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Abstract
Die Offenbarung betrifft eine Schutzvorrichtung (100) zur Energieübertragung von einem zweipoligen Spannungsanschluss (101) zu einem elektrischen Verbraucher (103). Eine erste Sicherungsschaltung (105) ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Stromstärkegrenzwertes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss (101) zu dem elektrischen Verbraucher (103) ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Eine Überspannungsschutzschaltung (107) ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes den Spannungsanschluss (101) kurzzuschließen, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung (105) einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Stromstärkegrenzwert erreicht. Die Überspannungsschutzschaltung (107) ist der ersten Sicherungsschaltung (105) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet. Eine zweite Sicherungsschaltung (109) ist der Überspannungsschutzschaltung (107) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet und ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Spannungsgrenzwerts einer Spannung an der zweiten Sicherungsschaltung (109) die Überspannungsschutzschaltung (107) anzusteuern, um den Spannungsanschlusses (101) kurzzuschließen. Der zweite Spannungsgrenzwert ist in Abhängigkeit von einer Nennspannung des elektrischen Verbrauchers (103) bestimmt.
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Schutzvorrichtung zur überstrom- und überspannungsgesicherten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss zu einem elektrischen Verbraucher.The present disclosure relates to a protective device for the overcurrent and overvoltage-protected transmission of electrical energy from a voltage connection to an electrical consumer.
Üblicherweise werden in Trennverstärkern Schutzvorrichtungen zur Begrenzung einer Stromstärke, einer Spannung und/oder einer Leistung eingesetzt, um nachgeschaltete elektrische Bauteile vor Stromstärken, Spannungen und/oder Leistungen oberhalb eines jeweils vorbestimmten Grenzwertes zu schützen. Entsprechend können die maximalen Bemessungsdaten von elektrischen Bauteilen, welche der Schutzvorrichtung nachgeschaltet sind, vorteilhaft reduziert sein. Mit der Schutzvorrichtung kann ferner ein elektrischer Verbraucher sicher von dem Spannungsanschluss getrennt werden, um Anforderungen des Explosionsschutzes zu genügen.Protective devices for limiting a current, a voltage and / or a power are usually used in isolating amplifiers in order to protect downstream electrical components from current, voltages and / or powers above a respectively predetermined limit value. Accordingly, the maximum rated data of electrical components which are connected downstream of the protective device can advantageously be reduced. With the protective device, an electrical consumer can also be safely disconnected from the voltage connection in order to meet explosion protection requirements.
Typischerweise weist die Schutzvorrichtung eine Überstromsicherung und einen der Überstromsicherung nachgeschalteten Überspannungsschutz auf. Der Überspannungsschutz kann bei einem Erreichen eines Spannungsgrenzwerts die Spannung kurzschließen, sodass ein Kurzschlussstrom durch die Überstromsicherung fließt, welche nachfolgend bei Erreichen eines Stromstärkegrenzwerts auslösen kann, um den Stromfluss zu unterbrechen. In nachteiliger Weise kann es notwendig sein, die nachgeschalteten elektrischen Bauteile entsprechend dem Stromstärkegrenzwert und/oder entsprechend dem Spannungsgrenzwert zu dimensionieren. Demnach können die elektrischen Bauteile erhöhte Bauteilabmessungen und für den Betrieb unterhalb des Stromstärke- und/oder Spannungsgrenzwertes nicht notwendige, erhöhte Nennstromstärken und/oder erhöhte Bemessungsspannungen aufweisen.The protective device typically has an overcurrent protection and an overvoltage protection connected downstream of the overcurrent protection. The overvoltage protection can short-circuit the voltage when a voltage limit value is reached, so that a short-circuit current flows through the overcurrent fuse, which can subsequently trigger when a current limit value is reached in order to interrupt the current flow. In a disadvantageous manner, it may be necessary to dimension the downstream electrical components in accordance with the current limit value and / or in accordance with the voltage limit value. Accordingly, the electrical components can have increased component dimensions and increased nominal current intensities and / or increased rated voltages that are not necessary for operation below the current and / or voltage limit value.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine effizientere Schutzvorrichtung bereitzustellen, welches es ermöglicht der Schutzvorrichtung elektrische Bauteile nachzuschalten, welche für unterschiedliche Nennspannungen ausgelegt sein können.It is the object of the present disclosure to provide a more efficient protective device which enables the protective device to be followed by electrical components which can be designed for different nominal voltages.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der beiliegenden Figuren.This object is solved by the features of the independent claim. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, the description and the accompanying figures.
