltelement auch ein manuell zu bedienender mechanischer Schalter eingesetzt werden. Darüber hinaus kann das Schaltelement auch ein Halbleiterbauelement, wie beispielsweise ein Transistor oder Thyristor sein.
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Das mindestens eine elektrische Bauelement, das zwischen die Schaltkontakte in Serie zu dem Schaltelement geschaltet wird, kann ein Ohmscher Widerstand oder ein Kondensator sein. Mit diesen Bauelementen lässt sich die Gesamtspannung zwischen den Schaltkontakten herunter teilen und damit die notwendige Spannungsfestigkeit für jedes einzelne Bauelement einschließlich des Schaltelements reduzieren. Alternativ kann das mindestens eine elektrische Bauteil auch ein weiteres Schaltelement sein. Auch in diesem Fall summieren sich die Mindestspannungsfestigkeiten der einzelnen Schaltelemente zu der Gesamtmindestspannungsfestigkeit, wodurch eben jedes Schaltelement eine geringere Mindestspannungsfestigkeit als die Gesamtmindestspannungsfestigkeit besitzen kann.
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Das spannungsbegrenzende Bauteil kann ein Varistor oder eine Suppressor-Diode sein. Mit derartigen Bauelementen lassen sich zuverlässig Spannungsbegrenzungen mit geringem Aufwand erreichen. Alternativ kann das spannungsbegrenzende Bauteil aber auch ein Überspannungsableiter sein. Ein derartiger Überspannungsableiter mit einer definierten Luftstrecke ist zwar konstruktiv aufwendiger, aber für bestimmte Anwendungsfälle unter Umständen vorteilhaft.
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Günstigerweise kann in die Schaltvorrichtung ein Erfassungselement integriert sein, mit dem ein Strom durch das spannungsbegrenzende Bauteil registrierbar ist, der von einer über der Mindestspannungsfestigkeit des Schaltelements liegenden Überspannung herrührt. Da jedoch das spannungsbegrenzende Bauteil in der Regel einen minimalen Stromfluss ermöglicht, muss das Erfassungselement in der Lage sein, diesen Minimalstrom außer Acht zu lassen (z. B. durch Schwellwertvergleich). Erfasst das Erfassungselement den Gesamtstrom durch das Schaltelement und das parallele spannungsbegrenzende Bauteil, so muss darüber hinaus gewährleistet sein, dass auch die Schaltstellung des Schaltelements erfasst wird, sodass der Fall einer anliegenden Überspannung bei geöffnetem Schaltelement von dem Fall des geschlossenen Schaltelements unterschieden werden kann.
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Vorzugsweise genügt die Schaltvorrichtung der Norm IEC 60664-1. Eine derartige Schaltvorrichtung kann dann ein größeres Relais oder einen größeren Schütz ersetzen, der ebenfalls dieser Norm genügt.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 ein prinzipielles Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit Relais und Varistor und
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2 ein prinzipielles Schaltbild einer alternativen Schaltvorrichtung mit Suppressor-Diode als schaltungsbegrenzendes Bauteil.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In 1 ist eine beispielhafte Schaltvorrichtung als Sicherheitsschalter dargestellt, die beispielsweise zum Schalten einer Versorgungsnetzspannung (insbesondere 230 V) verwendet werden kann. Die Schaltvorrichtung besitzt einen ersten Schalkontakt P1 und einen zweiten Schaltkontakt P2, an denen die zu schaltende bzw. die zu widerstehende Spannung anliegt. Zwischen den beiden Schaltkontakten P1 und P2 ist eine Gesamtmindestspannungsfestigkeit zu gewährleisen. Für die gesamte Schaltvorrichtung ist also eine vorbestimmte Stoßspannungsfestigkeit und optional auch eine vorbestimmte Stehspannungsfestigkeit zu gewährleisten. Im Folgenden wird bei der Verwendung des Begriffs „Spannungsfestigkeit“ sowohl die Stoßspannungsfestigkeit als auch gegebenenfalls die Stehspannungsfestigkeit gemeint.
