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Die Erfindung betrifft eine sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung zum elektrischen Schalten einer Automatisierungskomponente, mit einem ersten Stromzweig und mit einem zweiten Stromzweig, die sich von einem jeweiligen versorgungsseitigen Versorgungsanschluss zu einem jeweiligen lastseitigen Lastanschluss erstrecken, wobei in jedem Stromzweig eine Schaltanordnung ausgebildet ist, die eine Parallelschaltung eines Schaltmittels, das für ein Öffnen und Schließen des jeweiligen Stromzweigs ausgebildet ist, und eines Widerstandsmittels umfasst, und mit wenigstens einer im Stromzweig lastseitig zwischen der Schaltanordnung und dem Lastanschluss angeordneten Messstelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung.
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Aus der
EP 2 519 960 B1 ist eine Vorrichtung zur elektrischen Stromkreisüberwachung eines wenigstens einen elektrischen Verbraucher enthaltenden Verbraucherstromkreises bekannt. Hierbei ist vorgesehen, zwei Versorgungsspannungsanschlüsse über je einen Schalter aufweisende Strompfade mit zwei Verbraucheranschlüssen zu verbinden, an denen der wenigstens eine Verbraucher angeschlossen ist, wobei Steuermittel zum Öffnen der beiden Schalter in den Strompfaden vorgesehen sind und wobei eine zusätzliche Spannungsquelle, deren Potenzial mittels eines weiteren Schalters an einem der Verbraucheranschlüsse anlegbar ist, vorgesehen ist, und wobei die Steuermittel auch zum Schließen des weiteren Schalters während Prüfintervallen vorgesehen sind, wobei Signalmittel zur Erzeugung von Fehlersignalen bei Erkennung eines oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Stromflusses liegenden Stroms durch den weiteren Schalter vorgesehen sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung bereitzustellen, bei denen eine Erfassung einer fehlerbedingten elektrischen Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial mit verringertem schaltungstechnischen Aufwand verwirklicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für eine sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass an der Messstelle eine Potenzialmesseinrichtung angeschlossen ist, die elektrisch mit einem Bezugspunkt verbunden ist und die zur Bereitstellung eines potenzialabhängigen Messsignals ausgebildet ist.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, parallel zu einem Schaltmittel eine Reihenschaltung einer Spannungsquelle und eines Messwiderstands vorzusehen und anhand eines Spannungsabfalls am Messwiderstand Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit des zu überwachenden Schaltmittels zu ziehen.
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Bei der erfindungsgemäßen Lastschalteinrichtung hingegen ist eine solche Spannungsquelle nicht erforderlich. Vielmehr wird die ohnehin vorhandene, zur elektrischen Versorgung der an den Lastanschlüssen angeschlossenen Automatisierungskomponente vorgesehene, mit den Versorgungsanschlüssen verbundenen elektrischen Versorgungsquelle genutzt, um das bzw. die für eine Überprüfung der Lastschalteinrichtung notwendigen elektrischen Potenziale innerhalb der Lastschalteinrichtung bereitzustellen. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die beiden Schaltmittel geöffnet sind und keine Energieversorgung der an den Versorgungsanschlüssen anschließbaren Last vorgesehen ist. In diesem Fall findet über die jeweils parallel zu den Schaltmitteln angeordneten Widerstandsmittel und über die an den Lastanschlüssen angeschlossene Last ein Stromfluss statt, der zu einem Spannungsabfall an den beiden jeweils parallel zu den Schaltmitteln angeordneten Widerstandsmitteln und an der Last führt, wobei sich hierdurch an der Messstelle ein elektrisches Potenzial einstellt, das von den elektrischen Widerständen der Widerstandsmittel und der Last abhängig ist, sofern eine fehlerfreie Funktion der Lastschalteinrichtung, der daran angeschlossenen Last und der zur Last gehörenden elektrischen Verbindungsleitungen zu den Lastanschlüssen gegeben ist. Sofern jedoch eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen einem der Stromzweige oder der Last oder der Verbindungsleitung zur Last zu einem äußeren elektrischen Potenzial vorliegt, ergibt sich eine Potenzialverschiebung an der Messstelle, die detektiert wird und gegebenenfalls zu einer Ausgabe einer Fehlermeldung führt.
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Vorzugsweise sind die elektrischen Widerstände der Widerstandsmittel erheblich größer als der elektrische Widerstand der Last gewählt. Dadurch wird einerseits gewährleistet, dass der Stromfluss bei geöffneten Schaltmitteln nicht auf einem Niveau liegt, bei dem eine Funktion der Last, bei der es sich beispielsweise um einen Antriebsmotor handeln kann, erwartet werden muss. Andererseits wird dadurch gewährleistet, dass ein Spannungsabfall in dem durch das erste Widerstandsmittel im ersten Stromzweig, die damit verbundene Last und das damit verbundene zweite Widerstandsmittel im zweiten Stromzweig nahezu ausschließlich an den beiden Widerstandsmitteln stattfindet, wodurch sich an der Messstelle ein erfassbares elektrisches Potenzial einstellt. Zudem wird dadurch die Empfindlichkeit der Messeinrichtung auf eine fehlerbedingte elektrische Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem von der Versorgungsquelle unabhängigen elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial erhöht. Dieses Potenzial wird durch die Messeinrichtung gegenüber einem am Bezugspunkt anliegenden Bezugspotenzial gemessen und kann anschließend durch die Messeinrichtung ausgegeben werden.