Die vorliegende Offenbarung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch eine Schutzvorrichtung gelöst werden kann, welches neben einer ersten Überstrom- und Überspannungssicherung eine zusätzliche, zweite Überstrom- und/oder Überspannungssicherung aufweist. Insbesondere kann einer ersten Schmelzsicherung eine zweite Schmelzsicherung nachgeschaltet sein, welche bei einem niedrigeren Nennstrom auslöst, als die erste Sicherung. Dadurch kann der elektrische Verbraucher auch vor Überströmen geschützt sein, welche kleiner sind als der von der Überspannungsvorrichtung hervorgerufene Kurzschlussstrom. Die erste Überspannungssicherung und die zusätzliche Überstromsicherung kann eine Klemmschaltung sein, welche durch zwei separate Spannungsgrenzwertschalter, insbesondere unterschiedliche dimensionierte Z-Dioden, ausgelöst werden kann.The present disclosure is based on the knowledge that the above object can be achieved by a protective device which, in addition to a first overcurrent and overvoltage protection, has an additional, second overcurrent and / or overvoltage protection. In particular, a first fuse can be connected downstream of a second fuse, which trips at a lower rated current than the first fuse. As a result, the electrical consumer can also be protected against overcurrents which are smaller than the short-circuit current caused by the overvoltage device. The first overvoltage protection and the additional overcurrent protection can be a clamping circuit, which can be triggered by two separate voltage limit switches, in particular differently dimensioned Z diodes.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Offenbarung eine Schutzvorrichtung zur überstrom- und überspannungsgeschützten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss zu einem elektrischen Verbraucher, wobei der Versorgungsanschluss zwei Pole aufweist. Die Schutzvorrichtung umfasst eine erste Sicherungsschaltung, welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Stromstärkegrenzwertes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss zu dem elektrischen Verbraucher ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung eine Überspannungsschutzschaltung, welche der ersten Sicherungsschaltung nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher vorgeschaltet ist. Die Überspannungsschutzschaltung ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an der ersten Sicherungsschaltung die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden, insbesondere niederohmig zu verbinden oder kurzzuschließen, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Stromstärkegrenzwert erreicht. Ferner umfasst die Schutzvorrichtung eine zweite Sicherungsschaltung, welche der Überspannungsschutzschaltung nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher vorgeschaltet ist. Die zweite Sicherungsschaltung ist ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Spannungsgrenzwerts einer Spannung an der zweiten Sicherungsschaltung die Überspannungsschutzschaltung anzusteuern, um die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden. Der zweite Spannungsgrenzwert kann in Abhängigkeit von einer Nennspannung des elektrischen Verbrauchers bestimmt sein. Ferner kann der zweite Spannungsgrenzwert von einer Nenn-Leistungsaufnahme und/oder einer Nenn-Stromaufnahme des Verbrauchers abhängig sein.According to a first aspect, the disclosure relates to a protective device for the overcurrent and overvoltage-protected transmission of electrical energy from a voltage connection to an electrical consumer, the supply connection having two poles. The protective device comprises a first fuse circuit which is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a first current limit value from the voltage connection to the electrical consumer. Furthermore, the protective device comprises an overvoltage protection circuit which is connected downstream of the first fuse circuit and is connected upstream of the electrical consumer. The overvoltage protection circuit is designed to connect the poles of the voltage connection in an electrically conductive manner when a first voltage limit value of a voltage at the first fuse circuit is reached, in particular to connect or short-circuit it in order to force a line current which triggers the first current limit value to trigger the first fuse circuit. Furthermore, the protective device comprises a second fuse circuit, which is connected downstream of the overvoltage protection circuit and upstream of the electrical consumer. The second fuse circuit is designed to control the overvoltage protection circuit when a second voltage limit value of a voltage at the second fuse circuit is reached, in order to connect the poles of the voltage connection in an electrically conductive manner. The second voltage limit can be determined as a function of a nominal voltage of the electrical consumer. Furthermore, the second voltage limit can depend on a nominal power consumption and / or a nominal current consumption of the consumer.
Die jeweilige Spannung an der jeweiligen Sicherungsschaltung kann an einem Knotenpunkt der jeweiligen Sicherungsschaltung abgegriffen werden, mit welchem der jeweilige Verbraucher elektrisch verbunden ist.The respective voltage at the respective fuse circuit can be tapped at a node of the respective fuse circuit to which the respective consumer is electrically connected.
Der Spannungsanschluss der Schutzvorrichtung kann insbesondere durch eine Schaltung gebildet sein, welche von einem Energiebereitstellungsnetz mit elektrischer Energie versorgt wird und der ersten Sicherungsschaltung vorgeschaltet ist und diese mit elektrischer Energie versorgt. Diese zwischengeschaltete Stufe kann beispielsweise ein Schaltnetzteil und/oder ein Spannungswandler sein.The voltage connection of the protective device can in particular by a circuit be formed, which is supplied with electrical energy from an energy supply network and is connected upstream of the first fuse circuit and supplies it with electrical energy. This intermediate stage can be, for example, a switching power supply and / or a voltage converter.
Der zweite Stromstärkegrenzwert kann kleiner sein als der erste Stromstärkegrenzwert. Insbesondere falls zwischen der ersten Sicherungsschaltung und der zweiten Sicherungsschaltung eine Spannungstransformation der Spannung des Spannungsanschluss nicht vorgesehen ist, können der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltete elektrische Verbraucher geringere Stromstärkegrenzwerte aufweisen und entsprechend kostengünstiger und/oder kleiner hergestellt werden.The second current limit can be less than the first current limit. In particular, if a voltage transformation of the voltage of the voltage connection is not provided between the first fuse circuit and the second fuse circuit, electrical consumers connected downstream of the second fuse circuit can have lower current limit values and can be produced correspondingly more cost-effectively and / or less.
Ferner kann zwischen der ersten Sicherungsschaltung und der zweiten Sicherungsschaltung ein Spannungstransformator angeordnet sein, welcher ausgebildet ist, die Spannung des Spannungsanschlusses herauf- oder herabzusetzen. Der Spannungstransformator kann beispielsweise ausgebildet sein eine Spannung von 24 V auf 5 V herabzusetzen. Der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltete elektrische Verbraucher können für eine höhere Stromstärke als die erste Sicherungsschaltung ausgelegt sein, sodass der zweite Stromstärkegrenzwert größer ist als der erste Stromstärkegrenzwert sein kann. Ebenso kann der zweite Spannungsgrenzwert kleiner oder größer als der erste Spannungsgrenzwert sein.Furthermore, a voltage transformer can be arranged between the first fuse circuit and the second fuse circuit, which is designed to increase or decrease the voltage of the voltage connection. The voltage transformer can, for example, be designed to reduce a voltage from 24 V to 5 V. Electrical consumers connected downstream of the second fuse circuit can be designed for a higher current intensity than the first fuse circuit, so that the second current intensity limit value can be greater than the first current intensity limit value. Likewise, the second voltage limit can be smaller or larger than the first voltage limit.
