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Die Erfindung betrifft eine sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung zum elektrischen Schalten einer Automatisierungskomponente, mit einem ersten Stromzweig, der sich von einem ersten Versorgungsanschluss zu einem ersten Lastanschluss erstreckt und in den ein erstes Schaltmittel eingeschleift ist, das für eine Auftrennung des ersten Stromzweigs ausgebildet ist, und mit einem zweiten Stromzweig, der sich von einem zweiten Versorgungsanschluss zu einem zweiten Lastanschluss erstreckt und in den ein zweites Schaltmittel eingeschleift ist, das für eine Auftrennung des zweiten Stromzweigs ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung.
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Aus der
DE 10 2010 004 524 A1 ist eine Vorrichtung zur elektrischen Stromkreisüberwachung eines wenigstens einen elektrischen Verbraucher enthaltenden Verbraucherstromkreises bekannt, wobei zwei Versorgungsspannungsanschlüsse über je einen ersten Halbleiterschalter aufweisende Strompfade mit den beiden Verbraucheranschlüssen verbunden sind. Die Stromerfassungsmittel dienen zur Erfassung des Stroms in jedem der beiden Strompfade. Zu je einem Hochstromshunt in jedem der beiden Strompfade ist die Reihenschaltung eines weiteren zweiten Halbleiterschalters mit einem Niederstromshunt parallel geschaltet, wobei die beiden Anschlüsse der Niederstromshunts jeweils mit den Stromerfassungsmitteln verbunden sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung bereitzustellen, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand eine zuverlässige Detektion von fehlerbedingten elektrischen Verbindungen wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird für eine sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass an einem ersten Messpunkt zwischen dem ersten Schaltmittel und dem ersten Lastanschluss ein erster Testzweig angeschlossen ist, der mit dem zweiten Versorgungsanschluss verbunden ist und der eine Reihenschaltung eines ersten Testschalters und einer ersten Messeinrichtung umfasst, und dass an einem zweiten Messpunkt zwischen dem zweiten Schaltmittel und dem zweiten Lastanschluss ein zweiter Testzweig angeschlossen ist, der mit dem ersten Versorgungsanschluss verbunden ist und der eine Reihenschaltung eines zweiten Testschalters und einer zweiten Messeinrichtung umfasst.
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Die sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung ist für eine zweikanalige Abschaltung der elektrischen Versorgung der Last vorgesehen, hierzu ist in jeden der Stromzweige ein Schaltmittel eingeschlieft, das eine Auftrennung des jeweiligen Stromzweigs bewirken kann und somit eine elektrische Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss und dem Lastanschluss unterbricht. Ferner ist jedem der Stromzweige eine eigene Testeinrichtung in Form des jeweiligen Testzweigs zugeordnet, so dass auch jeder der Stromzweige individuell auf Fehlfunktionen, insbesondere im Hinblick auf die Schaltfunktion des jeweiligen Schaltmittels und das Vorliegen einer fehlerbedingten elektrischen Verbindung mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, überprüft werden kann. Dabei ist die sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung für eine Überprüfung im laufenden Betrieb der Last ausgelegt, so dass zu einem beliebigen Zeitpunkt jeweils einer der beiden Stromzweige auf das Vorliegen von Fehlfunktionen geprüft werden kann, ohne dass damit eine Beeinträchtigung der Funktion der Last verbunden ist.
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Mit Hilfe des jeweiligen Testschalters wird während der Durchführung eines Prüfvorgangs für die Lastschalteinrichtung zeitweilig eine elektrische Verbindung zwischen dem jeweiligen Messpunkt und dem jeweiligen Versorgungsanschluss über den zugeordneten Testzweig hergestellt, so dass die Last kurzgeschlossen ist. Hierdurch wird zunächst elektrische Energie, die in kapazitiver und/oder in induktiver Weise in der Last gespeichert ist, vorzugsweise innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne, entladen. Bei der Last handelt es sich beispielsweise um eine Automatisierungskomponente wie ein Magnetventil. Die Last ist bestimmungsgemäß ausschließlich über die beiden Lastanschlüsse mit den Versorgungsanschlüssen verbunden, weitere elektrische Verbindungen der Last mit der Versorgungsspannung und/oder einem weiteren Spannungspotential und/oder einem Massepotential sind als Fehler anzusehen, die mit Hilfe der Lastschalteinrichtung aufgedeckt werden sollen.