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Während sich bei ordnungsgemäßer Funktion der Lastschalteinrichtung eine vorgebbare Potenzialdifferenz zwischen Messstelle und Bezugspunkt einstellt, kann es im Falle eines ersten Fehlers zu einer Abweichung der gemessenen Potenzialdifferenz von der vorgegebenen Potenzialdifferenz kommen. Dies ist beispielsweise darauf zurückzuführen, dass einer oder beide der Schaltmittel, bei dem sich insbesondere um elektronisch angesteuerte Halbleiterschalter handeln kann, eine Fehlfunktion aufweist. Alternativ kann der Fall eintreten, dass auch durch Beschädigungen im ersten und/oder im zweiten Stromzweig ein unerwünschter elektrischer Kontakt mit einem anderen elektrischen Potenzial, beispielsweise einem Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial, vorliegt. Auch in diesem Fall kommt es zu einer Abweichung der Differenz zwischen dem erwarteten und dem gegenüber dem Bezugspotential an der Messstelle gemessenen Potential, was als Fehlerindiz gewertet werden kann.
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Beispielsweise kann die Messeinrichtung als analoges oder digitales Voltmeter ausgeführt sein, das die Potenzialdifferenz zwischen der Messstelle und dem Bezugspunkt anzeigt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Potenzialmesseinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, die für eine Ermittlung des Messsignals innerhalb eines vorgebbaren Messzeitintervalls und für eine Ausgabe eines vom ermittelten Messsignal abhängigen Statussignals ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung kann als analoge Schaltung, insbesondere als Komparatorschaltung ausgebildet sein, die einen Vergleich der von der Messeinrichtung ermittelten Potenzialdifferenz mit einer vorgegebenen Potenzialdifferenz vornimmt und bei Abweichungen der beiden Potenzialdifferenzen ein Statussignals ausbildet, sofern die Abweichung einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung als digitale Schaltung oder in Form eines Microcontrollerprogramms ausgebildet sein, die insbesondere zunächst eine Digitalisierung der von der Messeinrichtung ermittelten Potenziale vornimmt und anschließend einen Vergleich mit einem gespeicherten Potenzialwert durchführt. Hier wird ebenfalls ein von der Abweichung zwischen den beiden Potenzialdifferenzen abhängiges Statussignal ausgegeben. In jedem Fall ist es vorgesehen, eine Ermittlung des Statussignals innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters oder Messsignalintervalls durchzuführen, um beispielsweise Schalteffekte auszublenden, wie sie beim Öffnen der Schaltmittel aufgrund der Eigenschaften der Last auftreten können. Diese Schalteffekte beinhalten insbesondere starke Potentialschwankungen aufgrund von kapazitiven und induktiven Anteilen der Last. Dementsprechend kann vorgesehen sein, die Auswertung der Potenzialdifferenz erst nach Verstreichen einer vorgebbaren Zeitspanne vorzunehmen und daraus das gewünschte Statussignal zu ermitteln.
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Das Statussignal kann an eine übergeordnete Maschinensteuerung bereitgestellt werden und kann beispielsweise die Information enthalten, dass die Lastschalteinrichtung fehlerfrei ist oder dass die Lastschalteinrichtung aufgrund wenigstens einer fehlerbedingten elektrischen Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial, fehlerbehaftet ist. Vorzugsweise wird das Statussignal in regelmäßigen Abständen oder auf Anfrage der übergeordneten Steuereinrichtung bereitgestellt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Statussignal in Phasen bereitgestellt wird, in denen sich die Schaltmittel der Lastschalteinrichtung in einem Öffnungszustand befinden sollen, da hier mit einem geringeren messtechnischen Aufwand erfasst werden kann, ob eine fehlerbedingte elektrischen Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial, vorliegt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn sich jeweils lastseitig zwischen dem ersten Stromzweig und dem zweiten Stromzweig eine Ausgleichsanordnung befindet, die für einen lastseitigen Potenzialausgleich zwischen den Stromzweigen ausgebildet ist. Die Aufgabe der Ausgleichsanordnung kann exemplarisch darin bestehen, die Zeitspanne zu verkürzen, innerhalb derer Ausschalteffekte einen erheblichen Einfluss auf die Ermittlung der Potenzialdifferenz haben. Eine Verkürzung dieser Zeitspanne ist besonders wünschenswert, da mit der erfindungsgemäßen Lastschalteinrichtung vorzugsweise Lasten mit einem Gefährdungspotenzial für Menschen und/oder Maschinen betrieben werden und bei einer Fehlfunktion wenigstens eines der Schaltmittel oder einer anderen Art von fehlerbedingter elektrischer Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial, möglichst rasch weitere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um eine weitere