Entsprechend kann die zweite Sicherungsschaltung bei einer Fehlfunktion, insbesondere einer Überspannung einer Schaltstufe, welche der zweiten Sicherungsschaltung vorgeschaltet ist, die Überspannungsschutzschaltung auslösen.Correspondingly, the second fuse circuit can trigger the overvoltage protection circuit in the event of a malfunction, in particular an overvoltage of a switching stage which is connected upstream of the second fuse circuit.
Die Schutzvorrichtung kann ein Verbund aus einer Überstromsicherung und einer Klemmschaltung (Crowbar) sein, mit welcher ein elektrischer Verbraucher gegen das Fließen eines elektrischen Stroms mit einer Stromstärke oberhalb einer für den elektrischen Verbraucher zulässigen Stromstärke und/oder das Anliegen einer Spannung oberhalb einer für den Verbraucher zulässigen Spannung gesichert werden kann. The protective device can be a combination of an overcurrent fuse and a clamping circuit (crowbar), with which an electrical consumer prevents the flow of an electric current with a current above a current permissible for the electrical consumer and / or the application of a voltage above one for the consumer permissible voltage can be secured.
Insbesondere kann in Kombination der Begrenzung der Stromstärke und der Spannung auch eine elektrische Maximalleistung, welche der Verbraucher umsetzen kann, definiert sein.In particular, a combination of the limitation of the current strength and the voltage can also define a maximum electrical power that the consumer can implement.
Ferner kann die Schutzvorrichtung beispielsweise in einem Signaleingang eines Trennverstärkers angeordnet werden, um die maximalen Bemessungsdaten nachgeschalteter elektrischer Bauteile reduzieren zu können. Weiterhin kann die Schutzvorrichtung einen Explosionsschutz bilden, um einen Betrieb der nachgeschalteten elektrischen Bauteile in einer explosionsgefährdeten Umgebung und/oder Atmosphären, zu ermöglichen.Furthermore, the protective device can be arranged, for example, in a signal input of an isolation amplifier in order to be able to reduce the maximum rated data of downstream electrical components. Furthermore, the protective device can form an explosion protection in order to enable operation of the downstream electrical components in an explosive environment and / or atmospheres.
Die Schutzvorrichtung kann einer Energieeinspeisung eines elektrischen Verbrauchers nachgeschaltet sein, um nach der Schutzvorrichtung vorbestimmte Strom-, Spannungs- und/oder Leistungswerte erwarten zu können. Entsprechend können der Schutzvorrichtung nachgeschaltete elektronische Schaltungen geringere Luft- und/oder Kriechstrecken aufweisen, da mit einem reduzierten Spannungsniveau gerechnet werden kann.The protective device can be connected downstream of an energy feed of an electrical consumer in order to be able to expect predetermined current, voltage and / or power values after the protective device. Correspondingly, electronic circuits connected downstream of the protective device can have smaller clearances and / or creepage distances, since a reduced voltage level can be expected.
Mit der Anordnung einer zweiten Sicherungsschaltung nach der ersten Sicherungsschaltung kann insbesondere der Vorteil erreicht werden, dass die Luft- und Kriechstrecken gegenüber einer einstufigen Sicherungsanordnung signifikant reduziert werden können, da die zu erwartenden Spannungen niedriger sein können. Die zweite Sicherungsschaltung kann als eine Chip-sicherung ausgeführt sein, welche reduzierte Bauteilabmessungen gegenüber der ersten Sicherungsschaltung aufweist. Ferner können elektrische Bauteile, welche der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltet sind gegenüber einer Anordnung nach der ersten Sicherungsschaltung reduzierte Bauteilabmessungen und/oder reduzierte Leistungsdaten aufweisen.With the arrangement of a second fuse circuit after the first fuse circuit, the advantage can be achieved in particular that the clearances and creepage distances can be significantly reduced compared to a single-stage fuse arrangement, since the voltages to be expected can be lower. The second fuse circuit can be designed as a chip fuse, which has reduced component dimensions compared to the first fuse circuit. Furthermore, electrical components which are connected downstream of the second fuse circuit can have reduced component dimensions and / or reduced performance data compared to an arrangement after the first fuse circuit.
In einer Ausführungsform ist die Überspannungsschutzschaltung ausgebildet, bei Unterschreiten einer Mindeststromstärke des durch die Überspannungsschutzschaltung fließenden Leitungsstroms die elektrische leitende Verbindung zwischen den Polen des Spannungsanschlusses aufzuheben. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Überspannungsvorrichtung in einen Ausgangszustand, in welchem die Überspannungsvorrichtung ausgelöst werden kann, zurückversetzt werden kann. Mit der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Polen des Spannungsanschlusses kann der Spannungsanschluss kurzgeschlossen sein, sodass eine Spannung des Spannungsanschlusses reduziert ist, insbesondere nahezu 0 V beträgt und durch die erste Sicherungsschaltung und die Überspannungsschutzschaltung ein Kurzschlussstrom fließen kann. Mit Unterschreiten der Mindeststromstärke können die Pole des Spannungsanschlusses voneinander elektrisch getrennt und/oder isoliert werden.In one embodiment, the overvoltage protection circuit is designed to remove the electrically conductive connection between the poles of the voltage connection when the current below the minimum current level flows through the overvoltage protection circuit. This achieves the advantage that the overvoltage device can be returned to an initial state in which the overvoltage device can be triggered. With the electrically conductive connection between the poles of the voltage connection, the voltage connection can be short-circuited, so that a voltage of the voltage connection is reduced, in particular is almost 0 V, and a short-circuit current can flow through the first fuse circuit and the overvoltage protection circuit. If the voltage falls below the minimum current, the poles of the voltage connection can be electrically isolated from one another and / or isolated.
