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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltanlage mit einem Leistungsschalter sowie einer Schaltungsanordnung zum zuverlässigen Schalten des Leistungsschalters mit verbesserter Störfestigkeit.
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Steuerbare Schalter wie beispielsweise Relais, Thyristoren oder Transistoren aller Art werden benutzt, um ansprechend auf ein von einer Steuerung generiertes Schaltsignal eine elektrische Verbindung zwischen zwei Punkten herzustellen (Durchlass) oder zu öffnen.
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Aus der
DE 10 2007 046 729 A1 ist eine integrierte Schaltung bekannt, die ein Ausgangssignal mit einem hohen Pegel erzeugt, das beispielsweise zur Steuerung eines als Schalter arbeitenden Transistors verwendet wird, der unterschiedliche Netze verbindet. Diese integrierte Schaltung weist zwei gegensinnige Schaltelemente auf, wobei eines der Schaltelemente mit einem Schaltsignal versorgt wird und das andere Schaltelement ein durch eine Kette von Verzögerungsgliedern geleitetes gegensinniges Schaltsignal.
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In Umgebungen mit starken elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldern und/oder aufgrund leitungsgeführter Störungen wie beispielsweise Schaltüberspannungen auf Energieversorgungsleitungen kann das Schaltsignal verfälscht werden und es kann, insbesondere bei Halbleiterschaltern, die vergleichsweise wenig Schaltsignalenergie benötigen, zu unerwünschten Schaltvorgängen des gesteuerten Schalters kommen.
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Störungen durch Felder kann durch Abschirmungen entgegengewirkt werden, allerdings erhöhen sich dadurch die Kosten in nicht unerheblichem Maße und zudem verbleibt eine Restanfälligkeit gegenüber besonders starken Änderungen der o.g. Felder, beispielsweise im Zusammenhang mit Gewittern oder bei Kurzschlussereignissen in benachbarten Stromkreisen. Leitungsgeführte Störungen können mit sogenannten Ableitungsschaltungen minimiert werden, die in der Herstellung Kosten verursachen und zudem dauerhaft kostbaren Platz in einem Gerät belegen.
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Es ist bekannt, in Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Störfestigkeit zwei steuerbare Schalter in Serie zu schalten. Dabei wird das Schaltsignal an die beiden Schalter geleitet. Es liegt auf der Hand, dass durch diese Maßnahme sowie durch räumliche Separierung der Schalter und möglichst verschieden geführte Schaltsignalleitungen die Restanfälligkeit, insbesondere gegenüber Feldern, reduziert werden kann.
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Allerdings zeigt die Praxis, dass besonders starke Feldstärkeänderungen und/oder besonders starke leitungsgeführte Störungen nach wie vor zu fehlerhaften Schaltvorgängen führen. Der Separierung der Schalter sind ebenso wie der verschiedenen Führung von Signalleitungen räumliche und finanzielle Grenzen gesetzt. Insbesondere besteht ein zur räumlichen Separierung konkurrierender Bedarf, elektronische steuerbare Schalter und die zugehörige Steuerung auf einer möglichst kleinen Leiterplatte zu realisieren. Auch der in der Praxis nicht vernachlässigbare Platzbedarf für Ableitungsschaltungen für leitungsgeführte Störungen und deren Anordnung möglichst nah an einer Eingangsklemme eines Gerätes bzw. einer Baugruppe steht diesem Bedarf entgegen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung mit verbesserter Störfestigkeit anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Schaltanlage gemäß Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass sie eine stark verbesserte Störfestigkeit liefert, indem sowohl ein Signal mit einem HIGH Pegel als auch ein auf einem unabhängigen Signalweg geführtes Signal mit LOW Pegel gleichzeitig erforderlich sind, um einen Schaltvorgang auszulösen. Typische Störungen sind beispielsweise induktive Einkopplungen in Leiter oder leitergeführte Störungen, die bei herkömmlichen Schaltungen mit zwei Schaltelementen, die bei gleichem Pegel (üblicherweise HIGH) schalten, beide Schaltsignalleitungen gleichermaßen betreffen und so zu unerwünschten und möglicherweise gefährlichen Schaltvorgängen führen können. Gemäß der vorliegenden Erfindung würde eine solche, als HIGH Signal interpretierte, Einkopplung zwar einen der zumindest zwei Schalter auf Durchgang schalten, gleichzeitig aber den anderen Schalter, der LOW-aktiv ist, sperren.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Halbleiterschaltern einsetzbar, da diese sehr wenig Energie zum Schalten benötigen und daher empfindlicher gegenüber Störungen auf den Steuerleitungen sind als beispielsweise Relais. Die vorliegende Erfindung gleicht damit einen Nachteil moderner Halbleiterschalter gegenüber Relais aus, ohne dass die Kosten der Schaltung gegenüber einer herkömmlichen Lösung messbar steigen: im einfachsten Fall muss gegenüber einer bekannten Schaltung mit zwei HIGH-aktiven Halbleiterschaltern lediglich einer der Halbleiterschalter durch einen passenden LOW-aktiven Typ ersetzt werden und die Steuerschaltung muss an einem Ausgang das invertierte Steuersignal ausgeben. Zudem erfordert die Abschirmung einer erfindungsgemäßen Schaltung weniger Sorgfalt hinsichtlich der Abschirmung gegenüber bekannten Varianten mit zwei HIGH-aktiven (oder anderweitig gleichsinnig geschalteten) Halbleiterschaltern, da die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch ohne Abschirmung deutlich robuster gegenüber Störungen ist.
