DE3441403A1 - Schaltungsanordnung zum schalten ohmscher und induktiver elektrischer verbraucher in gleich- und wechselstromkreisen - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zum Schalten ohmscher
• und induktiver elektrischer Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten ohmscher und induktiver elektrischer Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Aus der DE-PS 31 15 214 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutze eines elektronischen Zweidraht-Wechselstromschalters gegen Überlastung mit einer Steuerelektronik bekannt, die allerdings nur Verbraucher in Wechselstromkreisen zu schalten in der Lage ist. Sie verwendet dazu einen von einem Geber und einer Steuerelektronik beaufschlagten Thyristor, der zwar zu beliebigen Zeiten eingeschaltet werden kann, nach der durch den Geber veranlaßten Ausschaltung den elektrischen Verbraucher aber erst beim Nulldurc-hgang der angelegten Wechselspannung abschalten kann. Durch den verzögerten Ausschaltzeitpunkt ist eine direkte Kurzschluß- und Überlastsicherung durch Steuerung des Thyristors nicht erreichbar, so daß zum Zwecke des Kurzschluß- und Uberlastungsschutzes im Strompfad des. Thyristors ein zusätzliches Halbleiter-Bauelement, z. B. ein Transistor, eingeschalte.t sein muß.
• Des weiteren kann der Thyristor nicht gleichzeitig als Lastschalter und als Spannungsquelle für nachgeschaltete Elektronikteile, insbesondere die Steuerelektronik dienen. Schließlich kann der Thyristor im ausgeschalteten Zustand auch nicht als Uberspannungsbegrenzer arbeiten. Eine Verwendung der bekannten Schaltungsanordnung zum Schalten elektrischer Verbraucher auch in Gleichstromkreisen, ist zwar grundsatzlich denkbar, würde jedoch einen erheblichen zusatzlichen Schaltungsaufwand erfordern, der einem kompakten Aufbau der Schaltungsanordnung abträglich wäre.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in kompakter Bauform herstellbare überlastsichere Schaltungsanordnung anzugeben, die zum Schalten ohmscher und induktiver Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen geeignet ist.
• Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Die Erfindung bietet insbesondere folgende Vorteile.
• Durch die Verwendung eines Shunt-Reglers, der einen Leistungsfeldeffekttransistor als Stellglied aufweist, als Lastschalter, können elektrische Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen geschaltet werden.
• Dabei ist es möglich, die zu schaltenden Gleich- und Wechselstromkreise mit einem sehr großen Spannungsbereich zu betreiben, z. B. den Gleichstromkreis zwischen 10 und 350 V und den Wechselstromkreis zwischen 10 und 255 V.
• Auf besonders vorteilhafte Weise kann der Leistungsfeldeffekttransistor im abgeschalteten Zustand die Funktion einer Spannungsquelle für eine Maximalspannung übernehmen und dadurch einlaufende Spannungspitzen auf zulässige Maximalwerte begrenzen. Dadurch kann auf weitere Dämpfungs- oder Spannungsbegrenzer-Bauteile verzichtet werden, um die nachfolgenden elektronischen Bauteile vor Zerstörung zu schützen.
• Im durchgeschalteten Zustand übernimmt der Leistungsfeldeffekttransistor einerseits die Funktion eines Schalters für den elektrischen Verbraucher und zum anderen den einer Spannungsquelle zum Betreiben einer nachgeschalteten Elektronik.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Figur im Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Die Schaltungsanordnung umfaßt die Untergruppen Shunt-Regler, Längsregler, Temperaturschutz, Überstromschutz und Betriebszustandsanzeige, die im folgenden näher beschrieben werden.
• Shunt-Regler Der Lastschalter zum Schalten des elektrischen Verbrauchers wird gebildet von einem umschaltbaren Shunt-Regler, der als Stellglied einen Leistungsfeldeffekttransistor T1 aufweist. Der Shunt-Regler wird gebildet aus dem Feldeffektleistungstransistor T1, dem Verstarker V, den Widerständen RO, RE, RA, dem Schalter Sl und der Referenzspannungsquelle UREF.