In einer Ausführungsform ist die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Stromstärkegrenzwertes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden, wobei der zweite Stromstärkegrenzwert von dem elektrischen Verbraucher abhängig ist.In one embodiment, the second fuse circuit is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a second current limit, the second current limit being dependent on the electrical load.
In einer Ausführungsform weist die zweite Sicherungsschaltung eine Mehrzahl von Spannungsgrenzwertschaltern auf, welche jeweils einem elektrischen Verbraucher vorgeschaltet sind, und wobei der jeweilige Spannungsgrenzwertschaltern ausgebildet ist, bei Erreichen eines von dem jeweiligen nachgeschalteten elektrischen Verbraucher abhängigen Spannungsgrenzwerts einer Spannung an dem jeweiligen Spannungsgrenzwertschalter die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden. In one embodiment, the second fuse circuit has a plurality of voltage limit switches, each of which is connected upstream of an electrical load, and the respective voltage limit switch is designed so that when a voltage limit value of a voltage at the respective voltage limit switch dependent on the respective downstream electrical load is reached, the poles of the voltage connection to connect electrically conductive.
Insbesondere können die Überspannungsschutzschaltungen jeweils durch eine Zenerdiode gebildet sein. Jeder Zenerdiode kann ein Anschluss zum Anschließen eines Schaltkreises nachgeschaltet sein. Die jeweilige Zenerdiode kann ausgebildet sein, bei einer vorbestimmten Spannung elektrisch leitend zu werden und entsprechend den Halbleiterschalter, insbesondere einen Thyristor zu schalten. Die jeweilige vorbestimmte Spannung kann von der zulässigen Spannung des jeweiligen Schaltkreises abhängen. Jede Zenerdiode kann daher in Bezug zu den weiteren Zenerdioden einen unterschiedlichen Spannungsgrenzwert aufweisen, bei welcher die Zenerdiode elektrisch leitend wird. Die Zenerdioden können insbesondere kaskadenartig mehreren seriell angeordneten elektrischen Verbrauchern vorgeschaltet sein, wobei die Spannungsgrenzwerte nicht notwendigerweise kleiner werden, sondern für nachgeschaltete elektrische Verbraucher auch größer sein können.In particular, the overvoltage protection circuits can each be formed by a zener diode. A connection for connecting a circuit can be connected downstream of each zener diode. The respective zener diode can be designed to become electrically conductive at a predetermined voltage and to switch the semiconductor switch, in particular a thyristor, accordingly. The respective predetermined voltage can depend on the permissible voltage of the respective circuit. Each Zener diode can therefore have a different voltage limit value in relation to the other Zener diodes, at which the Zener diode becomes electrically conductive. The Zener diodes can in particular be cascaded upstream of a plurality of electrical consumers arranged in series, the voltage limit values not necessarily becoming smaller, but also being able to be larger for downstream electrical consumers.
In einer Ausführungsform umfasst die Überspannungsschutzschaltung einen Halbleiterschalter, welcher elektrisch parallel mit den Polen des Spannungsanschlusses verbunden ist und einen Steuereingang aufweist, wobei der Halbleiterschalter ausgebildet ist, mit einem an dem Steuereingang anliegenden Steuersignal die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden und bei Unterschreiten des Mindeststromstärkewerts durch den Leitungsstrom die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Polen des Spannungsanschlusses aufzuheben.In one embodiment, the overvoltage protection circuit comprises a semiconductor switch which is electrically connected in parallel to the poles of the voltage connection and has a control input, the semiconductor switch being designed to conductively connect the poles of the voltage connection to a control signal applied to the control input and if the minimum current value falls below by means of the line current to cancel the electrically conductive connection between the poles of the voltage connection.
Der Halbleiterschalter kann einen Schaltereingang und einen Schalterausgang aufweisen, wobei der Schaltereingang über die erste Sicherungsschaltung mit einem ersten Pol des Spannungsanschlusses verbunden ist und der Schalterausgang mit einem zweiten Pol des Spannungsanschlusses verbunden ist. Mit dem Steuersignal kann der Halbleiterschalter von einem ersten Schaltzustand, in welchem der Halbleiterschalter die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch isoliert oder hochohmig verbindet, zu einem zweiten Schaltzustand schalten, in welchem die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch miteinander verbunden werden, insbesondere niederohmig verbunden werden.The semiconductor switch can have a switch input and a switch output, the switch input being connected to a first pole of the voltage connection via the first fuse circuit and the switch output being connected to a second pole of the voltage connection. With the control signal, the semiconductor switch can switch from a first switching state, in which the semiconductor switch electrically isolates the poles of the voltage connection or has a high resistance, to a second switching state, in which the poles of the voltage connection are electrically connected to one another, in particular are connected with a low resistance.