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Nachdem die elektrische Entladung der Last abgeschlossen ist und der bestimmungsgemäße Stromfluss in der Lastschalteinrichtung ohne das Vorliegen eines Fehlers verschwinden müsste, kann mit Hilfe der Messeinrichtung geprüft werden, ob an der angeschlossenen Last und/oder an der Lastschalteinrichtung trotz des jeweils geöffneten Schaltmittels in dem zu prüfenden Stromzweig eine fehlerbedingte elektrische Verbindung mit einem elektrischen Potential, insbesondere mit einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, anliegt, woraus beim Vorliegen einer Potentialdifferenz ein Stromfluss resultieren würde. Sofern dies der Fall sein sollte, kann mit einer nachgelagerten Auswerteschaltung geprüft werden, ob das ermittelte elektrische Potential möglicherweise geeignet ist, einen Betrieb der angeschlossenen Last trotz des geöffneten Schaltmittels aufrecht erhalten, worin ein Fehler für die Kombination aus Last und Lastschalteinrichtung zu sehen ist. In diesem Fall ist vorgesehen, auch das andere Schaltmittel zu öffnen, um auf diesem Wege einen unerwünschten und möglicherweise gefährlichen Weiterbetrieb der Last zu unterbinden.
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Als mögliche Fehlerquellen für derartige unerwünschte elektrische Potentiale sind die elektrischen Verbindungen der Last mit den Versorgungsanschlüssen über die jeweiligen Stromzweige der Lastschalteinrichtung sowie interne elektrische Lastzweige der Last zu nennen. Diese Stromzweige bzw. Lastzweige können zumindest abschnittsweise in Form von Kabeln verwirklicht werden, deren Isolierung durch mechanische Einflüsse beschädigt werden kann. Hierbei kann der Fall auftreten, dass in einem der Stromzweige oder Lastzweige eine unerwünschte elektrische Verbindung gegenüber einem äußeren elektrischen Potential, beispielsweise einem Versorgungspotential, einem Massepotential oder Funktionserde, auftritt. Hierdurch ist gegebenenfalls eine zuverlässige Abschaltung der an den Lastanschlüssen angeschlossene Last bei Betätigung nur eines der beiden Schaltmittel in Frage gestellt. Ergänzend oder alternativ kann der Fall auftreten, dass eines der Schaltmittel, bei denen es sich insbesondere um einen Halbleiterschalter handeln kann, eine Störung, insbesondere eine Beschädigung von Halbleiterschichten, aufweist. Beispielhaft nimmt in einem solchen Fall das Schaltmittel trotz eines korrekten Steuersignals, das auf eine Auftrennung der elektrischen Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss und dem Lastanschluss gerichtet ist, die Auftrennung zwischen dem Versorgungsanschluss und dem Lastanschluss nicht oder nur teilweise vor, wodurch ebenfalls eine zuverlässige Abschaltung der Last in Frage gestellt ist. In diesen und weiteren nicht näher beleuchteten Fällen, bei denen unerwünschte elektrische Potentiale in wenigstens einem der Stromzweige vorliegen, kann mit Hilfe der Lastschalteinrichtung und der darin vorgesehenen Testzweige geprüft werden, ob derartige fehlerbedingte elektrische Verbindungen vorliegen. Anschließend kann bei Ermittlung einer fehlerbedingten elektrischen Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, eine angemessene Reaktion für die Lastschalteinrichtung eingeleitet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Messeinrichtung als Strommesseinrichtung ausgebildet ist. Beispielhaft kann die Messeinrichtung einen oder mehrere Hallsensoren umfassen, die eine Magnetfelderfassung am Testzweig durchführen und hierüber einen Rückschluss auf den im Testzweig fließenden Strom ermöglichen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Strommessung über einen oder mehrere magnetoresistive Sensoren erfolgt, die dem Testzweig zugeordnet sind und deren magnetfeldabhängiger Widerstand eine Ermittlung des Stromflusses ermöglicht.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strommesseinrichtung einen, insbesondere niederohmigen, Messwiderstand sowie einen dem Messwiderstand zugeordneten Spannungsverstärker umfasst. Hierdurch kann eine kostengünstige und robuste Strommessung bereitgestellt werden. Der Messwiderstand ist vorzugsweise niederohmig, insbesondere mit einem Widerstandswert kleiner 1 Ohm, ausgebildet. Eine solche niederohmige Auslegung des Messwiderstands ermöglicht eine möglichst rasche Entladung der kapazitiv in der Last gespeicherten elektrischen Energie, so dass in sehr kurzer Zeit die Voraussetzungen für die dem Entladevorgang folgende Messung von Strömen, die auf eventuellen fehlerbedingten elektrischen Verbindungen wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, beruhen, vorliegen. Allerdings sind hierbei gewisse Anforderungen an den Spannungsverstärker zu stellen, der die am Messwiderstand abfallende Spannung verstärken soll. Dieser Spannungsverstärker sollte so ausgewählt sein, dass er bei hoher Gleichtaktaussteuerung eine hohe Differenzverstärkung ermöglicht. Exemplarisch ist der Spannungsverstärker daher als Operationsverstärker, insbesondere als Rail-to-Rail-Operationsverstärker oder als Instrumentenverstärker, ausgebildet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Messwiderstand ein Kondensator parallelgeschaltet ist. Mit Hilfe dieser Parallelschaltung kann der Entladevorgang für die Last vor der Durchführung der Messung zur Ermittlung von fehlerbedingten elektrischen Verbindungen wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, beschleunigt werden, da sich der Kondensator zum Zeitpunkt des Schließens des Testschalters zumindest kurzzeitig wie ein elektrischer Leiter verhält.