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Natürlich ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Halbleiterschalter beschränkt, sondern auch im Zusammenhang mit Relais oder beliebigen anderen steuerbaren Schaltern nutzbar.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in schematisierter Darstellung.
- 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in schematisierter Darstellung.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Schaltungsanordnung 10 weist eine Steuerung 11 auf, die ansprechend auf Benutzereingaben oder Signale einer übergeordneten Steuerung (nicht dargestellt) oder aufgrund durch die Steuerung 11 selbst ausgeführter Signalverknüpfungen oder Programmschritte ein Steuersignal zum Schalten eines zu schaltenden Elements (nicht dargestellt) erzeugen kann. Dieses Steuersignal kann beispielsweise ein HIGH-Signal an einem ersten Ausgang 111 der Steuerung 11 sein, wobei ein LOW-Signal am Ausgang 111 anliegt, wenn das Steuersignal nicht aktiv ist.
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Steuerung 11 weist einen zweiten Ausgang 112 auf, an dem das Steuersignal in invertierter Form ausgegeben wird, also beispielsweise als LOW-Signal, wobei ein HIGH-Signal am zweiten Ausgang 112 anliegt, wenn das Steuersignal nicht aktiv ist.
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Der erste Ausgang 111 der Steuerung 11 ist mit dem Steuereingang 121 eines ersten steuerbaren Schalters 12 verbunden. Bei dieser Verbindung kann es sich um eine direkte Verbindung handeln, beispielsweise eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte, oder eine Verbindung mit galvanischer Trennung, beispielsweise einen Optokoppler, Lichtleiter oder dergleichen zur weiteren Verbesserung der Störfestigkeit.
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Der erste steuerbare Schalter 12 ist im Beispiel der 1 ein HIGH-aktiver Schalter, der auf Durchlass schaltet, wenn an seinem Steuereingang 121 ein HIGH-Signal anliegt.
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Der zweite Ausgang 112 der Steuerung 11 ist mit dem Steuereingang 131 eines zweiten steuerbaren Schalters 13 verbunden. Auch bei dieser Verbindung kann es sich um eine direkte Verbindung handeln, beispielsweise eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte, oder eine Verbindung mit galvanischer Trennung, beispielsweise einen Optokoppler, Lichtleiter oder dergleichen zur weiteren Verbesserung der Störfestigkeit.
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Der zweite steuerbare Schalter 13 ist im Beispiel der 1 ein LOW-aktiver Schalter, der auf Durchlass schaltet, wenn an seinem Steuereingang 131 ein LOW-Signal anliegt.
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Die beiden Schalter 12 und 13 sind dabei in Serie geschaltet und bilden weiter mit einem an Ausgangsklemmen 14A, 14B anschließbaren zu schaltenden Element (nicht dargestellt) eine Serienschaltung.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung auch der erste steuerbare Schalter 12 LOW-aktiv sein kann und der zweite steuerbare Schalter 13 HIGH-aktiv. Zudem können weitere steuerbare, in Serie geschaltete steuerbare Schalter vorhanden sein. Wichtig ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nur, dass zumindest zwei der steuerbaren Schalter in Serie mit dem zu schaltenden Element geschaltet und gegensinnig bzw. antivalent ansteuerbar sind.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass es sich bei hier mit HIGH und LOW bezeichneten Pegeln um die jeweiligen logischen Pegel gemäß der Datenblätter der Halbleiterschalter oder deren vorgeschalteter Treiberschaltungen bzw. im Fall von Relais als steuerbaren Schaltern um die Spannungswerte, die das Schalten der Relais bewirken.
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Wird im Beispiel der 1 von der Steuerung 11 der Befehl empfangen oder erzeugt, das zu schaltende Element zu schalten, dann wechselt am ersten Ausgang 111 der Steuerung 11 das Signal von LOW nach HIGH und im Wesentlichen zeitgleich wechselt am zweiten Ausgang 112 der Steuerung 11 das Signal von HIGH nach LOW.
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Durch diese Signalwechsel schalten beide steuerbaren Schalter im Wesentlichen zeitgleich auf Durchlass und ermöglichen so einen Stromfluss von einer Schaltspannungsversorgung 15 über die erste Ausgangsklemme 14A durch das zu schaltende Element zur zweiten Ausgangsklemme 14B, durch den ersten steuerbaren Schalter 12 und durch den zweiten steuerbaren Schalter 13 nach Masse 16 bzw. dem zweiten Pol der Schaltspannungsversorgung. Dabei ist die Stromflussrichtung für die vorliegende Erfindung nicht relevant. Ebenso ist nur für die konkrete Auswahl der steuerbaren Schalter (z.B. Transistoren oder Thyristoren), aber nicht für das hier beschriebene Prinzip, von Bedeutung, ob das zu schaltende Element mit Gleich- oder Wechselspannung versorgt wird.
