EP3942663A1 - Schutzschalter - Google Patents

Schutzschalter

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Publication number
EP3942663A1
EP3942663A1 EP20720002.3A EP20720002A EP3942663A1 EP 3942663 A1 EP3942663 A1 EP 3942663A1 EP 20720002 A EP20720002 A EP 20720002A EP 3942663 A1 EP3942663 A1 EP 3942663A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
characteristic
electrical
switching element
circuit breaker
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20720002.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Labs
Christian Strobl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ellenberger and Poensgen GmbH
Original Assignee
Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ellenberger and Poensgen GmbH filed Critical Ellenberger and Poensgen GmbH
Publication of EP3942663A1 publication Critical patent/EP3942663A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/093—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means

Definitions

  • the invention relates to a circuit breaker with a main current path which has a controllable first switching element with a first control input.
  • the first control input is led to a controllable second switching element of a control circuit and is thus operated by means of this.
  • Telecommunication systems or data center systems are usually connected to an electrical supply network.
  • An alternating voltage the frequency of which is 50 Hz or 60 Hz, is usually provided by means of the supply network. Since the functional components of the system are mostly operated using direct voltage, a rectifier of the system is connected to the electrical supply network. By means of this, the AC voltage is converted into a DC voltage, which can be between 10 V and several 100 V, and which is fed into a DC circuit. The other components of the system are in electrical contact with the direct current circuit and are thus supplied with current.
  • circuit breakers are usually used, which have a switching element that is operated depending on the presence of the malfunction, such as an excessive electrical current.
  • the switching element is formed, for example, by means of a bimetal strip, by means of which the electrical current is carried.
  • the bimetal strip can be supplemented with a coil arrangement.
  • This thermal-magnetic circuit breaker can react faster to short overcurrent events compared to the purely thermal principle.
  • large tolerances can occur, which make it more difficult to meet the protection requirements of the direct current circuit (DC network) with possibly very high short current peaks in nominal operation and with limited continuous short-circuit power and the required quickest possible shutdown in the event of a fault.
  • the switching element is designed independently of the determination of the fault.
  • the switching element is, for example, a fail-safe switch or a relay.
  • These are actuated by means of a control circuit which usually has a microprocessor and a current sensor.
  • the electrical current conducted by means of the switching element is detected by means of the current sensor.
  • the current sensor is coupled to the microprocessor for signaling purposes, so that the microprocessor has knowledge of the value of the current flowing electrical current. This is used to evaluate this, and depending on the evaluation, the switching element is actuated by the microprocessor.
  • By means of programming and / or selection of the microprocessor it is thus possible to implement different switching characteristics of the circuit breaker. Therefore it is possible borrowed to use the circuit breaker in different applications, only the microprocessor has to be programmed accordingly. Due to the microprocessor, however, manufacturing costs and susceptibility to interference are increased.
  • the invention is based on the object of specifying a particularly suitable circuit breaker, with manufacturing costs advantageously being reduced, and with an adaptation to different applications being expediently increased.
  • the circuit breaker is used to protect a component, such as a line or another component, for example a load unit or a load.
  • a certain electrical current is normally carried by means of the circuit breaker.
  • the circuit breaker is triggered, so that the flow of the electrical current (current flow) is interrupted.
  • the electrical current normally carried by the circuit breaker is greater than 0.5 A, 1 A, 5 A, 10 A, 20 A or 50 A. In particular, the maximum normally carried electrical current is less than 200 A, 150 A or 100 A.
  • a direct current is particularly preferably carried by means of the circuit breaker.
  • the circuit breaker is suitable for this purpose, in particular provided and directed. If the electrical current is interrupted, an electrical voltage that is greater than 12 V, 48 V, 100 V or 200 V is applied to the protective switch in particular. For example, the electrical voltage is less than 2,000 V,
  • the circuit breaker is a high-voltage circuit breaker.
  • the circuit breaker is used in a motor vehicle and is therefore a component of the motor vehicle.
  • the force vehicle has a high-voltage energy store that is electrically connected to a drive, such as an electric motor.
  • the circuit breaker in the assembled state is brought into a line between the high-voltage energy store and the drive, which is preferably part of a high-voltage on-board network.
  • the circuit breaker is suitable for this purpose, in particular provided and directed.
  • the circuit breaker is used, for example, in a charging station for an electric vehicle.
  • the circuit breaker is used to secure a telecommunications system, for example a mobile radio system, or in a data center system.
  • the circuit breaker is introduced into a direct current circuit (DC network), for example, which is fed by means of a rectifier of the respective system.
  • DC network direct current circuit
  • the rectifier in particular an alternating voltage provided by means of an electrical supply network is transformed into a direct voltage, the alternating voltage in particular having a frequency of 50 Hz or 60 Hz.
  • a direct voltage of between 10 V and several 100 V is expediently present in the direct current circuit.
  • the applied electrical (direct) voltage is between 10 V and 500 V, between 50 V and 200 V or between 100 V and 150 V.
  • the circuit breaker is used to protect the direct current circuit or a component of the respective system that is controlled by the DC circuit is fed.
  • the circuit breaker has a main current path with a controllable first switching element.
  • the electrical current is carried by means of the main current path.
  • the switching element is arranged within the main current path in such a way that the electrical current flowing through the main current path can be interrupted by means of the first switching element.
  • the first switching element expediently has two working contacts that are part of the main current path.
  • the first switching element is designed to be controllable and has a first control input. The first control input is not part of the main current path. Depending on an (electrical) level applied to the first control input, the first control element is actuated and thus the main current path is interrupted. The first switching element is connected accordingly.
  • the first switching element is a semiconductor switch, such as a power semiconductor switch.
  • the first switching element is preferably a field effect transistor, such as a MOSFET.
  • the first switching element thus has a drain and a source input as working contacts, which are part of the main current path.
  • the gate input forms the first control input or is part of it.
  • the first switching element is formed by means of a relay.
  • the two working contacts can be mechanically spaced from one another by means of an armature and / or mechanically placed directly against one another.
  • the working contacts are mechanically preloaded, for example by means of a spring, so that the spring force is actuated by means of the armature with a corresponding movement.