Energieversorgung der Last zu unterbinden. Dementsprechend kommt der Ausgleichsanordnung die Aufgabe zu, kapazitive und/oder induktive Anteile der Last möglichst rasch auszugleichen, so dass in möglichst kurzer Zeit an der Messstelle ein elektrisches Potenzial anliegt, das von den resistiven Anteilen der beiden Widerstandsmittel und der Last abhängt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Ausgleichsanordnung eine Widerstandsanordnung und/oder eine Freilaufdiode umfasst. Hierdurch kann in einfacher Weise ein Ausgleich von kapazitiven Anteilen der Last und/oder induktiven Anteilen der Last vorgenommen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich versorgungsseitig zwischen dem ersten Stromzweig und dem zweiten Stromzweig ein Spannungsteiler befindet, der für eine versorgungsseitige Bereitstellung eines Referenzpotenzials ausgebildet ist. Dieses Referenzpotenzial kann insbesondere als Bezugspotenzial für die wenigstens eine Potenzialmesseinrichtung genutzt werden, die an der Messstelle angeschlossen ist. Damit ist die tatsächliche Versorgungsspannung nicht maßgeblich für die Fehlererkennung mittels der Lastschalteinrichtung.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung einen Lock-In-Verstärker umfasst, der zur synchronisierten Messung von schwachen elektrischen Signalen ausgebildet ist und der bereits geringfügige Abweichungen zwischen einem erwarteten Potenzialdifferenzverlauf und einem tatsächlichen Potenzialdifferenzverlauf ermitteln kann. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn während des laufenden Betriebs der Last, also bei geschlossenen Schaltmitteln, durch kurzzeitiges Öffnen der Schaltmittel geprüft werden soll, ob eine fehlerbedingte elektrische Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial, vorliegt. Dabei erfolgt die Abschaltung der Schaltmittel in einer Weise, dass ein Betrieb der Last nicht in Frage gestellt wird, was insbesondere bei Verwendung von Halbleiterschaltern für die Schaltmittel technisch umgesetzt werden kann. Da jedoch bei einer derart kurzzeitigen Abschaltung der Schaltmittel, insbesondere im Bereich weniger Millisekunden, nur minimale Veränderungen an den lastseitigen Messstellen auftreten würden, ist zum einen die zusätzliche Ausgleichsanordnung vorgesehen, die lastseitig angeordnet ist. Zum anderen wird eine hohe Empfindlichkeit der Messung durch die vom Lock-In-Verstärker vorgenommene Synchronisierung mit den kurzzeitigen Abschaltungen zu Prüfzwecken ermöglicht.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Ausgleichsanordnung eine Reihenschaltung von Widerständen und eine zwischen diesen Widerständen angeordnete Messstelle umfassen. Bevorzugt bilden die Ausgleichsanordnung und der versorgungsseitige Spannungsteiler eine Wheatstone'sche Brückenschaltung, mit der die lastseitige Einwirkung von Fremdpotenzialen auf einen der beiden Stromzweige mit einer ansonsten vergleichsweise einfachen Messtechnik erfasst werden kann.
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Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Widerstände der Widerstandsmittel in den Stromzweigen und/oder der Widerstandsanordnung jeweils gleich gewählt sind.
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Zweckmäßig ist es, wenn ein elektrischer Widerstand der Widerstandsmittel hinreichend groß gegenüber einer zum Anschluss an die Lastanschlüsse vorgesehenen Last und/oder der Ausgleichswiderstandsanordnung gewählt ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein Stromfluss über die Last bei geöffneten Schaltmitteln nicht zu einem unerwünschten Betrieb der Last führen kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Bezugspunkt zur Bereitstellung eines Bezugspotenzials, insbesondere eines Massepotenzials oder eines Versorgungspotenzials oder eines Messstellenpotenzials ausgebildet ist. Mit Hilfe des am Bezugspunkt bereitgestellten Bezugspotenzials kann die Potenzialdifferenz gegenüber der jeweiligen Messstelle als Spannungswert gemessen und damit das Potential an der Messstelle ermittelt werden. Dabei kann der Bezugspunkt wahlweise das elektrische Potenzial der Versorgungsquelle oder eines Masseanschlusses oder einer zweiten Messstelle, die insbesondere am anderen Stromzweig oder versorgungsseitig angeordnet ist, aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt mit einem Verfahren gelöst, wie es im Anspruch 9 angegeben ist. Hierbei ist vorgesehen, dass eine mit der Potenzialmesseinrichtung verbundene Auswerteeinrichtung ein Funktionssignal bereitstellt, wenn ein vor einem bevorstehenden Schließen der Schaltmittel ermitteltes Messsignal der Potenzialmesseinrichtung innerhalb eines Toleranzintervalls um einen vorgebbaren Signalpegel liegt, und dass die Auswerteeinrichtung ein Fehlersignal bereitstellt, wenn das Messsignal außerhalb des Toleranzintervalls um den vorgebbaren Signalpegel liegt.