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Wie bereits erwähnt wird durch die antivalente Ansteuerung der steuerbaren Schalter 12, 13 eine deutlich verringerte Anfälligkeit gegenüber Störungen auf den Verbindungsleitungen zwischen den Ausgängen 111, 112 der Steuerung und den Eingängen 121, 131 der steuerbaren Schalter erreicht. Dies ist insbesondere in Ausführungsbeispielen von großer Bedeutung, bei denen die zu schaltenden Elemente die Magnetantriebe elektromagnetischer Leistungsschalter oder Magnetauslöser von Leistungsschaltern sind, bei denen häufig besonders hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit bestehen, da ein unerwünschter Schaltvorgang erhebliches Schadens- und Gefahrenpotential birgt.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung 20 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden im folgenden nur die Unterschiede zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert.
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Eine erste Modifikation besteht darin, dass die Ausgangsklemmen 14 und der erste steuerbare Schalter 12 gegenüber 1 vertauscht sind. Dies hat den Vorteil, dass die Ausgangsklemmen 14 spannungs- oder potentialfrei sind, wenn das zu schaltende Element nicht eingeschaltet ist. In analoger Weise können die Ausgangsklemmen 14 mit dem zweiten steuerbaren Schalter 13 vertauscht werden (nicht dargestellt), beispielsweise um zu erreichen, dass das zu schaltende Element geerdet oder mit Systemmasse verbunden ist bzw. um die zweite Ausgangsklemme 14B einzusparen, wenn das zu schaltende Element anderweitig mit Erde oder Systemmasse verbunden ist.
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Diese ersten Modifikationen gegenüber 1 sind dabei unabhängig von den im folgenden beschriebenen zweiten Modifikationen umsetzbar.
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Eine zweite Modifikation besteht darin, dass die Steuerung 21 der 2 nicht selbst das invertierte Steuersignal bereitstellt, sondern ein dem Eingang 131 des zweiten steuerbaren Schalters 13 vorgeschalteter Inverter 22 diese Aufgabe übernimmt. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine herkömmliche Schaltung, die zwei HIGH-aktive Schalter verwendet, umgerüstet und dabei der Steuerbaustein (beispielsweise ein vergleichsweise teurer ASIC) weiterverwendet werden soll. Idealerweise hat dieser herkömmliche Steuerbaustein zwei nichtinvertierte (jedenfalls aber gleissinnige) Ausgänge 211, 212. Der Inverter 22 wird im in 2 skizzierten Ausführungsbeispiel dann mit möglichst kurzer und/oder gut geschirmter Zuleitung an einen dieser Ausgänge angeschlossen. Am Ausgang des Inverters 22 steht dann das über eine längere Leitung transportierbare invertierte Signal bereit. Im Übrigen funktioniert die so modifizierte Schaltung wie die mit Bezug auf 1 beschriebene.
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Hat die Steuerung hingegen nur einen (nichtinvertierenden) Ausgang 211 (nicht dargestellt), kann ebenfalls mit einem Inverter 22 das für das zweite steuerbare Element benötigte invertierte Signal erzeugt werden. In Ausführungsbeispielen mit einem solchen Steuerbaustein mit nur einem Ausgang ist es dann vorteilhaft, durch zusätzliche Maßnahmen (nicht dargestellt) die (HIGH-aktive) Leitung zwischen Ausgang der Steuerung und Eingang 121 des ersten steuerbaren Elements von der Leitung zwischen dem Ausgang der Steuerung und dem Eingang des Inverters 22 zu entkoppeln, um sicherzustellen, dass in die Leitung zwischen Ausgang der Steuerung und Eingang 121 des ersten steuerbaren Elements eingekoppelte, einem HIGH-Pegel entsprechende Störungen nicht auch an den Inverter geleitet, von diesem invertiert und als LOW-Signal ausgegeben werden und anschließend den LOW-aktiven zweiten steuerbaren Schalter als Aktivierungssignal erreichen. Solche zusätzlichen Maßnahmen können beispielsweise elektrische Einwegventile wie beispielsweise Anordnungen mit Dioden oder galvanische Trennungen sein, die eine Rückwirkung verhindern.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung vorzugsweise kompakt auf einer gemeinsamen Leiterplatte realisiert werden kann und somit gegenüber den klassischen, als robust bekannten Relaislösungen Platz einspart. Alternativ kann die Schaltung auch modular realisiert werden, beispielsweise indem die Steuerung 11, 21 ein erstes Modul bildet oder Teil eines ersten Moduls ist und die steuerbaren Schalter 12, 13 gemeinsam mit den Ausgangsklemmen ein zweites, räumlich abgesetztes Modul bilden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung beschriebenen Komponenten können sowohl durch diskrete als auch durch integrierte Schaltungen realisiert werden. Dabei können Standardkomponenten oder ASICs eingesetzt werden. Für die Steuerung können teilweise oder ausschließlich programmierbare Bausteine wie Microcontroller, Prozessoren, FPGAs usw. verwendet werden.