  • the armature is in particular a component of a relay drive, which has an electrical coil, by means of which a corre sponding force is exerted on the armature when the current is supplied accordingly.
  • one of the connections of the coils is the first control input or at least electrically contacted with it.
  • the first switching element has an interconnection of a relay and a semiconductor switch.
  • the semiconductor switch is connected in parallel with the relay.
  • the interconnection is preferably such that when the relay is opened, the electric current commutates to the semiconductor, so that an arc is prevented from forming in the relay. Following this, the semiconductor switch in particular is actuated and the electrical current is thus interrupted.
  • the circuit breaker also has a controllable second switching element, the first control input of the first switching element against the second switching element ment.
  • the second switching element is, for example, a relay, a semi-conductor switch or a combination thereof.
  • a control current is switched by means of the second switching element and in this way a certain electrical level is applied to the first control input.
  • the second switching element in particular also has two working contacts, which is formed therefrom for example by means of a relay or a semiconductor switch or a combination.
  • one of the working contacts of the second switching element is in solid electrical contact with the first control input of the first switching element. It is thus possible to apply a reference potential to the first control input by means of the second switching element.
  • the second switching element is also designed to be controllable, so that it is actuated as a function of certain conditions.
  • the second switching element preferably has a second control input for this purpose.
  • the first switching element is thus actuated by means of the second switching element, and when the second switching element is actuated, in particular the first switching element is actuated. It is possible here to design the first switching element in such a way that it is actuated at a comparatively low level applied to the first control input. It is therefore not necessary to switch comparatively large electrical currents and / or electrical voltages by means of the second switching element, so that comparatively inexpensive components can be used for this.
  • the electrical voltage switched by means of the second switching element is less than 30 V or 20 V. In contrast, an electrical voltage between 100 V and 1,000 V is expediently switched by means of the first switching element.
  • the second switching element is part of a control circuit, which further comprises a current sensor that is coupled to the main current path.
  • a current sensor that is coupled to the main current path.
  • the current sensor is introduced into the main current path or at least in operative connection with it. It is thus possible to use the current sensor to detect the electrical current carried by means of the main current path.
  • the current sensor itself has two outputs, with the electrical voltage between the outputs of the current sensor being applied during operation. is dependent on the electrical current carried by means of the main current path.
  • the current sensor is designed to be suitable for this.
  • there is a functional connection between the electrical current and the electrical voltage the function preferably being continuous and / or differentiable.
  • the electrical voltage applied between the outputs is essentially proportional to the electrical current carried by means of the main current path.
  • an electrical voltage of 2 V corresponds to a conducted electrical current between 10 A and 100 A.
  • only comparatively low electrical voltages and / or comparatively low electrical currents are present in the control circuit, in particular below 1 A, 0.5 A, 0.1 or 0.01 A. It is therefore possible to use comparatively inexpensive components for the control circuit, which further reduces the production costs of the circuit breaker.
  • the control circuit comprises a microcontroller-free characteristic circuit.
  • the characteristic circuit does not have a microcontroller and / or microprocessor.
  • the characteristic circuit is preferably constructed in an analog manner and thus does not include any digital components, in particular no electronic components.
  • the complete control circuit is preferably constructed without a microcontroller and / or analog. In other words, the complete control circuit has no digital components and / or electronic components. At least, however, the control circuit does not include a microprocessor / microcontroller and is therefore free of microprocessors / microcontrollers.
  • the control circuit comprises a comparator and a Schmitt trigger.
  • the complete circuit breaker preferably has an analog structure and thus has no digital / electronic components or at least no microprocesses
  • the circuit breaker is microprocessor-free / microcontroller-free.
  • the characteristic circuit has two inputs, each of the outputs of the current sensor being led to a respective input of the characteristic circuit. During operation, the electrical voltage provided by means of the current sensor is thus present at the inputs of the characteristic circuit. Consequently, using the Current sensor provided the electrical voltage for the characteristic circuit.
  • the characteristic circuit has two further outputs, between which a further electrical voltage is applied during operation.
  • the other electrical voltage is functionally related to the electrical voltage. There is preferably a functional relationship between the further electrical voltage and the time profile of the electrical voltage. The functional relationship expediently corresponds to a specific characteristic curve or at least corresponds to this.
  • the additional electrical voltage is only different from an open-circuit voltage level corresponding to the rated current if the electrical voltage exceeds a certain limit value or changes by more than one further limit value within a certain time window, for example increases.
  • a specific characteristic curve or at least a switching point is thus specified by means of the characteristic circuit, so that the further electrical voltage applied between the further outputs is dependent on the specific characteristic curve.
  • a time window is expediently assigned to each jump height (change) in the electrical current, the pairs formed in this way in particular each defining a switching point of the circuit breaker.
  • a number of such switching points are expediently defined by means of the characteristic line circuit, i.e. two switching points, three switching points or more switching points.
  • the second switching element is actuated depending on the further electrical voltage applied between the further outputs of the characteristic circuit.
  • the second switching element is thus actuated when the electrical voltage that is applied to the inputs of the characteristic curve circuit is a certain one Conditions met. However, this electrical voltage is dependent on the electrical current carried by means of the main current path.
  • the second switching element is thus actuated when the electrical current which is carried by means of the main current path meets a certain condition.
  • the second switching element is preferably actuated when a switching point is reached due to a change in the electrical current, i.e.
  • the first switching element When the second switching element is actuated, the first switching element is actuated so that, in summary, this is actuated as a function of the electrical current carried by means of the main current path.
  • the characteristic circuit in particular two conditions or more conditions are defined which the time profile of the electrical current and therefore also the profile of the electrical voltage must have so that the second switching element is actuated.
  • the characteristic circuit is also designed without a microcontroller, it is comparatively insensitive and therefore robust. As a result, reliability and safety are increased.
  • the tripping characteristic is also set by means of the characteristic circuit, which can be manufactured with comparative precision and which therefore has comparatively low manufacturing tolerances. As a result, a calibration of each circuit breaker after its manufacture or during operation is not required, which reduces manufacturing and operating costs.
  • one of the outputs of the current sensor and / or one of the inputs of the characteristic circuit is electrically connected to ground and is therefore at the electrical potential of ground.