Mit Unterschreiten der Mindeststromstärke kann der Halbleiterschalter selbstständig oder mittels eines Steuersignals an dem Steuereingang von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand schalten. Die Überspannungsschutzschaltung kann ferner einen Stromsensor aufweisen, welcher ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch den Halbleiterschalter fließenden Stroms zu erfassen, um den Halbleiterschalter zu schalten.When the current falls below the minimum current, the semiconductor switch can switch from the second switching state to the first switching state independently or by means of a control signal at the control input. The overvoltage protection circuit can furthermore have a current sensor which is designed to detect the current intensity of a current flowing through the semiconductor switch in order to switch the semiconductor switch.
In einer Ausführungsform ist der Halbleiterschalter durch einen Thyristor oder einen Transistor gebildet. Der Thyristor kann beispielsweise den Vorteil erreichen, dass automatisch bei Unterschreiten des Mindeststromstärkewerts die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch isoliert sind. Der Thyristor kann ein einschaltbares Bauelement sein, welches im Ausgangszustand nichtleitend ist und durch einen Strom an dem Steuereingang, insbesondere an einer Gate-Elektrode eingeschaltet werden kann. Nach dem Einschalten kann der Thyristor auch ohne Strom an dem Steuereingang leitend sein. Der Thyristor kann bei Unterschreiten eines Mindeststromstärkewerts, beispielsweise eines Haltestroms, ausschalten.In one embodiment, the semiconductor switch is formed by a thyristor or a transistor. The thyristor can achieve the advantage, for example, that the poles of the voltage connection are automatically electrically insulated when the minimum current value falls below. The thyristor can be a switchable component, which is non-conductive in the initial state and can be switched on by a current at the control input, in particular at a gate electrode. After switching on, the thyristor can also be conductive at the control input without current. The thyristor can switch off when the current falls below a minimum current value, for example a holding current.
Weiterhin kann der Halbleiterschalter bei einem Überschreiten eines Schalterspannungsgrenzwerts, insbesondere auch ohne Anliegen eines Steuersignals an dem Steuereingang, von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand schalten. Ein Thyristor kann beispielsweise Überkopfzünden, wenn eine Nullkippspannung des Thyristors erreicht ist. Mit dem Transistor kann der Vorteil erreicht werden, dass ein Schalten von dem ersten Schaltzustand zu dem zweiten Schaltzustand und umgekehrt manuell zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen kann.Furthermore, the semiconductor switch can switch from the first switching state to the second switching state when a switch voltage limit value is exceeded, in particular even when a control signal is not present at the control input. A thyristor can, for example, ignite overhead when a zero break voltage of the thyristor is reached. The transistor can have the advantage that switching from the first switching state to the second switching state and vice versa can take place manually at any time.
In einer Ausführungsform weist die Überspannungsschutzschaltung einen Spannungsgrenzwertschalter mit einem Schaltereingang und einem Schalterausgang auf, wobei der Spannungsgrenzwertschalter über den Schaltereingang der ersten Sicherungsschaltung nachgeschaltet ist und über den Schalterausgang mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden ist, und wobei der Spannungsgrenzwertschalter ausgebildet ist, bei Erreichen des ersten Spannungsgrenzwerts durch die Spannung an der ersten Sicherungsschaltung an dem Schalterausgang das Steuersignal bereitzustellen.In one embodiment, the overvoltage protection circuit has a voltage limit switch with a switch input and a switch output, the voltage limit switch being connected downstream of the first fuse circuit via the switch input and being connected to the control input of the semiconductor switch via the switch output, and the voltage limit switch being designed when the first one is reached Voltage limit value to provide the control signal by the voltage at the first fuse circuit at the switch output.
Der Spannungsgrenzwertschalter kann bei Erreichen des Spannungsgrenzwertes von einem nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand schalten, um den Steuereingang über die erste Sicherungsschaltung mit dem ersten Pol des Spannungsanschlusses zu verbinden. Mit dem Schalterausgang kann der Spannungsgrenzwertschalter ferner mit dem zweiten Pol des Spannungsanschlusses, insbesondere über einen Widerstand, verbunden sein. Mit dieser elektrischen Verbindung kann ein Strom durch den Spannungsgrenzwertschalter fließen, welcher das Steuersignal zum Schalten des Halbleiterschalters bilden kann.When the voltage limit value is reached, the voltage limit switch can switch from a non-conductive state to a conductive state in order to connect the control input to the first pole of the voltage connection via the first fuse circuit. With the switch output, the voltage limit switch can also be connected to the second pole of the Voltage connection, in particular via a resistor. With this electrical connection, a current can flow through the voltage limit switch, which can form the control signal for switching the semiconductor switch.
In einer Ausführungsform ist der Spannungsgrenzwertschalter durch eine Z-Diode und/oder durch einen unipolaren Überspannungsschutz gebildet. Die Z-Diode kann bei Erreichen des ersten Spannungsgrenzwerts von einem sperrenden Zustand in einen leitenden Zustand schalten, wobei die Z-Diode bei einem Unterschreiten des Spannungsgrenzwertes von dem leitenden Zustand zu dem sperrenden Zustand zurückwechselt.In one embodiment, the voltage limit switch is formed by a Zener diode and / or by a unipolar overvoltage protection. The Z-diode can switch from a blocking state to a conductive state when the first voltage limit value is reached, the Z-diode switching back from the conductive state to the blocking state when the voltage falls below the voltage limit value.