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Vorzugsweise ist ein Ausgangsanschluss des Spannungsverstärkers mit einem Eingangsanschluss einer Vergleichereinrichtung verbunden, die für einen Vergleich eines Ausgangssignals des Spannungsverstärkers mit einem vorgebbaren Referenzsignal ausgebildet und für eine Ausgabe eines Vergleichssignals an einem Signalanschluss ausgebildet ist. Die Aufgabe der Vergleichereinrichtung besteht darin, das vom Spannungsverstärker ausgegebene, dem Stromfluss durch den Messwiderstand proportionale Spannungssignal mit einem, vorzugsweise ebenfalls als Spannungspegel bereitgestellten, Referenzsignal zu vergleichen und daraus ein Vergleichssignal zu erzeugen.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Vergleichereinrichtung eine sicherheitsgerichtete Steuereinrichtung zugeordnet ist, die mit dem Signalanschluss sowie mit dem ersten Schaltmittel und dem zweiten Schaltmittel verbunden ist und die für die Ansteuerung des ersten und des zweiten Schaltmittels in Abhängigkeit von dem Vergleichssignal ausgebildet ist. Die Aufgabe der sicherheitsgerichteten Steuereinrichtung besteht also darin, anhand des von der Vergleichereinrichtung bereitgestellten Vergleichssignals eine Entscheidung darüber zu treffen, ob eine fehlerbedingte elektrische Verbindung wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, vorliegt, der eine Ansteuerung der Schaltmittel und dadurch eine Abschaltung der Last erfordert oder ob die Last ohne eine Einwirkung auf die Schaltmittel weiterbetrieben werden kann. Hierzu wird in der sicherheitsgerichteten Steuereinrichtung eine Auswertung des eintreffenden Vergleichssignals anhand eines vorgebbaren Signalintervalls vorgenommen. Beispielhaft findet in der sicherheitsgerichteten Steuereinrichtung eine Überprüfung statt, ob ein Betrag des Vergleichssignals einen Schwellwert für einen maximalen Stromfluss über den Messwiderstand unterschreitet oder überscheitet. Bei einer Überschreitung des Schwellwerts, die als Fehlerfall zu werten ist, kann die sicherheitsgerichtete Steuereinrichtung dazu eingerichtet werden, eine Ansteuerung der beiden Schaltmittel vorzunehmen, um die sicherheitsgerichtete Abschaltung der Last durchzuführen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den ersten Versorgungsanschluss und den zweiten Versorgungsanschluss ein Kondensator und/oder zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt eine Freilaufdiode eingeschleift ist. Die Aufgabe des Kondensators liegt darin, nach erfolgreicher Durchführung des Prüfprozesses eine möglichst rasche Bereitstellung von elektrischer Energie an die Last zu gewährleisten. Grundsätzlich soll der Prüfprozess so durchgeführt werden, dass die im Betrieb befindliche Last trotz der zeitweiligen Abschaltung der elektrischen Versorgung während der Testdurchführung keine Zustandsänderung erfährt. Dadurch sollen unerwünschte Verschleißerscheinungen vermieden werden, wie sie beispielsweise bei Magnetventilen im Falle einer zu langen Abschaltung aufgrund einer Bewegung des Ventilkörpers auftreten können. Dementsprechend ist es vorteilhaft, am Ende des Prüfprozesses im Falle eines positiven Ergebnisses, falls also keine relevante fehlerbedingte elektrische Verbindung des überprüften Stromzweigs mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, ermittelt wurde, möglichst verzögerungsfrei die von der Last benötigte elektrische Energie wieder zur Verfügung zu stellen. Um die Anforderungen an die elektrische Energiequelle, die mit den Versorgungsanschlüssen verbunden ist und die die Last während des normalen Betriebs mit elektrischer Energie versorgt, möglichst gering halten zu können, ist der Kondensator vorgesehen, der mit dem erneuten Schließen des jeweiligen Schaltmittels seine gespeicherte Ladung zumindest teilweise an die Last abgeben kann. Dadurch kann der Zeitraum, in dem eine Durchführung des Prüfprozesses ohne Rückwirkung auf die Last durchgeführt werden kann, gegenüber einer ausschließlich durch die elektrische Energiequelle vorgesehenen Energieversorgung der Last verlängert werden, was die Testdurchführung erleichtert.