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Die Schaltvorrichtung von 1 weist als zentrales Element hier ein Schütz oder Relais K1 auf. Das Relais K1 besitzt einen ersten Schaltkontakt 1 und einen zweiten Schaltkontakt 2. Die elektrische Ansteuerung des Relais K1 erfolgt über Steuerleitungen 3, 4, die hier der Übersicht halber nicht weiter verschaltet sind. Parallel zu dem Relais K1 ist ein spannungsbegrenzender Varistor VDR geschaltet. Er ist also mit seinen Polen an die Schaltkontakte 1 und 2 des Relais K1 angeschlossen. Zwischen dem Schaltkontakt P1 der gesamten Schaltvorrichtung und dem einen Schaltkontakt 1 des Relais K1 ist eine Serienschaltung 5 von Widerständen R1, R2, ..., Rn als Schutzimpedanzen geschaltet. Im einfachsten Fall befindet sich zwischen den Schaltkontakten 1 und P1 lediglich ein einziger Widerstand als Schutzimpedanz.
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Optional kann zwischen dem zweiten Schaltkontakt 2 des Relais K1 und dem zweiten Schaltkontakt P2 der gesamten Schaltvorrichtung ein zusätzliches Bauteil B1 geschaltet werden. Ein derartiges Bauteil kann Teil einer Erfassungseinrichtung sein, mit der festgestellt werden kann, ob an der Schaltvorrichtung eine Überspannung anliegt. Dieses zusätzliche Bauteil B1 kann beispielsweise eine Signalstufe sein, die eine LED oder einen Optokoppler als Erfassungselement beinhaltet. Mit der Erfassungseinrichtung ist dann detektierbar, ob an der Schaltvorrichtung eine Überspannung bei geöffnetem bzw. nicht leitendem Schaltelement anliegt. Dies bedeutet, dass die Erfassungseinrichtung zur Auswertung auch den Schaltzustand des Schaltelements (hier des Relais K1) erfassen muss, wenn das Erfassungselement den Gesamtstrom zwischen den beiden Schaltkontakten P1 und P2 der Schaltvorrichtung wie in dem Beispiel von 1 erfasst.
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Dem eigentlichen Schaltelement (hier Relais K1) wird also ein spannungsbegrenzendes Bauteil (hier Varistor VDR) parallel geschaltet, sodass im Überspannungsfall die an den Schaltkontakten 1 und 2 des Schaltelements auftretende Spannung auf einen für das Schaltelement verträglichen Wert begrenzt wird. Durch die in Reihe geschalteten weiteren Komponenten (hier Serienschaltung 5) lässt sich die geforderte Gesamtspannungsfestigkeit an den Schaltkontakten P1 und P2 der gesamten Schaltvorrichtung erreichen. Somit wird die Spannungsfestigkeit auf mehrere Bauteile aufgeteilt.
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Das spannungsbegrenzende Bauteil, im vorliegenden Beispiel der Varistor VDR, muss so dimensioniert sein, dass seine Clamping-Spannung (Begrenzungsspannung) nicht die maximal verträgliche Spannung des Schaltelements übersteigt. Besitzt das Relais K1 beispielsweise eine Spannungsfestigkeit von 750 V, so sollte die Clamping-Spannung des Varistors auch höchstens 750 V, z. B. 700 V betragen, wobei die jeweiligen Toleranzen zu beachten sind.
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Ist beispielsweise eine Gesamtmindestspannungsfestigkeit zwischen den Schaltkontakten P1 und P2 der Schaltvorrichtung von 6 kV (1,2/50 μs Impuls) gefordert, müssen die verbleibenden 5,25 kV auf die Schutzimpedanzen R1, R2, ..., Rn entfallen. Die Schutzimpedanzen R1, ..., Rn dienen zusätzlich der Strombegrenzung.
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Das Relais K1 muss also nicht mehr allein die Gesamtmindestspannungsfestigkeit von 6 kV besitzen. Vielmehr reicht, wenn das Relais K1 im vorliegenden Beispiel eine Mindestspannungsfestigkeit von 750 V besitzt. Daher kann ein wesentlich kleineres Relais, z. B. ein G6DS-Relais von Omron mit der Bauform 21,3 mm × 5,08 mm × 12,5 mm verwendet werden. Dieses Relais hat nur ca. 14 % des Bauvolumens des oben genannten Dold Sicherheitsrelais Typ OA/OW5669, welches eine eigene Mindestspannungsfestigkeit von 6 kV besitzt. Die zusätzlichen Bauelemente, nämlich die Schutzimpedanzen und der Varistor brauchen deutlich weniger als die 86 % des eingesparten Bauvolumens. Folglich kann eine deutliche Bauraumeinsparung durch die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung bei gleicher Gesamtmindestspannungsfestigkeit erzielt werden.