• Im abgeschalteten Zustand - Schalter S1 ist geschlossen - übernimmt der Shunt-Regler die Funktion einer Spannungsquelle für eine Maximalspannung UA, die mindestens 10 % über der Betriebs-Spitzenspannung liegt. Einlaufende Spannungsspitzen (Transienten) werden auf diesen Wert begrenzt. Dabei dient der Lastwiderstand RL als Vorwiderstand. Liegt keine Überspannung vor, so fließt über den Lastwiderstand nur noch ein Ruhestrom IR, der für nachfolgende, später noch beschriebene Schaltungsteile, insbesondere auch die Steuerelektronik,notwendig ist.
• Im durchgeschalteten Zustand - Schalter Sl ist geöffnet - übernimmt der Shunt-Regler die Funktion eines Schalters für den elektrischen Verbraucher und die Funktion einer Spannungsquelle für die noch zu versorgenden Schaltungsteile, wobei die an ihm anstehende Spannung UE (Restspannung) erheblich unter der Betriebsspannung UB liegt.
• Die Spannung UE dient wiederum zur Versorgung der später noch beschriebenen Schaltungsteile. Um einen zuverlässigen Betrieb der Schaltungsanordnung zu gewährleisten, wird die am Transistor Tl abgegriffene Versorgungsspannung zunächst in einer Regelschaltung (Längsregler) stabilisiert.
• Längsregler Der Längsregler erzeugt eine stabilisierte Betriebsspannung UST für die Steuerelektronik. Der Längsregler besteht im einfachsten Fall aus einem Längstransistor T2 und einer Referenzspannungsquelle UREF.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Längsregler noch einen zusätzlichen Verstärker VST umfassen, mit dem auf zweckmäßige Weise außer besserer Regelung auch dafür gesorgt wird, daß die stabilisierte Spannung UST beim Anlegen der Betriebsspannung UB an die Schaltungsanordnung nicht schlagartig aufgebaut wird, sondern über URp rampenförmig erst nach Ablauf einer vorgebbaren Minimalzeit ihren Sollwert erreicht; beispielsweise erst innerhalb eines Zeitintervalls von 25 ms bis 100 ms, vorzugsweise nach 50 ms. Zweckmäßig wird in diesem Zusammenhang auch noch ein Spannungswächter UW vorgesehen, der ein Richtsignal abgibt, welches den Shunt-Regler erst dann über G3 einschaltbar macht (Last-ein), wenn die stabilisierte Betriebsspannung UST hinter dem Längsregler mit ihrem Sollwert ansteht und somit die Steuerelektronik betriebsbereit ist.
• Kurzschluß- und Überlastsicherung Temperaturs chut z Der Temperaturschutz arbeitet nach dem Prinzip der Zweipunktregelung. Er soll bei erhöhten, aber noch ungefährlichen Kris talltemperaturen am Leistungsfeldeffekttransistor T1 den Shunt-Regler auf den Zustand "Last-aus" schalten (Schalter S1). Zweckmäßig wird dieser Zustand dem Bedienungspersonal durch eine geeignete, später noch beschriebene Alarmeinrichtung mitgeteilt. Nach Unterschreiten der Maximaltemperatur wird der Shunt-Regler wieder auf den Zustand "Last-ein" geschaltet (Schalter S1), wenn ein ungefährdeter Betrieb der Schaltungsanordnung möglich ist.
• Um diese Schaltmaßnahmen durchzuführen, ist ein Temperaturmeßwiderstand RT thermisch mit dem Leistungsfeldeffekttransistor T1 gekoppelt, in dem er unmittelbar auf dem Gehäuse des Leistungsfeldeffektransistors T1 oder in dessen engster Nachbarschaft angeordnet ist.