Der unipolare Überspannungsschutz kann beispielsweise eine Suppressordiode sein, mit welcher ein Stromimpuls an dem elektrischen Verbraucher vorbeigeführt werden kann. Dadurch kann ein Anliegen einer Spannung oberhalb der Durchbruchspannung der Suppressordiode, welche den elektrischen Verbraucher beschädigen könnte, an dem elektrischen Verbraucher unterbunden werden. Unterhalb der Strom- und/oder Spannungsgrenzwerte kann die elektrische Wirkung des Spannungsgrenzwertschalters mit einem geringen Leckstrom und einer geringen Kapazität elektrisch neutral gegenüber dem elektrischen Verbraucher sein. Der Strom des Impulses wird durch Parallelschaltung an dem elektrischen Verbraucher vorbeigeführt. Die Z-Diode kann durch eine beliebige Spannungsgrenzwertschaltung ersetzt werden.The unipolar overvoltage protection can, for example, be a suppressor diode with which a current pulse can be conducted past the electrical consumer. As a result, a voltage above the breakdown voltage of the suppressor diode, which could damage the electrical consumer, can be prevented at the electrical consumer. Below the current and / or voltage limit values, the electrical effect of the voltage limit switch with a low leakage current and a low capacitance can be electrically neutral with respect to the electrical consumer. The current of the pulse is led past the electrical consumer by parallel connection. The Zener diode can be replaced by any voltage limit circuit.
In einer Ausführungsform umfasst die Überspannungsschutzschaltung einen Widerstand, welcher dem Schalterausgang des Spannungsgrenzwertschalters nachgeschaltet ist und mit dem Spannungsgrenzwertschalter elektrisch parallel zu den Polen des Spannungsanschlusses angeordnet ist, und wobei der Steuereingang mit dem Schalterausgang des Spannungsgrenzwertschalters und dem Widerstand verbunden ist, und wobei der Widerstand ausgebildet ist, bei einem Schalten des Spannungsgrenzwertschalters an dem Steuereingang ein Steuersignal, insbesondere in Form eines Teils der Spannung an dem Spannungsanschluss, bereitzustellen, um den Halbleiterschalter zu schalten.In one embodiment, the overvoltage protection circuit comprises a resistor, which is connected downstream of the switch output of the voltage limit switch and is arranged with the voltage limit switch electrically in parallel with the poles of the voltage connection, and wherein the control input is connected to the switch output of the voltage limit switch and the resistor, and the resistor is formed is to provide a control signal when switching the voltage limit switch at the control input, in particular in the form of part of the voltage at the voltage connection, in order to switch the semiconductor switch.
Wenn der Spannungsgrenzwertschalter, insbesondere die Z-Diode, aufgrund des Erreichens des ersten Spannungsgrenzwerts, im Falle der Z-Diode bei Erreichen der Zener-Spannung, schaltet, kann der Spannungsgrenzwertschalter von einem hochohmigen Zustand zu einem niederohmigen Zustand übergehen. Insbesondere im Vergleich zu dem nachgeschalteten Widerstand weist der Spannungsgrenzwertschalter in dem niederohmigen Zustand einen geringeren ohmschen Widerstand auf als der nachgeschaltete Widerstand. Dementsprechend fällt die Spannung des Spannungsanschlusses fast vollständig an dem Widerstand ab, sodass sich die Spannung an dem Steuereingang ändern kann.If the voltage limit switch, in particular the Z diode, switches on reaching the first voltage limit, in the case of the Z diode when the Zener voltage is reached, the voltage limit switch can change from a high-resistance state to a low-resistance state. In particular in comparison to the downstream resistor, the voltage limit switch in the low-resistance state has a lower ohmic resistance than the downstream resistor. Accordingly, the voltage of the voltage connection drops almost completely across the resistor, so that the voltage at the control input can change.
Mit der Spannungsänderung kann der Halbleiterschalter schalten, welcher gegenüber der Reihenschaltung bestehend aus dem Spannungsgrenzwertschalter und dem Widerstand einen geringeren ohmschen Widerstand aufweisen kann, sodass ein elektrischer Strom mit dem Schalten des Halbleiterschalters hauptsächlich durch den Halbleiterschalter und nur zu einem geringeren Teil über den Spannungsgrenzwertschalter und den Widerstand fließen kann.With the voltage change, the semiconductor switch can switch, which can have a lower ohmic resistance than the series circuit consisting of the voltage limit switch and the resistor, so that an electrical current with the switching of the semiconductor switch mainly through the semiconductor switch and only to a lesser extent via the voltage limit switch and the Resistance can flow.
In einer Ausführungsform weist die erste Sicherungsschaltung und die zweite Sicherungsschaltung jeweils eine Überstromschutzsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung und/oder einen Leistungsschutzschalter auf, wobei die Überstromschutzsicherung ausgebildet ist, bei Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts respektive des zweiten Stromstärkegrenzwerts die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervall nach dem Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts respektive des zweiten Stromstärkegrenzwerts zu trennen. In one embodiment, the first fuse circuit and the second fuse circuit each have an overcurrent protection fuse, in particular a fuse and / or a circuit breaker, the overcurrent protection fuse being designed so that when the first current limit value or the second current limit value is reached, the electrical connection between the voltage connection and the electrical consumer to separate or to separate after a predetermined time interval after reaching the first current limit value or the second current limit value.