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In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel schematisch wiedergegeben. Als Schaltelement ist hier zwar wiederum ein Relais K1 eingezeichnet, dieses steht aber stellvertretend auch für einen Schütz oder anderen mechanischen Schalter, aber auch für ein Halbleiterschaltelement wie einen Transistor, Thyristor oder dergleichen. Im Falle der Halbleiterschaltelemente bezieht sich die Mindestspannungsfestigkeit auf die Stoßspannungsfestigkeit allein.
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Als spannungsbegrenzendes Bauteil ist im Beispiel von 2 an das Schaltelement (hier Relais K1) eine Suppressor-Diode SD geschaltet. Wie der Varistor VDR in Beispiel von 1 dient auch die Suppressor-Diode SD zum Schutz des Schaltelements vor kurzzeitigen Überspannungsimpulsen. Alternativ zu der Suppressor-Diode kann auch eine Hochspannungs-Zener-Diode, eine Cera-Diode oder dergleichen parallel an das Schaltelement geschaltet werden. In jedem Fall wird hierdurch eine Spannungsbegrenzung an dem Schaltelement realisiert.
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In der Serienschaltung 5’ von 2 ist hier neben den Widerständen R1, ..., Rn ein sogenannter „Fail-Safe-Kondensator“ seriell integriert. Auch er dient zur Spannungsteilung, und er besitzt den zusätzlichen Vorteil, dass er Gleichanteile unterdrückt. Die Serienschaltung 5’ ist auch hier rein exemplarisch zu sehen, und sie kann auch eine einzelne Schutzimpedanz oder andere Impedanzkombinationen symbolisieren.
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Als zusätzliches Bauteil B1 (vgl. 1) ist in dem Beispiel von 2 ein Optokoppler OK zwischen den Schaltkontakt 2 des Relais K1 und dem zweiten Schaltkontakt P2 der Schaltvorrichtung geschaltet. Sobald in geöffnetem Zustand des Relais bzw. in einem nicht durchgeschalteten Zustand eines Halbleiterschaltelemente Strom durch die Suppressor-Diode SD bzw. ein anderes spannungsbegrenzendes Bauteil fließt, liegt an der gesamten Schaltvorrichtung eine Überspannung an, und dieser Strom fließt dann auch durch die Leuchtdiode des Optokoppler OK. Folglich wird der Fototransistor des Optokopplers OK durchgeschaltet, und dieser Schaltvorgang bzw. Schaltzustand kann von einer nicht näher dargestellten Erfassungseinrichtung ausgewertet werden, um das Vorliegen einer Überspannung zu signalisieren.
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Im Normalbetrieb („Nicht-Überspannungsfall“) z. B. kann die Erfassungseinrichtung bzw. das Erfassungselement (z. B. Optokoppler, Widerstand, ...) zur Übertragung des Messsignals dienen bzw. den Schaltzustand des Schaltelements (z. B. Relais) überwachen/übermitteln.
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Durch die beiden erfindungsgemäßen schaltungstechnischen Maßnahmen (Spannungsbegrenzung an Schaltkontakten und Serienschaltung zusätzlicher Schutzbauelemente) lassen sich die Überspannungen auf die Bauelemente aufteilen und so für jedes einzelne Bauteil auf ein verträgliches Maß begrenzen. Dadurch kann jedes Bauelement kleiner dimensioniert werden bei gleichzeitig steigender Sicherheit gegenüber sogenannten „Single-Failure-Conditions“, bei denen ein einzelnes Bauteil der Gesamtschaltung ausfällt. Der Ausfall eines einzigen Bauteils der Serienschaltung bedeutet nämlich noch keinen Ausfall der kompletten Isolationsstrecke, sofern eine korrekte Dimensionierung gegeben ist. Fällt nämlich beispielsweise eines der seriellen Schutzbauelemente (z. B. Kurzschluss im R1) aus, so ist immer noch eine Restsicherheit über die übrigen Schutzimpedanzen und das spannungbegrenzende Bauteil gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Schaltkontakt
- 2
- zweiter Schaltkontakt
- 3, 4
- Steuerleitungen
- 5, 5’
- Serienschaltung
- B1
- zusätzliches Bauteil
- C
- Kondensator
- K1
- Relais
- OK
- Optokoppler
- P1
- erster Schaltkontakt
- P2
- zweiter Schaltkontakt
- R1, R2, ..., Rn
- Widerstand
- SD
- Suppressor-Diode
- VDR
- Varistor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 61140-1 [0003]
- Norm IEC 60664-1 [0004]
- Norm IEC 60664-1 [0014]