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Ergänzend oder alternativ kann zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt eine Freilaufdiode eingeschleift werden. Die Aufgabe der Freilaufdiode liegt darin, induktiv in der Last während des normalen Betriebs gespeicherte magnetische Energie für die Durchführung des Prüfprozesses möglichst rasch abzubauen, so dass die Strommessung für die Suche nach Querschüssen möglichst kurz nach Öffnen des jeweiligen Schaltmittels durchgeführt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Verfahren zum Betreiben einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bei der Verfahrensdurchführung sind die folgenden Schritte vorgesehen: Schließen eines ersten Schaltmittels zur Verbindung eines ersten Lastanschlusses mit einem ersten Versorgungsanschluss und Schließen eines zweiten Schaltmittels zur Verbindung eines zweiten Lastanschlusses mit einem zweiten Versorgungsanschluss, um eine an den Lastanschlüssen angeschlossene Last mit elektrischer Energie zu versorgen, Durchführung eines Prüfprozesses mit den Schritten: Öffnen eines der Schaltmittel und Schließen eines Testschalters, der in einem Testzweig zwischen dem geöffneten Schaltmittel und dem diesem Schaltmittel zugeordneten Lastanschluss und dem Versorgungsanschluss des weiterhin geschlossenen Schaltmittels eingeschleift ist, und Durchführen einer Strommessung in dem Testzweig zur Ermittlung eines Strommesswerts, Vergleichen des ermittelten Strommesswerts mit einem vorgegebenen Strommesswert, entweder Ausgeben eines Fehlersignals, sofern der ermittelte Strommesswert den vorgegebenen Strommesswert überschreitet, sowie Öffnen des jeweils anderen Schaltmittels zum sicheren Abtrennen der Last; oder Öffnen des Testschalters und Schließen des geöffneten Schaltmittels, sofern der ermittelte Strommesswert den vorgegebenen Strommesswert nicht überschreitet und Durchführung des Prüfprozesses für das jeweils andere Schaltmittel mit dem jeweils anderen Testzweig.
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Das Verfahren beruht demnach darauf, dass die Last zunächst in Betrieb genommen wird und eine Überprüfung der Lastschalteinrichtung sowie der damit verbundenen Last im Hinblick auf das Vorliegen von Querschüssen unter Aufrechterhaltung des Betriebszustands für die Last erfolgt. Daher ist die Zeitdauer für die Durchführung des Prüfprozesses so zu bemessen, dass trotz einer Abschaltung der elektrischen Versorgung der Last, was durch geeignete Ansteuerung eines der Schaltmittel erfolgt, keine Rückwirkung auf die Last stattfindet, die beispielsweise eine gewisse mechanische Trägheit aufweist und daher zumindest einen gewissen Zeitraum trotz der Abschaltung der elektrischen Versorgung keine Zustandsänderung erfährt. Dies ermöglicht die Durchführung von Testvorgängen in wahlfreier Reihenfolge und mit konstanten oder variablen zeitlichen Abständen für die beiden Stromzweige mit Hilfe der jeweils zugeordneten Testzweige, ohne hierbei Rücksicht auf den Betriebszustand der Last nehmen zu müssen. Es ist somit ohne Bedeutung für die Durchführung des Prüfprozesses, ob die Last zum Zeitpunkt der Überprüfung des jeweiligen Stromzweigs in einem Betriebszustand oder in einem Ruhezustand ist, da für die Durchführung des Prüfprozesses ohnehin davon ausgegangen ist, dass die Last in elektrischer Hinsicht zumindest nahezu vollständig energielos ist. Da dieser Zustand der Energielosigkeit der Last während eines regulären Betriebs der Last jedoch nur für eine extrem kurze Zeitspanne aufrecht erhalten wird, innerhalb derer der Prüfprozess durchgeführt wird, bleibt dies für den Funktionszustand der Last, bei der es sich beispielsweise um ein Magnetventil handeln kann, ohne praktische Bedeutung.