• Bei Eigenerwärmung des Transistors T1 oder bei unzulässiger Wärmezufuhr durch eine externe Wärmequelle, wodurch die obere zulässige Temperaturgrenze am Transistor T1 erreicht wird, wird die Schwellenspannung UT des Schwellwertschalters ST überschritten, was zur Folge hat, daß der Shunt-Regler vermittels der Verknüpfung G1 und des Schalters S1 auf "Last aus" geschaltet wird. Nach hinreichender Abkühlung des Transistors T1 auf einen niedrigeren und zulässigen Temperaturwert, wird der Shunt-Regler vermittels G1 und S1 wieder auf "Last ein" geschaltet.
• Dieser Vorgang kann - falls erforderlich - beliebig oft wiederholt werden, bis nach hinreichender Absenkung der Temperatur ein zulässiger Betriebszustand erreicht ist.
• Uberstromschutz Das Stellglied des Shunt-Reglers, Transistor T1, wird zweckmäßig durch eine Schutzschaltung vor Überschreitung der zulässigen Stromgrenzwerte geschützt, und zwar derart, daß bei Stromüberlastungen in Höhe des zehnfachen Nennwerts eine Umschaltung des Shunt-Reglers vom Betriebszustand "Last-ein" auf den Betriebszustand Last-aus" erfolgt. Zweckmäßig wird dabei durch externe Widerstandsbeschaltung der Abschaltstrom ab einem bestimmten Grenzwert, beispielsweise 4 A abwärts programmierbar ausgebildet. Die Schutzschaltung ist dabei so ausgelegt, daß sie mit einer geeigneten Wiederholfrequenz nach Uberlastung selbsttätig wieder einschaltet und notfalls erneut abschaltet, wenn der Überlastzustand noch andauert. Dadurch wird die Endstufe des Shunt-Reglers absolut kurzschlußfest, was zur hohen Betriebssicherheit der Schaltungsanordnung beiträgt.
• In geeigneter, später noch erläuterter Weise, kann ein festgestellter Überlastzustand dem Bedienungspersonal durch geeignete Alarmgabe auch angezeigt werden.
• Zur Überwachung des Laststroms IL ist in die Source-Leitung des Transistors T1 ein Meßwiderstand RM eingeschaltet. Die an ihm abfallende Spannung UM1 aktiviert über einen zugeordneten Schwellwertschalter SMl über Verknüpfung G4 den monostabilen Multivibrator MF1, der wiederum über G1 den Schalter S1 schließt und somit den Shunt-Regler in den Betriebszustand t'Last-aus" versetzt. Nach Ablauf der vorgebbaren Pausenzeit, die einige Sekunden, zweckmäßig ca.
• 3 sek betragen kann, wird Schalter S1 wieder geöffnet und der Shunt-Regler nimmt den Betriebszustand "Last-ein" ein.
• Liegt der festgestellte Überlastfall immer noch vor, beaufschlagt der Schwellwertschalter SM1 den monostabilen Multivibrator HFl wiederum, um durch Schließen des Schalters S1 den Betriebszustand "Last-aus" des Shunt-Reglers herzustellen. Dieser Vorgang kann sich bis zum Erreichen eines zulässigen Betriebszustands beliebig oft wiederholen.