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Bei einer alternativen Verfahrensdurchführung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung bei Betrieb der Last am Ende eines vorgebbaren Messzeitintervalls nach Öffnen der Schaltmittel ein elektrisches Potenzial an der lastseitigen Messstelle mit einem elektrischen Potenzial an der versorgungsseitigen Messstelle vergleicht, wobei ein Schließen der Schaltmittel nach Verstreichen eines Öffnungszeitintervalls erfolgt und das Messzeitintervall kürzer als das Öffnungszeitintervall ist. Mit dieser alternativen Verfahrensdurchführung erfolgt eine Ermittlung von möglichen fehlerbedingten elektrischen Verbindungen wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial, während eines praktisch ununterbrochenen Betriebs der Last. Dabei wird das Öffnungszeitintervall in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Last so gewählt, dass die durch das kurzzeitige Öffnen der Schaltmittel bewirkte Unterbrechung der Energieversorgung der Last nicht zu einer relevanten Veränderung der Betriebssituation für die Last führt. Um innerhalb des zur Verfügung stehenden Messzeitraums eine möglichst aussagekräftige Messung zu ermöglichen ist dementsprechend vorgesehen, die Messsignale zu einem Zeitpunkt zu ermitteln, der unmittelbar vor einem Schließen der Schaltmittel liegt, um dadurch eine größtmögliche Beeinflussung der Messsignale durch etwaige fehlerbedingte elektrische Verbindungen wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial, als Grundlage für die weitere Verarbeitung der Messsignale heranziehen zu können. Vorzugsweise ist das Öffnungszeitintervall deutlich kleiner als 1 Millisekunde.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung mit angeschlossener Versorgungsquelle und angeschlossener Last in einem Öffnungszustand der Schaltmittel,
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2 eine zweite Ausführungsform einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung als Abwandlung der Lastschalteinrichtung gemäß 1,
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3 eine dritte Ausführungsform einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung, die für eine Ermittlung einer fehlerbedingten elektrischen Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial, während eines Betriebs der Last optimiert ist, und
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4 ein Signalverlaufsdiagramm für die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Lastschalteinrichtung.
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Eine in der 1 dargestellte erste Ausführungsform einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung 1 ist zur Anordnung zwischen einer exemplarisch als Spannungsquelle 2 dargestellten Versorgungsquelle und einer exemplarisch als Parallelschaltung eines Lastwiderstands 3 und eines Lastkondensators 4 dargestellten elektrischen Last 5 vorgesehen, wobei die Last 5 zwei Versorgungsleitungen 12, 13 für eine elektrische Kopplung mit der Lastschalteinrichtung 1 umfasst.
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Die Lastschalteinrichtung umfasst einen ersten Stromzweig 6 und einem parallel dazu geführten zweiten Stromzweig 7. Jeder der Stromzweige 6, 7 erstreckt sich jeweils von einem Versorgungsanschluss 8, 9 zu einem Lastanschluss 10, 11. In jedem der Stromzweige 6, 7 ist jeweils eine Schaltanordnung 15, 16 vorgesehen die exemplarisch als Parallelschaltung eines Schaltmittels 17, 18 und eines Widerstandsmittels 19, 20 ausgebildet ist. Die Schaltmittel 17, 18 sind vorzugsweise als Halbleiterschalter, insbesondere als Feldeffekttransistoren, ausgebildet und können individuell von einer nicht dargestellten Ansteuereinrichtung über ein elektrisches Steuersignal zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung umgeschaltet werden. In der Öffnungsstellung ist im jeweiligen Stromzweig 6, 7 lediglich eine elektrische Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss 8, 9 und dem Lastanschluss 10, 11 über das jeweilige Widerstandsmittel 19, 20 vorgesehen. In der Schließstellung findet ein Stromfluss zwischen dem Versorgungsanschluss 8, 9 und den jeweils zugeordneten Lastanschluss 10, 11 jeweils parallel über die Schaltmittel 17, 18 und die der Widerstandsmittel 19, 20 statt.
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Die Aufgabe der Lastschalteinrichtung 1 besteht darin, eine fehlerbedingte lastseitige elektrische Verbindung wenigstens eines der Stromzweige 6, 7 oder der Versorgungsleitungen 12, 13 mit einem elektrischen Potenzial, insbesondere einem weiteren Versorgungspotenzial oder einem Massepotenzial zu ermitteln. Eine solche fehlerbedingte elektrische Verbindung kann beispielsweise aufgrund eines schadhaften Schaltmittels 17, 18 oder aufgrund eines lastseitigen Masseschlusses bzw. Versorgungsschlusses auftreten. Beispielsweise kann ein als Halbleiterschalter ausgeführtes Schaltmittel 17 oder 18 eine Schädigung seiner Halbleiterstruktur durch Produktionsfehler oder zeitweilige elektrische Überlastung aufweisen, die dazu führt, dass trotz entsprechender Ansteuerung des Schaltmittels 17 oder 18 keine vollständige Auftrennung des jeweiligen Stromzweig 6, 7 stattfindet und somit ein Stromfluss in den Stromzweigen 6, 7 ermöglicht wird, der oberhalb des für ein sicheres Ausschalten der Last vorgesehenen Stromes liegt. Alternativ kann in einem zwischen dem jeweiligen Schaltmittel 17 oder 18 und dem jeweiligen Lastanschluss 10 oder 11 ausgebildeten lastseitigen Stromzweigabschnitt 21 oder 22 des jeweiligen Stromzweigs 6 oder 7 eine elektrische Verbindung mit einem zusätzlichen elektrischen Potenzial, beispielsweise einem anderen Versorgungsspannungspotenzial oder einem Massepotenzial, vorliegen, beispielsweise durch Beschädigungen an den elektrischen Leitungen, die die jeweiligen Stromzweige 6, 7 bilden.