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Schließen des Testschalters eine vorgebbare Wartezeit, vorzugsweise 150 Mikrosekunden, insbesondere 200 Mikrosekunden, abgewartet wird, bevor eine Strommessung vorgenommen wird und/oder eine Auswertung eines Strommesswerts erfolgt. Bei geeigneter Auslegung des Messwiderstands reicht diese Zeitdauer aus, um eine vollständige elektrische Energielosigkeit der Last zu gewährleisten, die die Voraussetzung für eine ordnungsgemäße Durchführung des nachfolgenden Prüfprozesses zur Ermittlung von fehlerbedingten elektrischen Verbindungen wenigstens eines der Stromzweige mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Ausgabe des Fehlersignals oder ein Schließen des ersten Schaltmittels nach einer Zeitdauer von 300 Mikrosekunden, insbesondere 250 Mikrosekunden erfolgt. Für den Fall eines positiven Testergebnisses, also keine Ermittlung einer relevanten fehlerbedingten elektrischen Verbindung des überprüften Stromzweigs mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential oder einem Massepotential, ist eine erneute Bereitstellung der elektrischen Versorgungsenergie an die Last innerhalb der Zeitdauer von 300 Mikrosekunden nach der Abschaltung der Versorgungsenergie ausreichend, um einen rückwirkungsfreien Weiterbetrieb der Last zu gewährleisten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 einen exemplarischen Schaltungsaufbau für eine sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung, die mit einer Versorgungsquelle und mit einer Last elektrisch verbunden ist, und
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2 ein Ablaufschema für die Durchführung eines Prüfprozesses für die sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung gemäß der 1.
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Eine in der 1 dargestellten Lastschalteinrichtung 1 dient zur Beeinflussung einer elektrischen Versorgung einer rein schematisch dargestellten Last 2 und ist zu diesem Zweck zwischen die Last 2 und eine elektrische Versorgungsquelle 3 eingeschleift.
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Bei der elektrischen Versorgungsquelle 3 handelt es sich beispielsweise um eine Gleichstromquelle, die eine Versorgungsspannung von 24 Volt bezogen auf einen Funktionserde-Anschluss 4 bereitstellt. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Lastschalteinrichtung 1 über insgesamt vier nicht näher dargestellte elektrische Steckverbinder 5 mit der Versorgungsquelle 3 verbunden ist.
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Die schematisch dargestellte Last 2 umfasst rein exemplarisch einen ersten Lastzweig 6 und einem zweiten Lastzweig 7. Jeder der Lastzweige 6, 7 erstreckt sich jeweils zwischen einem Steckverbinder 8, der für eine elektrische Verbindung mit der Lastschalteinrichtung 1 vorgesehen ist, und einem Funktionserde-Anschluss 9 bzw. 10. Beispielhaft ist an jedem der Lastzweige 6, 7 ein Kondensator 11 bzw. 12 nach Masse geschaltet, der für eine EMV-Anpassung der Last 2 vorgesehen ist.
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Zwischen die Lastzweige 6 und 7 ist ein Lastkondensator 15 geschaltet. Parallel zum Lastkondensator 15 ist eine Reihenschaltung eines Lastwiderstands 16 und einer Lastinduktivität 17 geschaltet. Somit weist die Last 2 rein exemplarisch einen resistiven Anteil, einen induktiven Anteil sowie einen kapazitiven Anteil auf.
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Zusätzlich ist an den ersten Lastzweig 6 eine Spannungsquelle 18 über einen Widerstand 19 angeschlossen, wobei durch diese Anordnung von Spannungsquelle 18 und Widerstand 19 eine versorgungsseitige fehlerbedingte elektrische Verbindung des Lastzweigs 6 mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem weiteren Versorgungspotential, symbolisiert werden soll, wobei dieser Fehler nicht zwingend vorhanden sein muss, sondern lediglich vorhanden sein kann und mit Hilfe der nachstehend näher beschriebenen Lastschalteinrichtung 1 detektiert werden soll.