  • one of the further outputs of the characteristic curve circuit is, for example, led electrically towards ground and thus at the electrical potential of ground. As a result, an interconnection of the circuit breaker is simplified.
  • the circuit breaker particularly preferably has a comparator circuit which in particular comprises a comparator.
  • the Kompara gate circuit is also built analog and has a cut trigger.
  • the comparator circuit has two inputs which are connected to the other outputs of the characteristic curve circuit. In particular, these are electrically connected directly to one another, so that the further electrical voltage is applied to the inputs of the comparator circuit during operation.
  • the comparator circuit has a reference input which is expediently led to an electrical reference potential.
  • the reference potential in particular a certain constant electrical voltage with respect to a further electrical potential is provided, this electrical potential also being applied, for example, to the comparator circuit.
  • the electrical potential of one of the further outputs of the characteristic circuit is used as the further electrical potential.
  • the comparator circuit has an output which is fed to the possibly second control input of the second switching element.
  • there is an electrical level at the output of the comparator circuit if the further electrical voltage present between the further outputs of the characteristic curve circuit satisfies a specific condition with regard to the reference potential.
  • the electrical potential which is applied to one of the inputs of the comparator circuit is compared with respect to the electrical potential which is applied to the reference input, that is to say preferably the reference potential.
  • the other input of the comparator circuit is electrically connected to ground.
  • the second switching element is actuated.
  • the outputs of the current sensor are particularly preferably galvanically separated from the main current path.
  • the complete control circuit is preferably galvanically separated from the main current path, which increases safety and the protection of the system and / or people.
  • the current sensor comprises a Hall sensor or is formed by means of it. By means of the Hall sensor, a magnetic field surrounding the main current path is recorded during operation, which is caused by the electrical current carried by it.
  • the current sensor is, for example, a magnetoresistive sensor or comprises this. During operation, the magnetoresistive sensor is also used to detect the magnetic field surrounding the main current path, which is caused by the electric current.
  • the current sensor is spaced from the main current path, which facilitates galvanic isolation.
  • the current sensor includes, for example, a shunt, that is to say expediently a measuring resistor, which is introduced into the main current path.
  • the current sensor is at least partially also a component of the main current path.
  • the current sensor preferably comprises a galvanic separation of the shunt from the output gen, so that the galvanic isolation is also implemented in this way. Alternatively, this is not available, which reduces manufacturing costs.
  • one of the inputs of the characteristic circuit is routed to one of the further outputs of the characteristic circuit by means of a triggering path.
  • the trigger path is present between this input of the characteristic circuit and the further output of the characteristic circuit, and this input of the characteristic circuit is connected to the further output of the characteristic circuit by means of the release path.
  • the remaining input of the characteristic circuit hereinafter referred to in particular as “remaining input”
  • the remaining further output of the characteristic circuit hereinafter especially further referred to as “remaining further output”
  • the remaining input of the characteristic circuit is led directly to the remaining further output of the characteristic circuit and is thus in direct electrical contact with it.
  • the electrical potential applied to the remaining input of the characteristic circuit is equal to the electrical potential applied to the other remaining output of the characteristic circuit, and these are preferably mechanically provided by means of the same connection.
  • the remaining input of the characteristic circuit and the remaining further output of the characteristic circuit are preferably connected to ground.
  • the trigger path expediently has a first resistance.
  • the input of the characteristic circuit is connected to the white direct output of the characteristic circuit by means of the first resistor.
  • additional electrical components are arranged between the first resistor and the input or output.
  • the first resistance is against the remaining further one by means of a first capacitance Output and thus also against the remaining input of the characteristic circuit.
  • the first capacitance is particularly preferably a capacitor.
  • the electrical voltage applied to the two inputs of the characteristic curve circuit When the electrical voltage is applied to the two inputs of the characteristic curve circuit, a current flow results via the first resistor, by means of which the first capacitance is charged.
  • the duration of the charging is set by means of the first resistor.
  • the electrical voltage applied to the first capacitance is in particular the additional electrical voltage applied to the wider outputs of the characteristic circuit.
  • the course of the electrical voltage that is present at the inputs of the characteristic curve circuit differs from the course of the further electrical voltage that is present at the further outputs of the characteristic curve circuit.
  • the further electrical voltage depends on the choice of the first resistor and the choice of the first capacitance and on the applied electrical voltage. If this has a comparatively rapid fluctuation, ie in particular voltage peaks, this is smoothed by means of the first resistor and the first capacitance. In other words, the first resistor and the first capacitance act as a low pass. As a result, there is in particular no actuation of the second switching element and thus no triggering of the circuit breaker. It is therefore possible, by means of a suitable choice of the first resistance and the first capacitance, to at least partially show the behavior of a thermal
  • a characteristic branch is connected in parallel to the first capacitance, which has a series connection of a capacitance and a resistor.
  • the capacitance is expediently gebil det by means of a capacitor.
  • the capacity is on the side of the first resistance or on the side of the remaining further output / input in relation to borrowed the associated resistance.
  • the characteristic branch is formed by means of the series connection.
  • a further condition for the further electrical voltage is also specified by means of the characteristic branch.
  • a low pass is formed by means of the characteristic branch and / or a low pass forms the characteristic branch. The low pass is preferably linear.
  • the characteristic branch it is possible to change the already existing characteristic by adding a further switching point, the switching point defining in particular a certain temporal increase in the applied electrical voltage, and thus the electrical current carried by means of the main current path, within a certain time window .
  • the switching point is realized or exceeded, the second switching element is suitably activated.
  • the further electrical voltage fulfills a certain condition which leads to the switching of the second switching element.
  • the circuit breaker that is to say the characteristic circuit, comprises at least one such further characteristic branch, preferably several further characteristic branches.
  • Each of these characteristic branches is formed in particular by means of the respective capacitance and the respective resistance.
  • the characteristic branches are in particular similar to one another and technically differ only in the dimensioning of the respective components, but not in the arrangement and / or type of the components.
  • the characteristic branches preferably differ, in particular due to the choice of the respective resistance, the capacities, for example, always being the same.
  • the capacitances are always the same and the resistances differ.
  • both the resistances and the capacitances differ between at least two of the characteristic branches.