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An einem lastseitigen Stromzweigabschnitt 21, 22 ist jeweils eine Messstelle 23, 24 ausgebildet, an der jeweils eine Potenzialmesseinrichtung 25, 26 angeschlossen ist. Jede der Potenzialmesseinrichtungen 25, 26 ist für eine Ermittlung einer Potenzialdifferenz zwischen der jeweils zugeordneten Messstelle 23, 24 und einem Bezugspunkt 27, 28 ausgebildet, an dem ein elektrisches Bezugspotenzial, insbesondere ein Massepotenzial, anliegt. Jede der Potenzialmesseinrichtungen 25, 26 ist zur Bereitstellung eines Messsignals an eine Auswerteeinrichtung 29 ausgebildet, die ihrerseits für eine Verarbeitung der Messsignale und eine Ausgabe eines Statussignals an einer Signalschnittstelle 30 eingerichtet ist. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Signalschnittstelle 30 über eine Busleitung mit einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuerungseinrichtung, insbesondere einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verbunden ist. Die übergeordnete Steuerungseinrichtung kann gegebenenfalls auch zur Ansteuerung der Schaltmittel 17, 18 vorgesehen sein, um einen Betrieb der Last 5 entsprechend einem vorgegebenen Betriebsablauf durchzuführen.
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Bei einem Betrieb der Lastschalteinrichtung 1 gemäß der Darstellung der 1, also bei geöffneten Schaltmitteln 17, 18, ist ein Stromfluss zwischen dem Versorgungsanschluss 8 und dem Versorgungsanschluss 9 ohne Vorliegen eines elektrischen Fehlers ausschließlich über das Widerstandsmittel 19, den Lastwiderstand 3 und das Widerstandsmittel 20 möglich. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Widerstandsmittel 19, 20 jeweils einen elektrischen Widerstand aufweisen, der erheblich größer, als der Lastwiderstand 3 ist. Dementsprechend stellt sich an den Messstellen 23 und 24 jeweils ein elektrisches Potenzial ein, das zumindest nahezu ausschließlich von den Widerstandswerten der Widerstandsmittel 19, 20 abhängt. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die elektrische Widerstände der Widerstandsmittel 19, 20 identisch gewählt sind, so dass die elektrischen Potenziale an den Messstellen 23 und 24 zumindest nahezu der halben Versorgungsspannung entsprechen, die an den Versorgungsanschlüssen 8, 9 bereitgestellt wird. Bei einer weitgehenden Übereinstimmung der elektrischen Potenziale an den Messstellen 23 und 24, insbesondere innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs, sowie der dazu korrespondierenden Messsignale der jeweiligen Potenzialmesseinrichtungen 25, 26, die in der Auswerteeinrichtung 29 mit vorgegebenen Signalpegeln verglichen werden, kann die Auswerteeinrichtung 29 an der Signalschnittstelle 30 ein Funktionssignal bereitstellen, das die ordnungsgemäße Funktion der Lastschalteinrichtung 1 anzeigt.
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Liegt hingegen an einem der lastseitigen Stromzweigabschnitte 21, 22 oder an einer der Verbindungsleitungen 12, 13 ein unerwünschter elektrischer Kontakt mit einem elektrischen Potenzial vor, stellen sich bei geöffneten Schaltmitteln 17, 18 an den Messstellen 23, 24 abweichende elektrische Potenziale ein, die zu abweichenden Messsignalen der Potenzialmesseinrichtung 25, 26 führen und in der Auswerteeinrichtung 29 detektiert werden können. Sofern Abweichungen der Messsignale der Potenzialmesseinrichtung 25, 26 außerhalb eines vorgebbaren Toleranzintervalls liegen, ist die Auswerteeinrichtung 29 dazu ausgebildet, ein Fehlersignal auszugeben.
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Die Lastschalteinrichtung 1 gemäß der 1 ist dazu vorgesehen, mit einer Last 5 verwendet zu werden, die vor jedem Einschaltvorgang energielos ist und mit dem Einschalten der Energie eine Gefährdung hervorrufen kann. Um ein bestimmtes Sicherheitsniveau zu gewährleisten, muss vor Einschaltend der Last 5 sichergestellt sein, dass zu diesem und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu einem späteren Zeitpunkt die Last 5 wieder ausgeschaltet werden kann. Mit Ausschalten der Last 5 fällt die von ihr im eingeschalteten Zustand ausgehende Gefährdung weg.
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Die in der 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer Lastschalteinrichtung 31 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform lediglich durch Ausgleichsanordnungen in Form eines Widerstands 32, die nachstehend näher beschrieben wird, und einer Freilaufdiode 33. Im Übrigen werden bei der Lastschalteinrichtung 31 die gleichen Komponenten wie bei der Lastschalteinrichtung 1 eingesetzt, so dass für diese Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie bei der Lastschalteinrichtung 1 verwendet werden und auf eine neuerliche Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
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Die Funktion der Ausgleichsanordnungen 32, 33 besteht darin, nach einem Betrieb der Last 5 und einem Öffnen der Schaltmittel 17, 18 eine rasche Entladung des Lastkondensators 4 bzw. einen raschen Abbau einer Induktionsspannung, die ggf. durch eine nicht dargestellte induktive Komponente der Last 5 bewirkt wird, herbeizuführen. Dabei können die Ausgleichsanordnungen 32 und 33 ergänzend oder alternativ zueinander vorgesehen werden.