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Zusätzlich ist der zweite Lastzweig 7 über einen Widerstand 20 mit einem Masseanschluss 21 verbunden, wobei durch diese Anordnung von Widerstand 20 und Masseanschluss 21 eine masseseitige fehlerbedingte elektrische Verbindung des Lastzweigs 7 mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem Massepotential, symbolisiert werden soll, wobei dieser Fehler nicht zwingend vorhanden sein muss, sondern lediglich vorhanden sein kann und mit Hilfe der nachstehend näher beschriebenen Lastschalteinrichtung 1 detektiert werden soll.
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Die in der 1 dargestellte Lastschalteinrichtung 1 umfasst einen ersten Stromzweig 25, der sich zwischen einem ersten Versorgungsanschluss 33 und einem ersten Lastanschluss 34 erstreckt und in den ein erstes Schaltmittel 26, das vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgebildet ist, eingeschleift ist. Der erste Stromzweig 25 ist somit für eine erste elektrische Verbindung zwischen der Versorgungsquelle 3 und dem ersten Lastzweig 6 der Last 2 ausgebildet.
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Ferner umfasst die Lastschalteinrichtung 1 einen zweiten Stromzweig 27, der sich zwischen einem zweiten Versorgungsanschluss 35 und einem zweiten Lastanschluss 36 erstreckt und in den ein zweites Schaltmittel 28, das vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgebildet ist, eingeschleift ist. Der zweite Stromzweig 28 ist somit für eine zweite elektrische Verbindung zwischen dem Funktionserde-Anschluss 4 und dem zweiten Lastzweig 7 der Last 2 ausgebildet.
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Beide Schaltmittel 26, 28 sind über Steuerleitungen 29, 30 mit einer sicherheitsgerichteten Steuereinrichtung 31 elektrisch verbunden, die für eine Bereitstellung von elektrischen Steuersignalen an die jeweiligen Schaltmittel 26 und 28 ausgebildet ist, um die Schaltmittel 26 und 28 zwischen einer in der 1 dargestellten Öffnungsstellung und einer nicht dargestellten Schließstellung umschalten zu können. Vorzugsweise ist die sicherheitsgerichtete Steuereinrichtung 31 als Mikroprozessor ausgebildet. Die sicherheitsgerichtete Steuereinrichtung 31 umfasst beispielhaft eine Kommunikationsschnittstelle 32, die für eine Kommunikation mit einer nicht näher dargestellten, übergeordneten Steuerung, insbesondere einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), ausgebildet ist. Die Kommunikationsschnittstelle 32 ist beispielsweise für eine parallele Kommunikation oder eine serielle Kommunikation, insbesondere eine Kommunikation gemäß einem vorgebbaren Busprotokoll, ausgebildet.
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In einem Teilabschnitt des ersten Stromzweigs 25, der sich zwischen dem ersten Schaltmittel 26 und dem ersten Lastanschluss 34 erstreckt, ist ein erster Messpunkt 37 vorgesehen, an dem ein erster Testzweig 38 angeschlossen ist, der elektrisch mit dem Funktionserde-Anschluss 4 verbunden ist. In den ersten Testzweig 38 ist ein erster Testschalter 39 eingeschleift, der zwischen einer in 1 dargestellten Öffnungsstellung und einer nicht dargestellten Schließstellung umgeschaltet werden kann. Ferner ist dem ersten Testzweig 38 eine erste Strommesseinrichtung 40 zugeordnet, die zur Ermittlung eines Stromflusses durch den ersten Testzweig 38 ausgebildet ist. Rein exemplarisch umfasst die erste Strommesseinrichtung 40 einen ersten Messwiderstand 41 sowie einen ersten Spannungsverstärker 42, der zur Ermittlung eines Spannungsabfalls über dem ersten Messwiderstand 41 ausgebildet ist. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass der erste Messwiderstand 41 niederohmig, insbesondere mit einem Widerstandswert kleiner 1 Ohm, ausgebildet ist und/oder dass der erste Spannungsverstärker 42 als Operationsverstärker, insbesondere als Rail-to-Rail-Operationsverstärker oder als Instrumentenverstärker, ausgebildet ist.
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Ein Ausgangsanschluss des ersten Spannungsverstärkers 42 ist mit einem ersten Eingangsanschluss einer ersten Vergleichereinrichtung 45 verbunden, die beispielsweise als Komparator ausgebildet sein kann. An einem zweiten Eingangsanschluss der ersten Vergleichereinrichtung 45 ist eine erste Konstantspannungsquelle 47 angeschlossen, die für eine Bereitstellung einer Referenzspannung ausgebildet ist. Mit dieser Referenzspannung führt die erste Vergleichereinrichtung 45 den Vergleich mit dem Ausgangssignal des Spannungsverstärkers 42 durch und gibt ein vom Ergebnis dieses Vergleichs abhängiges Vergleichssignal an einem ersten Signalanschluss aus.