  • Circuit breaker preferably has 4, 5, 6, 8, 10 or more such characteristic branches.
  • a switching point of the characteristic curve or a complete characteristic curve is determined by means of each of the characteristic branches, that is to say a condition is defined. These correspond to a change in the electrical current carried by means of the main current within a specific time window. If one of these switching points is exceeded, the respective condition is met, which is indicated by the additional electrical voltage. For example, in this case, that is to say when the respective condition is met, the further electrical voltage is greater than a specific limit value, in particular greater than any reference potential. In this case, the second switching element is thus activated.
  • the first resistor on the side of the input of the characteristic line circuit is guided by means of a second resistor to the remaining wide Ren output of the characteristic line circuit.
  • the second resistor is thus also connected to the remaining input of the characteristic circuit.
  • the second resistor preferably has a comparatively large value, so that it is comparatively high-resistance.
  • the resistance value of the second resistor is, for example, greater than 20 kOhm, 50 kOhm, 10 kOhm.
  • the further electrical voltage is therefore essentially not influenced by the second resistor.
  • the circuit breaker is switched to a safe state after it has been triggered, and there is no longer any electrical voltage on the individual components.
  • the triggering path has a third resistor which is connected in parallel to the first capacitance. So the third resistance is also electrically connected to the two other outputs of the characteristic circuit.
  • the first capacitance is always discharged by means of the third resistor, so that in this way any voltage peaks in the electrical voltage are cushioned, which is why a thermal behavior of the circuit breaker can be mimicked. Excessive charging of the first capacitance is also avoided, which is why it always has its mode of operation.
  • the switching point or the characteristic that is provided by means of the trigger path is thus further adapted by means of the third resistor.
  • the tripping path preferably comprises a diode which is arranged between the first resistor and the input of the characteristic curve circuit.
  • a current flow from the input of the characteristic curve circuit to the first resistor is possible here, but not vice versa.
  • a diode is connected between the further output of the characteristic circuit and the first resistor and therefore also between the first capacitance and the further output of the characteristic circuit.
  • an electrical current flow from the first resistance to the further output of the characteristic curve is possible.
  • the two diodes are particularly preferably present so that current can flow through the first resistor. Because of the two diodes, the mode of operation of the tripping path is improved, and it is ensured that the first capacitance is always discharged on the side of the other outputs of the characteristic curve circuit.
  • an additional resistor is connected between the wider output of the characteristic circuit and the first resistor and therefore also between the first capacitance and the further output of the characteristic circuit.
  • the characteristic curve circuit comprises at least one further triggering path or more further triggering paths, for example 2, 3, 4, 5 or 10 further triggering paths.
  • the other trigger paths are parallel to the trigger path. switches and thus led to one input of the characteristic circuit and the other output of the characteristic circuit.
  • All trigger paths are preferably constructed in the same way with respect to one another and thus have in particular the same number and / or types of components. Their respective interconnection does not differ either.
  • at least one of the components of the trigger path differs due to the dimensioning / the respective value.
  • the first, second and / or third resistance are different at least between two of the triggering paths. It is thus possible, by means of the characteristic circuit, to provide a comparatively complex characteristic, on the basis of which the circuit breaker is triggered.
  • the values for the first resistance, the first capacitance and the further capacitances / resistances are determined, for example, by means of a heuristic method and / or an iterative method, in particular if several such trigger paths / characteristic branches are present.
  • a component is referred to as a first, second, third,... Component, it is in particular only to be understood as a specific component. In particular, this does not mean that a specific number of such components is present. In particular, it does not imply that the second resistor is present if the third resistor is present.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a circuit breaker with a characteristic scarf device
  • Fig. 2 simplifies a circuit diagram of an embodiment of the characteristic circuit
  • FIG. 4 a further embodiment of the characteristic curve device. Corresponding parts are given the same reference characters in all figures.
  • a direct current system 2 with two converters 4, which are connected to one another by means of a direct current circuit 6, is shown in a schematically simplified manner.
  • a load 8 is energized.
  • the direct current system 2 is part of a charging station for electromobility, so that the load 8 represents a motor vehicle or the like.
  • the direct current system 2 is, for example, a component of a telecommunications or data center system, and the load 8 is formed by means of a mobile radio system (station) or some other component.
  • One of the converters 4 is designed as a rectifier and is connected to a supply network 10 which, for example, carries an (electrical) direct voltage or an (electrical) alternating voltage.
  • the supply network 10 is provided by means of a battery or some other energy storage device.
  • the direct current circuit 6 has two current paths 12, by means of which electrical energy can be transferred between the two converters 4 during operation.
  • a protective switch 14 is introduced into one of the current paths 12, which thus at least partially forms one of the current paths 12.
  • the circuit breaker 14 has a main current path 16 which is connected to further components of the associated current path 12 by means of connections not shown in detail. In other words, the main current path 16 at least partially forms the current path 12.
  • the circuit breaker 14 has a first switching element 18 with two working contacts 20, with an electrical resistance being able to be set between these.
  • the first switching element 18 has a first control input 22, by means of which the electrical resistance between the two working contacts 20 is set. The first switching element 18 is thus designed to be controllable.
  • the first switching element 18 is formed by means of a semiconductor switch, for example a power semiconductor switch.
  • the electrical resistance between the two is established Working contacts 20 set, which are provided in particular by means of “Drain” and “Source” be.
  • the first switching element 18 is formed by means of a relay, and the working contacts 20 are mounted movably relative to one another, so that the electrical resistance is increased by spacing them apart.
  • At least one of the working contacts 20 is in operative connection with an armature not shown in detail, the position of the two Ulskon clocks 20 is set to each other by means of the armature.
  • the armature is made, for example, of a magnetic or ferromagnetic material and is driven by means of a coil of a relay drive, not shown in closer. If a certain electrical voltage is applied to the first control input 22, the coil is energized.
  • the circuit breaker 14 also includes a control circuit 24, by means of which the first switching element 18 is controlled. In other words, the control circuit 24 is led to the first control input 22 of the first switching element 18.
  • the control circuit 24 has a current sensor 26 which includes a Hall sensor 28.