Das vorbestimmte Zeitintervall kann durch eine Auslöseverzögerung der jeweiligen Schmelzsicherung bestimmt sein, in welcher ein Drahtelement der Schmelzsicherung durch den Stromfluss erwärmt und aufgeschmolzen wird. Die Auslöseverzögerung der Überstromschutzsicherung in der ersten Schutzschaltung kann größer sein als die Auslöseverzögerung der Überstromschutzsicherung in der zweiten Schutzschaltung. Insbesondere dient die erste Überstromschutzsicherung dem nachfolgenden Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher, nachdem der Halbleiterschalter geschaltet hat. Ein Leitungsstrom mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Stromstärkegrenzwertes, welcher die erste Überstromschutzsicherung auslöst, fließt über den Halbleiterschalter und somit nicht zu dem elektrischen Verbraucher.The predetermined time interval can be determined by a tripping delay of the respective fuse, in which a wire element of the fuse is heated and melted by the current flow. The tripping delay of the overcurrent protection fuse in the first protection circuit can be greater than the tripping delay of the overcurrent protection fuse in the second protection circuit. In particular, the first overcurrent protection fuse is used for the subsequent disconnection of the electrical connection between the voltage connection and the electrical consumer after the semiconductor switch has switched. A line current with a current above the first current limit, which triggers the first overcurrent protection fuse, flows via the semiconductor switch and thus not to the electrical consumer.
Ein Schutz des elektrischen Verbrauchers vor einem Leitungsstrom mit einer Stromstärke, welcher den elektrischen Verbraucher beschädigen könnte, kann durch die zweite Überstromschutzsicherung realisiert sein. Die zweite Überstromschutzsicherung kann demnach schneller und bei einer niedrigeren Stromstärke als die erste Überstromschutzsicherung auslösen.The second overcurrent protection fuse can protect the electrical consumer from a line current with a current intensity that could damage the electrical consumer. The second overcurrent protection fuse can therefore trip faster and at a lower current than the first overcurrent protection fuse.
In einer Ausführungsform weist die zweite Sicherungsschaltung einen weiteren Spannungsgrenzwertschalter auf, welcher mit dem weiteren Schaltereingang der Überstromschutzsicherung nachgeschaltet oder vorgeschaltet ist, und wobei der weitere Schalterausgang mit dem Steuereingang verbunden ist, und wobei der weitere Spannungsgrenzwertschalter ausgebildet ist, bei Erreichen des zweiten Spannungsgrenzwerts durch eine Spannung, welche an der zweiten Sicherungsschaltung anliegt, an dem weiteren Schalterausgang ein Steuersignal zum Auslösen der Überspannungsschutzschaltung bereitzustellen.In one embodiment, the second fuse circuit has a further voltage limit switch which is connected to the further one Switch input of the overcurrent protection fuse is connected downstream or upstream, and wherein the further switch output is connected to the control input, and wherein the further voltage limit switch is designed, when the second voltage limit value is reached by a voltage which is applied to the second fuse circuit, a control signal to the further switch output Tripping the surge protection circuit to provide.
Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass auch bei Erreichen des zweiten Spannungsgrenzwerts ein Leitungsstrom mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Stromstärkegrenzwerts lediglich durch die erste Sicherungsschaltung und die Überspannungsschutzschaltung fließt. Die zweite Überstromschutzsicherung kann demnach bei Erreichen des zweiten Spannungsgrenzwertes vorteilhafterweise nicht auslösen.This achieves the advantage that even when the second voltage limit value is reached, a line current with a current strength above the first current limit value only flows through the first fuse circuit and the overvoltage protection circuit. The second overcurrent protection fuse can therefore advantageously not trip when the second voltage limit value is reached.
In einer Ausführungsform ist dem weiteren Schalterausgang ein Widerstand nachgeschaltet, über welchen der weitere Spannungsgrenzwertschalter mit einem Pol des Spannungsanschlusses verbindbar ist. Der Spannungsgrenzwertschalter und der weitere Spannungsgrenzwertschalter können beide vorteilhafterweise dem selben Widerstand vorgeschaltet sein.In one embodiment, the further switch output is followed by a resistor, via which the further voltage limit switch can be connected to a pole of the voltage connection. The voltage limit switch and the further voltage limit switch can both advantageously be connected upstream of the same resistor.
In einer Ausführungsform ist die Überspannungsschutzschaltung ausgebildet, bei einem Auslösen der Überspannungsschutzschaltung mittels des weiteren Spannungsgrenzwertschalters ein Ansteigen einer Spannung, die an dem elektrischen Verbraucher (
In einer Ausführungsform sind die erste Schutzschaltung und/oder die zweite Schutzschaltung ausgebildet, bei einem Fließen eines Kurzschlussstromes durch die Überspannungsschutzschaltung eine elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher zu unterbrechen, um das Fließen des Leitungsstroms mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Stromstärkegrenzwerts und/oder oberhalb des zweiten Stromstärkegrenzwerts zu dem elektrischen Verbraucher zu unterbinden.In one embodiment, the first protection circuit and / or the second protection circuit are designed to interrupt an electrical connection between the voltage connection and the electrical consumer when a short-circuit current flows through the overvoltage protection circuit, in order to ensure that the line current flows at a current strength above the first current limit value and / or prevent above the second current limit value to the electrical consumer.
Das Unterbrechen der elektrischen Verbindung kann mittels eines sperrenden Halbleiterelements, eines mechanischen Schaltkontakts oder mittels eines definierten Schmelzens der Überstromschutzsicherung realisiert sein. Demnach kann ein Trennen der elektrischen Verbindung reversibel ausgeführt sein oder im Falle des definierten Schmelzens irreversibel ausgeführt sein. Nach einem Auslösen der ersten Schutzschaltung und/oder der zweiten Schutzschaltung kann ein manueller Eingriff notwendig sein, um die Schaltung wieder in Betrieb zu nehmen. Beispielsweise kann es notwendig sein eine der Überstromschutzsicherungen zu ersetzen und/oder die Ursache der Überspannung oder des Überstroms zu beheben.The electrical connection can be interrupted by means of a blocking semiconductor element, a mechanical switching contact or by means of a defined melting of the overcurrent protection fuse. Accordingly, disconnection of the electrical connection can be carried out reversibly or, in the case of defined melting, can be carried out irreversibly. After the first protective circuit and / or the second protective circuit has been triggered, manual intervention may be necessary in order to put the circuit back into operation. For example, it may be necessary to replace one of the overcurrent protection fuses and / or to correct the cause of the overvoltage or overcurrent.