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In einem Teilabschnitt des zweiten Stromzweigs 27, der sich zwischen dem zweiten Schaltmittel 28 und dem zweiten Lastanschluss 36 erstreckt, ist ein zweiter Messpunkt 57 vorgesehen, an dem ein zweiter Testzweig 58 angeschlossen ist, der elektrisch mit der Spannungsquelle 14 verbunden ist. Der zweite Testzweig 58 umfasst die gleichen Komponenten wie der erste Testzweig 38, so dass auf eine neuerliche Beschreibung dieser mit um 20 erhöhten Bezugszeichen versehenen Komponenten 59 bis 69 verzichtet wird.
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Die Signalanschlüsse der Vergleichereinrichtungen 45, 65 sind über Signalleitungen 49, 69 mit einer Teststeuerung 50 verbunden, die für eine Koordination des Testablaufs in den beiden Testzweigen 38 und 58 sowie für eine Kommunikation mit der sicherheitsgerichteten Steuereinrichtung 31 über eine Kommunikationsleitung 51 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Teststeuerung 50 als Mikroprozessor ausgebildet und als integraler Bestandteil der Lastschalteinrichtung 1 vorgesehen.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform sind die Teststeuerung und die Lastschalteinrichtung räumlich getrennt ausgebildet.
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Zudem ist die Teststeuerung 50 auch zur elektronischen Ansteuerung der beiden Testschalter 39 und 59 über jeweils zugeordnete Testschalterleitungen 53 und 54 ausgebildet.
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Zwischen den ersten Stromzweig 25 und den zweiten Stromzweig 27 ist eine Diode 52 geschaltet, die als Freilaufdiode dient und in Sperrrichtung gegenüber der im regulären Betriebsfall der Last 2 zwischen den beiden Stromzweigen 25 und 28 vorliegenden elektrischen Spannung liegt. Die Aufgabe der Diode 52 besteht darin, die Spannungsspitzen abzubauen, die bei Abschaltung der an den Versorgungsanschlüssen 33, 35 angelegten Versorgungsspannung aufgrund der Selbstinduktion der gegebenenfalls in der Last 2 vorhandenen Lastinduktivität 17 auftreten und somit insbesondere Beschädigungen an der Last 2 und/oder der Lastschalteinrichtung 1 zu verhindern.
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In der 2 ist schematisch ein Ablauf für die Durchführung eines Prüfprozesses dargestellt, wobei davon ausgegangen wird, dass zum Zeitpunkt t0 beide Schaltmittel 26, 28 geschlossen sind und somit eine elektrische Versorgung der Last 2 über die Lastschalteinrichtung 1 stattfindet, so dass die Last 2 einen Betriebszustand einnimmt, der von einem energiefreien Ruhezustand verschieden ist. Nachfolgend wird die Überprüfung des zweiten Stromzweigs 27 mit Hilfe des zweiten Testzweigs 58 beschrieben. In gleicher Weise kann davor oder danach auch die Überprüfung des ersten Stromzweigs 25 mit Hilfe des ersten Testzweigs 38 vorgenommen werden, ohne dass die Reihenfolge der Prüfung zwingend ist.
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Für die Prüfung des zweiten Stromzweigs 27 auf mögliche Querschüsse, insbesondere gegenüber einem Massepotential, wie er durch den der Last 2 als Symbol für eine solche fehlerbedingte elektrische Verbindung des Lastzweigs 7 mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem Massepotential, zugeordneten, zwischen den Lastzweig 7 und den Masseanschluss 21 geschalteten Widerstand 21 repräsentiert wird, wird zum Zeitpunkt t1 das zweite Schaltmittel 28 geöffnet, während eine Schließstellung für das erste Schaltmittel 26 beibehalten wird.