  • the Hall sensor 28 surrounds the main current path 16 on the circumferential side, so that a magnetic field can be detected by means of it, which is caused by an electrical current carried by the main current path 16, which is normally 30 A (rated current, "i ne nn").
  • the Hall sensor 28 is mechanically spaced from the main current path 16 and operated by means of an evaluation circuit 30 of the current sensor 26, that is, energized.
  • the evaluation circuit 30 is electrically connected to a DC voltage source 32, by means of which an electrical direct voltage of 24 V is provided compared to ground 34, the evaluation circuit 30 also being electrically connected to ground 34.
  • the electrical DC voltage to ground 34 is between 1 V and 50 V, between 10 V and 30 V and is, for example, 12 V.
  • the current sensor 26, namely the evaluation circuit 30, has two outputs 36 from which one is also led against mass. In other words, ground 34 is always present at this output 36 as an electrical potential.
  • the electrical voltage 38 (FIG.
  • a magnetoresistive sensor is used instead of the Hall sensor 28.
  • the outputs 36 of the current sensor 26 are galvanically isolated from the main current path 16 due to the design.
  • a shunt is used which is introduced into the main current path 16. In this case, the outputs 36 are electrically isolated from the main current path 16 by means of a corresponding adaptation of the evaluation circuit 30.
  • the control circuit 24 also has a characteristic circuit 40 which comprises two inputs 42 and two further outputs 44.
  • One of the inputs 42 and one of the outputs 44 are formed by means of the same physical connection and are routed to ground 34.
  • This input 42 of the characteristic circuit 40 is thus also electrically contacted with one of the outputs 36 of the current sensor 26.
  • the other input 42 of the characteristic circuit 40 is electrically contacted with the other output 36 of the current sensor 26.
  • the other output 44 of the characteristic circuit 40 is routed to one of a total of two inputs 46 of a comparator circuit 48 which includes a comparator not shown in detail.
  • the other input 46 of the comparator circuit 48 is connected to ground 34.
  • the comparator circuit 48 has a reference input 50, which is connected to the DC voltage source 32 leads is.
  • the electrical potential provided by means of the DC voltage source 32 is thus applied as a reference potential to the reference input 50 with respect to ground 34, namely 24 V.
  • the comparator circuit 48 also includes an output 52, with a level only being applied to this when the voltage between the inputs 46 the electrical voltage applied to the comparator circuit 48 is greater than the electrical voltage between the reference input 50 and mass 34.
  • the reference potential is adapted in particular by means of the comparator circuit 48.
  • the output 52 of the comparator circuit 48 is fed to a second Steuerein input 54 of a controllable second switching element 56, which is connected between the first control input 22 and the DC voltage source 32.
  • the second switching element 56 is provided by means of a semiconductor switch, namely a MOSFET.
  • the second switching element 56 thus likewise has two working contacts 20, one of which is formed by means of “drain” and the other by means of “source”. By means of the working contacts 20 it is possible to apply the first control input 22 to the electrical potential provided by means of the DC voltage source 32.
  • the setting of the working contacts 20 of the second switching element 56 takes place here of the second control input 54, which is formed by means of “Ga te”.
  • the second switching element 56 is therefore actuated as a function of a further electrical voltage 58 (FIG. 2) present between the further outputs 44 of the characteristic circuit 40.
  • the further outputs 44 of the characteristic circuit 40 are connected to the inputs 50 of the comparator circuit 48, the output 52 of which is fed to the second control input 54.
  • the output 52 only has a level when the further electrical voltage 58 is greater than the electrical voltage provided by means of the DC voltage source 32, which thus forms a reference potential.
  • the characteristic circuit 40 and the other components of the control circuit 24 are created by means of analog components, and by means of the microcontroller-free characteristic circuit 40 there is a functional relationship between the further electrical voltage 58 that is applied to the outputs 42 of the characteristic circuit 40.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the characteristic circuit 40 with the two inputs 42, between which the electrical voltage 38 is applied during operation. Between the further outputs 44 of the characteristic curve device 40, the further electrical voltage 58 is present during operation. One of the inputs 42 of the characteristic circuit 40 is routed to one of the further outputs 44 of the characteristic circuit 40 by means of a trigger path 60. The remaining input 42 and the remaining output 44 of the characteristic circuit 40 are electrically connected to ground 34 and thus contacted directly with one another.
  • the trigger path 60 has a first resistor 62 which is connected between the input 42 of the characteristic circuit 40 and the further output 44 of the characteristic circuit 40, and thus connects them to one another.
  • the value of the first resistor 62 is 1 kOhm.
  • the first resistor 62 is led to the remaining further output 44 and thus to ground 34 by means of a first capacitance 64.
  • the first capacitance 64 is formed by means of a capacitor and has a value of 3.16 pF.
  • the first resistor 62 is connected to the remaining further output 44 of the characteristic circuit 40 and thus also to ground 34 by means of a second resistor 66.
  • the value of the second resistor 66 is here 51 kOhm.
  • a plurality of characteristic branches 68 are connected in parallel with the first capacitance 64, two of which are shown here.
  • the two further outputs 44 in the characteristic circuit 40 are electrically connected to one another by means of the characteristic branches 68.
  • Each characteristic branch 68 is formed by means of a series circuit from a capacitance 70 and a resistor 72, the capacitance 70 in this example on the side of the first resistor 62 with respect to each other of the respective resistor 72 is located.
  • the characteristic branches 68 are thus constructed in the same way, the value of the capacitance 70 in one of the characteristic branches 68 being equal to 3.16 pF, and the value of the resistor 72 of the same characteristic branch 68 being equal to 1.049 kOhm.
  • the value of the capacitance 70 in a further of the characteristic branches 68 is equal to 4.64 pF, and the value of the resistor 72 of this characteristic branch 68 is equal to 4.319 kOhm.
  • the value of the capacitance 70 in another of the characteristic branches 68 is equal to 8.25 pF, and the value of the resistor 72 of this characteristic branch 68 is equal to 475.4 ohms.