In einer Ausführungsform sind die erste Sicherungsschaltung und/oder die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet, eine Bauteil- und/oder Umgebungstemperatur zu erfassen und bei Erreichen eines Temperaturgrenzwertes durch die Bauteil und/oder Umgebungstemperatur die Überspannungsschutzschaltung auszulösen und/oder ein Fließen eines Stroms von dem Spannungsanschluss zu dem elektrischen Verbraucher zu unterbinden. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der elektrische Verbraucher vor thermischen Belastungen geschützt sein kann.In one embodiment, the first fuse circuit and / or the second fuse circuit are designed to detect a component and / or ambient temperature and to trigger the overvoltage protection circuit when the component and / or ambient temperature reaches a temperature limit and / or to cause a current to flow from the voltage connection to prevent the electrical consumer. This has the advantage that the electrical consumer can be protected against thermal loads.
In einer Ausführungsform ist die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet, dem elektrischen Verbraucher eine gegenüber dem Verbund bestehend aus der ersten Sicherungsschaltung und der Überspannungsschutzschaltung mittels einer Begrenzung des Leitungsstroms auf den zweiten Stromstärkegrenzwert und einer Begrenzung einer Spannung des Spannungsanschlusses auf den zweiten Spannungsgrenzwert eine reduzierte elektrische Maximalleistung bereitzustellen.In one embodiment, the second fuse circuit is designed to provide the electrical consumer with a reduced maximum electrical power compared to the combination consisting of the first fuse circuit and the overvoltage protection circuit by limiting the line current to the second current limit and limiting the voltage of the voltage connection to the second voltage limit.
In einer Ausführungsform ist der ersten Sicherungsschaltung und/oder der Überspannungsschutzschaltung ein Netzteil nachgeschaltet, wobei das Netzteil der zweiten Sicherungsschaltung vorgeschaltet und ausgebildet ist, der zweiten Sicherungsschaltung eine gegenüber der Spannung des Spannungsanschlusses erhöhte oder erniedrigte Spannung bereitzustellen.In one embodiment, the first fuse circuit and / or the overvoltage protection circuit is followed by a power pack, the power pack being connected upstream of the second fuse circuit and designed to provide the second fuse circuit with a voltage which is increased or decreased compared to the voltage of the voltage connection.
Weitere Ausführungsbeispiele werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform; -
2 eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform; und -
3 eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform.
-
1 a protection device in one embodiment; -
2 a protection device in one embodiment; and -
3 a protective device in one embodiment.
Ferner umfasst die Schutzvorrichtung
Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung
Die Überspannungsschutzschaltung
Ferner umfasst die Überspannungsvorrichtung
Die Überspannungsschutzschaltung
Die erste Sicherungsschaltung
Die zweite Sicherungsschaltung
Der weitere Schalterausgang
Der weitere Schalterausgang
Ferner umfasst die Schutzvorrichtung
Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung
Die zweite Sicherungsschaltung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Schutzvorrichtungguard
- 101101
- Spannungsanschlussvoltage connection
- 103103
- Elektrischer VerbraucherElectrical consumer
- 105105
- Erste SicherungsschaltungFirst fuse circuit
- 107107
- ÜberspannungsschutzschaltungOvervoltage protection circuit
- 109109
- Zweite SicherungsschaltungSecond fuse circuit
- 111111
- HalbleiterschalterSemiconductor switches
- 113113
- Steuereingangcontrol input
- 115115
- SpannungsgrenzwertschalterVoltage limit switch
- 117117
- Schaltereingangswitch input
- 119119
- Schalterausgangswitch output
- 121121
- Widerstandresistance
- 123123
- ÜberstromschutzsicherungOvercurrent protection fuse
- 125125
- ÜberstromschutzsicherungOvercurrent protection fuse
- 127127
- SpannungsgrenzwertschalterVoltage limit switch
- 129129
- Schaltereingangswitch input
- 131131
- Schalterausgangswitch output
- 301301
- SpannungsgrenzwertschalterVoltage limit switch
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018114129.7A DE102018114129A1 (en) | 2018-06-13 | 2018-06-13 | guard |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102018114129A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11022993B2 (en) * | 2017-10-09 | 2021-06-01 | Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg | Energy supply apparatus |
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| US4520419A (en) * | 1982-08-21 | 1985-05-28 | Robert Bosch Gmbh | Polarity and overload protective circuit for electric consumers |
| JP2000201429A (en) * | 1998-09-08 | 2000-07-18 | Ricoh Co Ltd | Overvoltage protection circuit |
| JP2007043822A (en) * | 2005-08-03 | 2007-02-15 | Yokogawa Electric Corp | Overvoltage protection circuit |
| US9401593B2 (en) * | 2009-01-28 | 2016-07-26 | Jacques GASCUEL | Device for monitoring and protecting the power supply of electrical equipment and method for implementing said device |
-
2018
- 2018-06-13 DE DE102018114129.7A patent/DE102018114129A1/en active Pending
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|---|---|---|---|
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