• Zur Uberwachung eines Überlastfalles von ca. 3 x IL bis 10 x IL sind zusätzlich zum Temperaturschutz der Meßwiderstand 0,3 RM, der Schwellwertschalter SM2, der monostabile Multivibrator MF2 und die Verknüpfung G5 vorgesehen. der Schwellwertschalter SM2 reagiert auf einen Überlaststrom ab ca. 3 x IL (0,3 RU'IM = UM2) und triggert den monostabilen Multivibrator MF2 an, der für eine Laufzeit von ca. 100 ms die Verknüpfung G5 sperrt, so daß das getriggerte Signal über die Leitung L für ca. 100 ms nicht auf die Verknüpfung G4 gelangen kann. Der Integrations-Kondensator C verhindert für den ps-Schaltbereich des MF2 die Verknüpfungsbedingung an G5. Nach einer Laufzeit von ca. 100 ms schaltet der monostabile Multivibrator MF2 zurück und falls dann noch der Überlastfall vorliegt, ist über die Leitung L an G5 die Verknüpfungsbedingung gegeben und somit wird über G4, MFl und G1 der Schalter S1 gesteuert, der wiederum den Transistor Tl auf den Betriebszustand "Last aus" schaltet. Nach Ablauf der vorgebbaren Pausenzeit des MFl, die einige Sekunden, zweckmäßig ca. 3 Sek. betragen kann, wird Schalter S1 wieder geöffnet und der Shunt- Regler nimmt den Betriebszustand "Last ein" an. Liegt der festgestellte Überlastfall immer noch vor, wird ein erneuter Abschaltvorgang wie vor beschrieben nach ca.
• 100 ms erneut eingeleitet. Dieser Vorgang kann bis zum Erreichen eines zulässigen Betreiebszustandes oder bis zum Ansprechen des Temp-eraturschutzes beliebig oft wiederholt werden.
• Zweckmäßig wird das Tastverhältnis zwischen den beiden Betriebszuständen des Sh-unt-Reglers hinsichtlich ihrer Zeitdauer so gehalt-en-, daß eine Eigenerwärmun-g von Tl, über zulässige Werte hinaus nicht eintritt. Sobald die Belast-ung unter den zulässigen Grenzwert reduziert wird, also beispielsweise weniger als das 3-fache bzw.
• 10-fache~des Nennwerte: beträgt, verbleibt der Shunt-Regler im Betriebszustand "Last-ein".
• Betriebszustandsanz'eig'e In der Schaltungsanordnung ist weiter eine Betriebszustandsanzeige vorgesehen, die trotz ihres verhältnismäßig einfachen Aufbaus alle vorkommenden Betriebszustände der Schaltungsanordnung anzeigen kann und dabei gleichzeitig eine Alarmfunktion ausübt, sofern die Schaltungsanordnung die oben beschriebenen Kurzschluß- bzw. Uberlastzustände einnimmt.
• Die Betriebszustandsanzeige umfaßt eine Leu-chtdiode LED mit einem Vorwiderstand RV, die - abhängig vom jeweiligen Betriebszustand des Shunt-Reglers - entweder ständig ein- bzw. ausgeschaltet ist oder die, bei Vorhandensein eines Überlastzustands, zwecks Alarmgabe von Taktgeneratoren TGl bz». TG2 mit einer vorgegebenen Taktfrequenz angesteuert wird.
• So ist im Betriebszustand "Last-aus" die Leuchtdiode LED ausgeschaltet. Im Betriebszustand "Last-ein" ist die Leuchtdiode LED kontinuierlich eingeschaltet. Im Betriebszustand "Last-ein" und Uberlastsituation infolge zu hoher Temperatur, blinkt die Leuchtdiode LED mit einer Frequenz von ca. 10 Hz. Im Betriebszustand "Last-ein" und llberlastzustand durch zu hohen Laststrom blinkt die Leuchtdiode LED mit einer Frequenz von ca. 2 Hz.
• Auf diese Weise können alle vorkommenden Betriebszustände der Schaltungsanordnung mit einem einzigen Anzeigelelement zweckmäßig überwacht werden.