  • the first capacitance 64 is charged during operation, the further electrical voltage 58 being set at the first capacitance 64. If the electrical voltage 38 has fluctuations, these are partially smoothed due to the first resistor 72, which acts as a low-pass filter, as well as the first capacitance 64 and the characteristic branches 68. If there is a comparatively large change in the electrical voltage 38 within a specific time window, the first capacitor 64 and the capacitors 70 can be charged comparatively quickly, so that the further electrical voltage 58 also changes.
  • the triggering path 60 acts as a low pass of the nth order, where n is the number of characteristic branches 68 plus “1”. So n is equal to the number of capacitances 64, 70 of the triggering path 60, and a transfer function is formed by means of this.
  • the electrical voltage applied to the inputs 64 of the comparator circuit 48 changes, which voltage is thus greater than the electrical voltage formed between the reference input 50 and the ground 34.
  • the second switching element 56 is activated and thus the first switching element 18 is opened, so that the electrical current flow via the main current path 16 is interrupted.
  • the selection of the individual values for the electrical components of the characteristic curve circuit 40 ensures that given certain changes in the electrical voltage 38 that lead to changes in the electrical current through the main Current path 16 correspond, triggering of the first switching element 18 also takes place within a specific time window.
  • a characteristic curve 73 provided by means of the characteristic circuit 40 is shown, the tripping time of the circuit breaker 14 in milliseconds against the tripping current, i.e. the electrical current carried by the main current path 16 as a multiple of the rated current, in this case 30 A, is plotted .
  • the comparator circuit 48 ensures that tripping only occurs from a constant 1.8 times the rated current. A suitable adaptation of the reference potential takes place for this.
  • a first switching point 73a, a second switching point 73b, a third switching point 73c and a fourth switching point 73d result from the first capacitance 64 and the first resistor 62 as well as from the three characteristic branches 68.
  • the first switching point 73a corresponds to the increase in the electric current carried by the main current path 16 to over twice the nominal current in 50 ms
  • the second switching point 73b corresponds to the increase in the electric current carried by the main current path 16 to over three times the nominal current in 15 ms
  • the third switching point 73c corresponds to the increase in the electrical current carried by the main current path 16 to over five times the rated current in 5 ms
  • the fourth switching point 73d corresponds to the increase in the electrical current carried by the main current path 16 to over ten times the rated current in FIG ms.
  • FIG. 4 a further embodiment of the characteristic circuit 40 is shown, the triggering path 60 also being present here between one of the inputs 42 and one of the further outputs 44.
  • the remaining input 42 of the characteristic circuit 40 as well as the remaining further output 44 of the characteristic circuit 40 is in turn connected to ground 34.
  • the first resistor 62 and first capacitance 64 are present.
  • the first capacitance 64 is bridged by means of a third resistor 74, which is thus connected in parallel to the first capacitance 64.
  • the trigger path 60 has two diodes 76, the first resistor 62 being located between the two diodes 76.
  • an electrical parallel connection of the two diodes 76 and the first resistor 62 is formed between the input 42 of the characteristic circuit 40 and the further output 44 of the characteristic circuit 40.
  • One of the diodes 76 is thus connected between the first resistor 62 and the input 42 of the characteristic circuit 40 and the remaining diode 76 between the further output 44 of the characteristic circuit 40 and both the first resistor 62 and the first capacitance 64.
  • a current flow from the input 42 of the characteristic circuit 40 to the further output 44 of the characteristic circuit 40 is possible due to the diodes 76, but not vice versa.
  • a further trigger path 78 is electrically connected in parallel, which is similar to the trigger path 60 and thus also the diodes 76, the first resistor 62 and the first capacitance 64 and the third resistor 74 had. Their interconnection is also the same. However, the values of the first resistor 62, the third resistor 74 and the first capacitance 64 differ. The diodes 76 are always the same or different. In a further alternative, several such further triggering paths 78 are present, the values of the first and third resistors 62, 74 and of the first capacitance 64 differing.
  • the circuit breaker 14 serves to protect the direct current system 2 or a direct current intermediate circuit, which is, for example, a direct current high-voltage system with limited continuous short-circuit power. This is the case in particular because of the converter 4.
  • the direct current system 2 is, for example, a component of a motor vehicle, in particular an electric vehicle, a charging station, a telecommunications or data center infrastructure.
  • the first switching element 18 is, for example, a remotely triggered switching element, such as a mechanical relay, a semiconductor relay, a hybrid relay or a semiconductor switch.
  • the electrical current carried by means of the main current path 16 is detected by means of the current sensor 26, which has galvanic separation and by means of which the electrical current of the main current path 16 is mapped to the electrical voltage 38 in an approximately linear manner.
  • the sensor 26 is designed in such a way that it can detect / measure, in particular, several times the nominal current of the direct current system 2 for several milliseconds without damage occurring. It is also possible to measure any current peaks.
  • the evaluation circuit 30 of the Stromsen sensor 26 for example, a scaling and / or removal of any offset occurs.
  • a predetermined current / time characteristic is mapped by purely analog components by means of the characteristic circuit 40.
  • Characteristic circuit 40 is an analog circuit and is created using only passive components.
  • a parallel arrangement of serial RC combinations that is to say the characteristic branches 68, is present.
  • a series resistor namely the first resistor 62
  • a discharge resistor namely the second resistor 76
  • a characteristic point that is to say a switching point at which the first switching element 18 is actuated when exceeded, is provided by means of the first resistor 62 and the first capacitance 64. The other points of the characteristic curve are set by means of the characteristic branches 68. After the first switching element 18 has been switched off, the capacitances 64, 70 are discharged by means of the second resistor 66, which has a high resistance.
  • one of the first capacitances 64 is charged via the respective first resistor 62 at each characteristic point, ie per switching point.
  • Each first capacitance 64 is discharged via the associated third resistor 74. It is thus a two-port T arrangement.
  • the tripping paths 60, 78 are decoupled by means of the diodes 76.
  • the second switching element 46 is actuated, i.e. the triggering circuit 24 is triggered.
  • the second switching element 56 is designed as a semiconductor switch, so that a reaction time is reduced. As a result, the first switching element 18 is actuated, where there is only a comparatively small time delay.
  • the circuit breaker 14 comprises a further sensor system, by means of which other types of faults in the direct current system 2, for example arcing faults, can be detected.