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Die in der 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer Lastschalteinrichtung 41 ist wie die Lastschalteinrichtung 1, 31 für eine Anordnung zwischen einer nicht dargestellten Versorgungsquelle und einer ebenfalls nicht dargestellten Last ausgebildet und weist dementsprechend Versorgungsanschlüsse 8, 9 und Lastanschlüsse 10, 11 auf. Ferner umfasst die Lastschalteinrichtung 41 in gleicher Weise wie die Lastschalteinrichtungen 1, 31 die Schaltanordnungen 15, 16 mit den zugeordneten Schaltmittel 17, 18 und den Widerstandsmitteln 19, 20.
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Abweichend von den vorstehend näher beschriebenen Lastschalteinrichtungen 1, 31 sind bei der Lastschalteinrichtung 41 jeweils zwischen den lastseitigen Stromzweigabschnitten 42, 43 und den versorgungsseitigen Stromzweigabschnitten 44, 45 Ausgleichsanordnungen 46, 47 vorgesehen. Diese Ausgleichsanordnungen sind exemplarisch jeweils als Reihenschaltung von zwei Widerstandsmitteln 48, 49 bzw. 50, 51 ausgebildet, wobei jeweils zwischen den Widerstandsmittel 48, 49 bzw. 50, 51 eine Messstelle 52 bzw. 53 ausgebildet ist. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die beiden Messstellen 52 und 53 über Messleitungen 54, 55 mit einer Auswerteeinrichtung 56 verbunden sind, die zur Ermittlung einer Potenzialdifferenz zwischen den beiden Messstellen 52 und 53 und zur Bereitstellung eines von der ermittelten Potenzialdifferenz abhängigen Statussignals ausgebildet ist.
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Für den Einsatz in Verbindung mit einer testweisen Abschaltung einer ansonsten eingeschalteten Last 5 ist die Auswerteeinrichtung 56 vorzugsweise mit einem Lock-In-Verstärker ausgestattet, der den Messvorgang mit dem Vorgang des testweisen Abschaltens synchronisiert.
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Durch die Widerstandsmittel 48 bis 51 wird eine Wheatston'sche Brückenschaltung gebildet, die eine besonders empfindliche Messung auf Fehlerfreiheit unabhängig vom tatsächlichen Wert der Versorgungsspannung ermöglicht. Hierdurch wird eine Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion der Lastschalteinrichtung 41, insbesondere im Hinblick auf das Vorliegen von fehlerhaften Schaltmitteln 17 oder 18 oder anderweitigen fehlerhaften elektrischen Verbindungen, und auch während eines Betriebs der Last 5 ermöglicht.
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Hierzu ist vorgesehen, dass während des Betriebs der Last 5 eine kurzzeitige Öffnung der beiden Schaltmittel 17, 18 vorgenommen wird, wobei diese Öffnung innerhalb eines vorgebbaren Öffnungszeitintervalls erfolgt, das vorzugsweise kleiner 10 ms beträgt.
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Eine Ermittlung der Potenzialdifferenz durch die Auswerteeinrichtung 56 erfolgt vorzugsweise kurz vor dem Ende des Öffnungszeitintervalls, da sich zu diesem Zeitpunkt die größtmögliche Differenz zwischen den elektrischen Potenzialen an den Messstellen 52, 53 einstellt. Um ein gesichertes Statussignal ausgeben zu können, kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung 56 erst dann ein Statussignal bereitstellt, wenn mehrere in zeitlicher Abfolge nacheinander ermittelte Potenzialdifferenzen in gleicher Weise außerhalb eines vorgegebenen Messintervalls liegen. Dementsprechend kann das Statussignals erst dann bereitgestellt werden, wenn eine mehrfache kurzzeitige Abschaltung der Last 5 mit Hilfe der Schaltanordnungen 15, 16 vorgenommen wurde.
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Das in der 4 gezeigte Signalverlaufsdiagramm für die in 2 gezeigte Ausführungsform der Lastschalteinrichtung 31 ist aus Gründen einer vereinfachten Darstellung in insgesamt vier übereinander angeordnete Signalverlaufsblöcke unterteilt, die nachstehend näher erläutert werden. Rein exemplarisch sind die während des Prüfverlaufs auftretenden Signalpegel in einem zeitlichen Raster mit jeweils gleichen Zeitabschnitten angeordnet, dies muss jedoch nicht der Realität entsprechen, sondern dient lediglich der vereinfachten Darstellung.
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Im unteren Signalverlaufsblock 60 sind die Steuersignale 61, 62 für die beiden exemplarisch als Halbleiterschalter ausgebildeten und elektrisch ansteuerbaren Schaltmittel 17, 18 dargestellt. Rein exemplarisch ist eine Ansteuerung der beiden Schaltmittel 17, 18 mit einem Rechtecksignal vorgesehen, dessen Signalpegel beispielhaft zwischen einem unteren Pegelwert, der nicht zu einer Schaltfunktion des jeweiligen Schaltmittels 17, 18 führt, und einem oberen Pegelwert, der zu einer Schaltfunktion des jeweiligen Schaltmittels 17, 18 führt, umgeschaltet wird. Die beiden Steuersignale 61, 62 werden bei den Lastschalteinrichtungen 1, 31, 41 gemäß den 1 bis 3 von einer nicht dargestellten Ansteuereinrichtung bereitgestellt.