• Bezugszeichenliste Tl Leistungsfeldeffekttransistor RO Widerstand RE Widerstand RA Widerstand S1 Schalter UREF Referenzspannunsquelle V Verstärker UA Maximalspannung RL Lastwiderstand UE Minimal spannung UB Betriebs spannung UST Betriebsspannung stabilisiert T2 Längs trans is tor VST Verstärker RT Temperaturmeßwiderst and UT Schwellenspannung ST Schwellwertschalter RM Strommeßwiderstand SM Schwellwertschalter MF1/MF2 monostabile Multivibratoren LED Leuchtdiode RV Vorwiderstand TG1 Taktgenerator TG2 Taktgenerator STE Steuerelektronik NS Näherungsschalter IL Laststrom URP Rampen-Spannungs-Generator Gl, G3, G5 Und-Verknüpfungen G2, G4, Oder-Verknüpfungen

Claims (9)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e » Schaltungsanordnung zum Schalten ohmscher und induktiver-elektrischer Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen mit einer von einem Geber, insbesondere Näherungsschalter, beaufschlagbaren Steuerelektronik, einer zur Versorgung der Steuerelektronik dienenden Spannungsversorgung, sowie mit einer Kurzschluß- und Überlastsicherung, d a d u r ch g e k e n n -z e i c h n e t, daß als Lastschalter ein Shunt-Regler mit einem Leistungsfeldeffekttransistor (T1) als Stellglied vorgesehen ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein vorzugsweise elektronisch betätigbarer Schalter (S1) vorgesehen ist, der über einen Verstärker (V) derart mit der Gate-Elektrode des Leistungsfeldeffekttransistors (T1) verbunden ist, daß bei geöffnetem Schalter (S1) die Schaltungsanordnung den Betriebszustand "Last-ein" und bei geschlossenem Schalter (S1) den Betriebszustand "Last-aus" einnimmt.
3. 3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S1) über eine Verknüpfung (G1) einerseits über eine Steuerelektronik (STE) von einem Näherungsschalter (NS), andererseits von einem monostabilen Multivibrator (MF1) und von diesem vorzugsweise taktweise betätigbar ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in der Schaltungsanordnung Mittel vorgesehen sind zur Feststellung von Überlastzuständen, wie beispielsweise unzulässig hoher Temperatur des Transistors (T1) oder unzulässig hoher Laststrom (IL), die bei Vorliegen eines Überlastzustands die monostabilen Multivibratoren MF1 oder MF2 mit dem Ziel einer Betätigung des Schalters (S1) mit einem Steuersignal beaufschlagen.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Feststellung eines Überlastzustands einen Temperaturmeßwiderstand (RT) umfassen, der thermisch leitend mit dem Transistor (T1) verbunden ist, sowie einen vom Laststrom (IL) durchflossenen Strommeßwiderstand (RM) sowie die Schwellwertschalter (ST) bzw. (SM1, SM2), die jeweils zwischen den Temperaturmeßwiderstand (RT) bzw. die Strommeßwiderstande (07 RM) und (03 RM) und den monostabilen Multivibratoren (MF1) bzw. (MF2) geschaltet sind.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Spannungsversorgung der Steuerelektronik (STE) und des Näherungsschalters (NS) ein mindestens einen Langstransistor (T2) und eine Referenzspannungsquelle (UREF) umfassender Längsregler vorgesehen ist, dem die an Transistor (T1) anstehende Spannung (UE bzw. UA) zugeführt wird und der diese stabilisiert.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Längsregler Mittel vorgesehen sind (URp), die die vom Längsregler abgegebene stabilisierte Spannung (UST) rampenförmig auf den Sollwert ansteigen lassen.
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Mittel vorgesehen sind zur Anzeige des Betriebszustands der Schaltungsanordnung.
9. 9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Anzeige des Betriebszustands der Schaltungsanordnung eine Leuchtdiode (LED) mit Vorwiderstand (RV) umfassen, sowie Taktgeneratoren (TGl, TG2), die die Leuchtdiode (LED) zwecks Alarmgabe und Unterscheidung unterschiedlicher Uberlastzustände mit deutlich erkennbarer unterschiedlicher Taktfrequenz über eine Verknüpfung (G2) ansteuern.