  • the further sensor system is in particular also directed towards the first control input 22, so that the first switching element 18 can also be triggered by means of the sensor system.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived from this by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all of the individual features described in connection with the individual exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways without departing from the subject matter of the invention.

Landscapes

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  • Breakers (AREA)
  • Keying Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter (14) mit einem Hauptstrompfad (16), der ein steuerbares erstes Schaltelement (18) mit einem ersten Steuereingang (22) aufweist, der gegen ein steuerbares zweites Schaltelement (56) einer Ansteuerschaltung (24) geführt ist. Die Ansteuerschaltung (24) weist einen mit dem Hauptstrompfad (16) gekoppelten Stromsensor (26) mit zwei Ausgängen (36) auf, wobei eine zwischen den Ausgängen (36) anliegende elektrische Spannung (38) abhängig von einem mittels des Hauptstrompfads (16) geführten elektrischen Stroms ist. Jeder der Ausgänge (36) ist gegen jeweils einen Eingang (42) einer microcontrollerfreien Kennlinienschaltung (40) mit zwei weiteren Ausgängen (44) geführt, und das zweite Schaltelement (56) ist in Abhängigkeit einer zwischen den weiteren Ausgängen (44) anliegenden weiteren elektrischen Spannung (58) betätigt, wobei ein funktioneller Zusammenhang zwischen der weiteren elektrischen Spannung (58) und der elektrischen Spannung (38) vorhanden ist.

Description

Beschreibung
Schutzschalter
Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter mit einem Hauptstrompfad, der ein steuerbares erstes Schaltelement mit einem ersten Steuereingang aufweist. Der erste Steuereingang ist gegen ein steuerbares zweites Schaltelement einer An steuerschaltung geführt und somit mittels dieser betätigt.
Telekommunikation-Anlagen oder Datencenter-Anlagen sind üblicherweise an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossen. Mittels des Versorgungsnetzes wird meist eine Wechselspannung bereitgestellt, deren Frequenz 50 Hz oder 60 Hz beträgt. Da die funktionellen Komponenten der Anlage meist mittels Gleichspan nung betrieben sind, ist an das elektrische Versorgungsnetz ein Gleichrichter der Anlage angeschlossen. Mittels dessen wird die Wechselspannung in eine Gleich spannung gewandelt, die zwischen 10 V und mehreren 100 V betragen kann, und die in einen Gleichstromkreis eingespeist wird. Mit dem Gleichstromkreis sind die weiteren Komponenten der Anlage elektrisch kontaktiert und werden somit über diesen bestromt.
Bei einer Fehlfunktion des Gleichrichters oder einer der Komponenten ist es mög lich, dass ein übermäßiger elektrischer Strom auftritt, der die weiteren Komponen ten oder sonstigen Bestandteile der Infrastruktur im Gleichstromkreis zerstören kann. Um dies zu vermeiden ist es erforderlich, den Gleichstromkreis und/oder die Verbindung der Komponenten zu dem Gleichstromkreis zu unterbrechen. Hierfür werden üblicherweise Schutzschalter herangezogen, die ein Schaltelement auf weisen, das in Abhängigkeit des Vorliegens des Fehlverhaltens, wie einem über mäßigen elektrischen Strom, betätigt ist. In einer Alternative ist das Schaltelement beispielsweise mittels eines Bimetall- Streifens gebildet, mittels dessen der elektrische Strom geführt wird. Bei einem Fluss eines übermäßigen elektrischen Stroms durch den Bimetall-Streifen erfolgt eine ungleiche Auslängung der Seiten des Streifens, sodass dieser verbogen wird. Infolgedessen löste sich ein Ende des Bimetall-Streifens von einem (Fest-) Kontakt des Schutzschalters und der elektrische Stromfluss wird unterbrochen. Somit sind zu Überwachung des elektrischen Stroms keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, weswegen Materialkosten vergleichsweise gering sind. Jedoch ist die Fertigung des Bimetall-Streifens mit vergleichsweise großen Toleranzen behaftet, sodass bei Montage des Bimetall-Streifens dessen mechanische Vorspannung exakt eingestellt und auf den jeweiligen Schutzschalter angepasst werden muss. Somit sind eine Fierstellungszeit und auch Fierstellungskosten erhöht.
Weiterhin lässt sich der Bimetall-Streifen mit einer Spulenanordnung ergänzen. Dieser dann thermisch-magnetische Schutzschalter kann im Vergleich zum rein thermischen Prinzip schneller auf kurze Überstromereignisse reagieren. Auch hier können jedoch große Toleranzen auftreten, die es erschweren, den Schutzanfor derungen des Gleichstromkreises (DC-Netzes) mit ggf. sehr hohen kurzen Strom spitzen im Nennbetrieb und mit begrenzter Dauerkurzschlussleistung und einer geforderten möglichst schnellen Abschaltung im Fehlerfall zu genügen.