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In dem in 4 oberhalb des Signalverlaufsblocks 60 angeordneten Signalverlaufsblock 63 sind Störsignale 64, 65 eingezeichnet, mit denen eine Fehlfunktion der Schaltmittel 17, 18 dargestellt werden soll. Exemplarisch ist das Störsignal 64 dazu vorgesehen, eine Störung des Schaltmittels 17 zu simulieren, die während eines Zeitabschnitts, in dem das Steuersignal 61 eine unteren Pegelwert einnimmt und an sich keine Aktivierung des zugeordneten Schaltmittels 17 vorliegt. Dementsprechend führt das Störsignal 64 zu einer unerwünschten Überbrückung des Schaltmittels 17 und somit zu einem Fehler, der mit Hilfe der Lastschalteinrichtung 31 erkannt werden soll. In gleicher Weise gilt dies für das Störsignal 65, das einen Fehler im Schaltmittel 18 simuliert.
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In dem darüberliegenden Signalverlaufsblock 66 ist die Spannung an der Last 5 eingezeichnet, die rein exemplarisch bei Aktivierung der beiden Schaltmittel 17, 18 von einem unteren Spannungsniveau auf ein oberes Spannungsniveau angehoben wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass unmittelbar nach der Aktivierung der beiden Schaltmittel 17, 18 die volle Spannung an der Last 5 anliegt. Demgegenüber tritt bei einer Abschaltung der beiden Schaltmittel 17, 18 aufgrund des Lastkondensators 4 eine zeitabhängige Absenkung der an der Last 5 anliegenden elektrischen Spannung ein. Die Zeitspanne zwischen der Abschaltung der beiden Schaltmittel 17, 18 und der Annäherung der Spannung an der Last 5 an das Spannungsniveau ist insbesondere von der Kapazität des Lastkondensators 4, dem Lastwiderstand 3 und dem elektrischen Widerstand der Ausgleichsanordnung 32 abhängig.
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In dem darüberliegenden Signalverlaufsblock 67 sind die Signalpegel 68, 69 der Potenzialmesseinrichtungen 25, 26 eingetragen, wobei hier exemplarisch davon ausgegangen wird, dass die Widerstandsmittel 19, 20 jeweils den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. Dementsprechend arbeitet die Lastschalteinrichtung 31 bei geöffneten, also deaktivierten und nicht fehlerbehafteten Schaltmitteln 17, 18 als Spannungsteiler, wobei beispielhaft davon ausgegangen wird, dass die elektrischen Widerstände der beiden Widerstandsmittel 19, 20 erheblich größer als der elektrische Widerstand des Lastwiderstands 3 sind. Dementsprechend findet ein Spannungsabfall der von der Spannungsquelle 2 bereitgestellten Versorgungsspannung nahezu ausschließlich an den beiden Widerstandsmitteln 19, 20 statt. Unter der weiteren Voraussetzung, dass an den beiden Bezugspunkten 27, 28 jeweils das gleiche Bezugspotenzial, insbesondere ein Massepotenzial, anliegt, stellen sich die Signalpegel 68, 69 ein. In einem ersten Zeitabschnitt zwischen t0 und t1 weisen die beiden Steuersignale 61, 62 einen unteren Pegelwert auf, so dass die zugeordneten Schaltmittel 17, 18 in der Lastschalteinrichtung 31 bei ordnungsgemäßem Funktionszustand der Schaltmittel 17, 18 hochohmig und praktisch nichtleitend sind. Somit stellt sich an den Messstellen 23, 24 ein zumindest nahezu identisches elektrisches Potenzial ein, das sich praktisch nur durch den zu vernachlässigenden Spannungsabfall am im Vergleich zu den übrigen Widerständen niederohmigen Lastwiderstand 3 unterscheidet.
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Bei einer zum Zeitpunkt t1 vorgesehenen Aktivierung der beiden Schaltmittel 17, 18 mit den entsprechenden Steuersignalen 61, 62, die ab diesem Zeitpunkt einen hohen Pegelwert aufweisen, sind die zugeordneten Schaltmittel 17, 18 in der Lastschalteinrichtung 31 bei ordnungsgemäßem Funktionszustand der Schaltmittel 17, 18 niederohmig und praktisch leitend, so dass zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 8 und der Messstelle 23 kein nennenswerter Spannungsabfall vorliegt und das elektrische Potenzial an der Messstelle 23 zumindest nahezu dem elektrischen Potenzial der Versorgungsquelle 2 entspricht. In diesem Funktionszustand der Lastschalteinrichtung 31 findet der Spannungsabfall nahezu ausschließlich am Lastwiderstand 3 statt, so dass an der Messstelle 24 zumindest nahezu das Massepotenzial der Versorgungsquelle 2 anliegt. Dementsprechend stellen sich die die Signalpegel 68, 69 zwischen t1 und t2 ein.