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Zum Zeitpunkt t2 wird der zweite Testschalter 59 geschlossen, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Lastzweig 7 und der Spannungsquelle 14 über den zweiten Testzweig 58 hergestellt wird. Durch diese Maßnahme liegen die beiden Lastzweige 6, 7 auf dem gleichen elektrischen Potential, die Last 2 ist somit kurzgeschlossen, wobei ein Abbau der im dem Lastkondensator 15 sowie in den Kondensatoren 11 und 12 gespeicherten elektrischen Energie über den Messwiderstand 61 stattfindet. Sofern eine Lastinduktivität 17 in der Last 2 vorgesehen sein sollte, wird die dort induktiv gespeicherte elektrische Energie mit Hilfe der Diode 52 abgebaut.
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Nach Ablauf des zum Zeitpunkt t3 beginnenden Warteschrittes, für den beispielsweise eine Zeitdauer zwischen 150 und 200 Mikrosekunden vorgesehen sein kann, erfolgt zum Zeitpunkt t4 die Durchführung der Strommessung am zweiten Messwiderstand 61 mit Hilfe der zweiten Strommesseinrichtung 60. Ein im Zuge der Strommessung ermittelter und vom zweiten Spannungsverstärker 62 verstärkter Spannungswert, der den Strom durch den zweiten Messwiderstand 61 repräsentiert, wird an die Vergleichereinrichtung 65 weitergeleitet und dort mit der Referenzspannung der zweiten Konstantspannungsquelle 67 verglichen. Das aus diesem Vergleich resultierende Vergleichssignal wird anschließend über die zweite Signalleitung 69 an die Teststeuerung 50 bereitgestellt.
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In der Teststeuerung 50 findet zum Zeitpunkt t5 ein Vergleich des ermittelten Vergleichssignals mit einem vorgegebenen Schwellwert statt.
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Sofern ein Betrag des Vergleichssignals kleiner als der Schwellwert ist, wird von einer ordnungsgemäßen Funktion der Last 2 und der Lastschalteinrichtung 1 ausgegangen. Dementsprechend erfolgt zum Zeitpunkt t6 eine Ausgabe eines Steuersignals über die Testschalterleitung 54, um den Testschalter 59 aus der Schließstellung wieder in die Öffnungsstellung zu bringen. Zudem erfolgt die Ausgabe eines positiven Statussignals von der Testschaltung 50 über die Kommunikationsleitung 51 an die sicherheitsgerichtete Steuereinrichtung 31, um zum Zeitpunkt t7 ein Schließen des zweiten Schaltmittels 28 zu bewirken. In diesem Fall kann, gegebenenfalls nach Verstreichen einer vorgebbaren Zeitdauer, die Prüfung des ersten Stromzweigs 25 mit dem ersten Testzweig 38 in gleicher Weise wie vorstehend durchgeführt werden. Dies wird in der 2 durch den Kasten „Wiederholung des Ablaufs“ angedeutet.
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Sofern ein Betrag des Vergleichssignals größer als der Schwellwert ist, muss von einer fehlerbedingten elektrischen Verbindung des zweiten Stromzweigs 27 mit einem elektrischen Potential, insbesondere einem Massepotential, ausgegangen werden. Dementsprechend erfolgt die Ausgabe eines negativen Statussignals von der Testschaltung 50 über die Kommunikationsleitung 51 an die sicherheitsgerichtete Steuereinrichtung 31, um ein Öffnen des ersten Schaltmittels 26 und damit eine möglichst vollständige Abkopplung der Last 2 von der Versorgungsquelle 3 zu bewirken. Mit dieser Abkopplung ist der Ablauf beendet und wird erst nach einer Überprüfung und Rücksetzung der Lastschalteinrichtung 1 und der Last 2 wieder aufgenommen.
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Mit Hilfe der optionalen Kondensatoren 55, die jeweils parallel zu den Widerständen 41 und 61 geschaltet sind, kann eine besonders rasche Entladung der Kondensatoren 11, 12 sowie des Lastkondensators 15 nach dem Öffnen des Schaltmittels 26 bzw. 28 und dem Schließen des Testschalters 39 bzw. 59 erzielt werden.
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Alternativ oder ergänzend zu den optionalen Kondensatoren 55 kann der optionale Kondensator 56 vorgesehen werden, der die beiden Stromzweige 25 und 27 jeweils zwischen den Versorgungsanschlüssen 33 und 35 und den jeweiligen Schaltmitteln 26 und 28 verbindet und der eine rasche Wiederinbetriebnahme der Last 2 nach Durchführung des Prüfprozesses ermöglicht, da die im Kondensator 57 gespeicherte Energie besonders rasch an die Kondensatoren 11, 12 und den Lastkondensator 15 bereitgestellt werden kann und somit die Versorgungsquelle 3 weniger belastet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010004524 A1 [0002]