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Zum Zeitpunkt t2 erfolgt eine Abschaltung der Schaltmittel 17, 18, da zu diesem Zeitpunkt die Signalpegel der Steuersignale 61, 62 wieder den niedrigen Pegelwert einnehmen. Aufgrund der im Lastkondensator 4 gespeicherten elektrischen Ladung bleibt nach dem Zeitpunkt t2 der Abschaltung der beiden Schaltmittel 17, 18 zunächst die Potenzialdifferenz zwischen den beiden elektrischen Potenzialen an den Messstellen 23, 24 zumindest teilweise erhalten, um dann aufgrund der Entladung des Lastkondensators 4 allmählich abzunehmen, so dass nach einer nicht näher bezeichneten Zeitdauer an beiden Messstellen 23, 24 das gleiche elektrisch Potenzial anliegt. Die Zeitdauer für die Entladung des Lastkondensators 4 wird im Wesentlichen durch den Kapazitätswert des Kondensators 4 sowie dem elektrischen Widerstand der Parallelschaltung von dem Lastwiderstand 3 und der Ausgleichsanordnung 32 bestimmt, wobei es sich insbesondere um einen rein ohmschen Widerstand handeln kann. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Widerstand der Ausgleichsanordnung 32 zumindest nahezu dem Widerstand des Widerstandsmittels 19 oder 20 entspricht.
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Nach einer weiteren Aktivierung der Schaltmittel 17, 18 zum Zeitpunkt t3 erfolgt kurz nach der darauffolgenden Deaktivierung der Schaltmittel 17, 18 bei t4 zum Zeitpunkt t4F modellhaft ein Störeinfluss auf das Schaltmittel 17, der durch das Störsignal 64 im Signalverlaufsblock 63 symbolisiert wird und der eine Fehlfunktion des Schaltmittels 17 simuliert. Bei dieser Fehlfunktion des Schaltmittels 17 kann es sich beispielsweise um ein so genanntes „Durchlegieren” des exemplarisch als Halbleiterschalter ausgebildeten Schaltmittels 17 handeln, bei dem eine Sperrschicht innerhalb des Schaltmittels 17 aufgrund von Überlastung oder Alterung ihre Sperrfunktion nicht mehr aufrechterhalten kann und ein Stromfluss durch das Schaltmittel 17 auch ohne äußeres Steuersignal 61 ermöglicht wird. Der hierdurch stattfindende Funktionsverlust des Schaltmittels 17 führt dazu, dass unmittelbar nach Auftreten des Störsignals 64 zum Zeitpunkt t4F sowohl an der Messstelle 23 als auch an der Messstelle 24 ein Spannungssprung in Richtung des Versorgungspotenzials stattfindet. Dieser Spannungssprung ist dadurch bedingt, dass ab dem Zeitpunkt t4F aufgrund der angenommenen Fehlfunktion des Schaltmittels 17 zumindest nahezu die volle Versorgungsspannung an der Messstelle 23 anliegt. Ein Spannungsabfall findet in dieser Situation nur noch an der Parallelschaltung der Ausgleichsanordnung 32 und des Lastwiderstands 3 sowie dem in Reihe dazu geschalteten Widerstandsmittel 20 statt. Da der Widerstand 20 besonders hochohmig ist, fällt dort praktisch die gesamte Spannung ab und die elektrischen Potenziale an den Messstellen 23, 24 gleichen sich nach einer gewissen Zeit aneinander an und unterscheiden sich gegenüber dem Versorgungsspannungsniveau am Versorgungsanschluss 8 nur durch den Spannungsabfall an der Parallelschaltung der Ausgleichsanordnung 32 und des Lastwiderstands 3. Diese Verschiebung der beiden elektrischen Potenziale an den Messstellen 23, 24 kann von der Auswerteeinrichtung 29 der Lastschalteinrichtung 31 detektiert werden und führt an der Signalschnittstelle 30 zur Ausgabe eines Fehlersignals. Ein solches Fehlersignal führt in der Praxis zu weitergehenden Maßnahmen, die von einer übergeordneten Steuerungseinrichtung getroffen werden müssen, beispielsweise zu einer Abschaltung der Stromversorgung für die jeweilige Lastschalteinrichtung 31.
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Zum Zeitpunkt t4N wird die Simulation eines Fehlers des Schaltmittels 17 beendet, wodurch sich an den Messstellen 23, 24 wieder das reguläre elektrische Potenzial einstellt, wie es beispielsweise am Ende des Zeitabschnitts zwischen t2 und t3 aufgetreten ist.
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Nach einer regulären Einschaltphase zwischen t5 und t6 erfolgt zum Zeitpunkt t6F eine Simulation einer Fehlfunktion des Schaltmittels 18, wie dies durch das Störsignal 65 dargestellt ist. In diesem Fall wird ein unbeabsichtigter Schluss des lastseitigen Stromzweigabschnitts 22 gegen Masse simuliert, so dass die Signalpegel 68 und 69 in Richtung des Massepotenzials gezogen werden und sich vom Massepotenzial am Versorgungsanschluss 9 nur geringfügig aufgrund des Spannungsabfalls an der Parallelschaltung von Lastwiderstand 3 und Ausgleichsanordnung 32 unterscheiden. Auch diese Veränderung der Signalpegel 68, 69 kann mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 29 detektiert werden und führt ebenfalls zur Ausgabe eines Fehlersignals an der Signalschnittstelle 30.
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Zum Zeitpunkt t6F endet die Simulation der Fehlfunktion des Schaltmittels 18 und es stellt sich wieder die reguläre Situation für die beiden Signalpegel 68, 69 ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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