Eine Alternative hierzu sieht vor, dass das Schaltelement unabhängig von der Be stimmung des Fehlerfalls ausgestaltet ist. FHierbei ist das Schaltelement beispiels weise ein Flalbleiterschalter oder ein Relais. Diese werden mittels einer Ansteuer- Schaltung betätigt, die üblicherweise einen Mikroprozessor und einen Stromsensor aufweist. Mittels des Stromsensors wird hierbei der mittels des Schaltelements geführte elektrische Strom erfasst. Der Stromsensor ist mit dem Mikroprozessor signaltechnisch gekoppelt, sodass in dem Mikroprozessor das Wissen um den Wert des aktuell fließenden elektrischen Stroms vorhanden ist. Mittels dessen erfolgt eine Auswertung hiervon, und in Abhängigkeit der Auswertung erfolgt eine Betätigung des Schaltelements durch den Mikroprozessor. Mittels Programmie rung und/oder Auswahl des Mikroprozessors ist es somit möglich, unterschiedli che Schaltcharakteristiken des Schutzschalters zu realisieren. Daher ist es mög- lieh, den Schutzschalter bei unterschiedlichen Anwendungsfällen einzusetzen, wobei lediglich der Mikroprozessor entsprechend programmiert werden muss. Aufgrund des Mikroprozessors sind jedoch Herstellungskosten sowie eine Störan fälligkeit erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Schutz schalter anzugeben, wobei vorteilhafterweise Herstellungskosten verringert sind, und wobei zweckmäßigerweise eine Anpassung an unterschiedliche Anwendun gen erhöht ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge löst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un teransprüche. Der Schutzschalter dient der Absicherung eines Bauteils, wie einer Leitung oder einer sonstigen Komponente, beispielsweise einer Lasteinheit oder einer Last. Hierfür wird mittels des Schutzschalters im Normalfall ein bestimmter elektrischer Strom geführt. Bei einem Fehlverhalten, beispielsweise einem Überstrom, einem Kurzschlussstrom oder einem Fehlerstrom, erfolgt ein Auslösen des Schutzschal- ters, sodass der Fluss des elektrischen Stroms (Stromfluss) unterbrochen wird. Der im Normalfall mittels des Schutzschalters geführte elektrische Strom ist bei spielsweise größer als 0,5 A, 1 A, 5 A, 10 A, 20 A oder 50 A. Insbesondere ist der maximale im Normalfall geführte elektrische Strom geringer als 200 A, 150 A oder 100 A. Besonders bevorzugt wird mittels des Schutzschalters ein Gleichstrom ge- führt. Hierfür ist der Schutzschalter geeignet, insbesondere vorgesehen und ein gerichtet. Falls der elektrische Strom unterbrochen ist, liegt an dem Schutzschal ters insbesondere eine elektrische Spannung an, die größer als 12 V, 48 V, 100 V oder 200 V ist. Beispielsweise ist die elektrische Spannung geringer als 2.000 V,
1.000 V, 900 V oder 800 V. Insbesondere ist der Schutzschalter ein Hochvolt- Schutzschalter.
Zum Beispiel wird der Schutzschalter bei einem Kraftfahrzeug verwendet und ist somit ein Bestandteil des Kraftfahrzeugs. Zweckmäßigerweise weist das Kraft- fahrzeug einen Hochvoltenergiespeicher auf, der mit einem Antrieb, wie einem Elektromotor, elektrisch verbunden ist. Insbesondere ist in eine Leitung zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Antrieb, die vorzugsweise ein Bestandteil eines Hochvoltbordnetzes ist, der Schutzschalters im Montagezustand einge bracht. Hierfür ist der Schutzschalter geeignet, insbesondere vorgesehen und ein gerichtet. In einer Alternative hierzu wird der Schutzschalter beispielsweise bei einer Ladesäule für ein Elektrofahrzeug verwendet.
In einer besonders bevorzugten Alternative dient der Schutzschalter der Absiche rung einer Telekommunikationsanlage, beispielsweise einer Mobilfunkanlage, oder bei einer Datencenteranlage. Hierbei ist der Schutzschalter beispielsweise in einen Gleichstromkreis (DC-Netz) eingebracht, der mittels eines Gleichrichters der jeweiligen Anlage gespeist wird. Mittels des Gleichrichters wird insbesondere eine mittels eines elektrischen Versorgungsnetzes bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung transformiert, wobei die Wechselspannung insbesondere eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz aufweist. In dem Gleichstromkreis liegt zweckmäßigerweise eine Gleichspannung an, die zwischen 10 V und mehreren 100 V beträgt. Beispielsweise ist die anliegende elektrische (Gleich-)Spannung zwischen 10 V und 500 V, zwischen 50 V und 200 V oder zwischen 100 V und 150 V. Vorzugsweise dient der Schutzschalter der Absicherung des Gleichstrom kreis oder einer Komponente der jeweiligen Anlage, die mittels des Gleichstrom kreises gespeist wird.
Der Schutzschalter weist einen Hauptstrom pfad mit einem steuerbaren ersten Schaltelement auf. Im ordnungsgemäßen Betrieb wird mittels des Hauptstrom pfads der elektrische Strom geführt. Das Schaltelement ist innerhalb des Haupt strompfads derart angeordnet, dass mittels des ersten Schaltelements der durch den Hauptstrom pfad fließende elektrische Strom unterbrochen werden kann. So mit wird bei Betätigung des ersten Schaltelements der Hauptstrom pfad unterbro chen. Das erste Schaltelement weist zweckmäßigerweise zwei Arbeitskontakte auf, die ein Bestandteil des Hauptstrom pfads sind. Beim Schalten des ersten Schaltelements wird der elektrische Widerstand zwischen den beiden Arbeitskon takten zweckmäßigerweise erhöht. Das erste Schaltelement ist steuerbar ausgestaltet und weist einen ersten Steuer eingang auf. Der erste Steuereingang ist kein Bestandteil des Hauptstrom pfads. In Abhängigkeit eines an dem ersten Steuereingang anliegenden (elektrischen) Pe gels wird das erste Steuerelement betätigt und somit der Hauptstrom pfad unter brochen. Das erste Schaltelement ist entsprechend verschaltet.
Beispielsweise ist das erste Schaltelement ein Halbleiterschalter, wie ein Leis tungshalbleiterschalter. Vorzugsweise ist das erste Schaltelement ein Feldeffekt transistor, wie ein MOSFET. In diesem Fall weist das erste Schaltelement somit als Arbeitskontakte einen Drain- und einen Source-Eingang auf, die ein Bestand teil des Hauptstrom pfads sind. Der Gate-Eingang bildet den ersten Steuereingang oder ist ein Bestandteil hiervon. Besonders bevorzugt jedoch ist das erste Schalt element mittels eines Relais gebildet. Die beiden Arbeitskontakten können hierbei mechanisch mittels eines Ankers zueinander beabstandet und/oder mechanisch aneinander direkt angelegt werden. Vorzugsweise sind die Arbeitskontakte me chanisch vorgespannt, beispielsweise mittels einer Feder, sodass mittels des An kers die Federkraft bei entsprechender Bewegung betätigt wird. Der Anker ist ins besondere ein Bestandteil eines Relaisantriebs, der eine elektrische Spule auf weist, mittels derer auf den Anker bei entsprechender Bestromung eine entspre chende Kraft ausgeübt wird. Beispielsweise ist einer der Anschlüsse der Spulen der erste Steuereingang oder zumindest elektrisch mit diesem kontaktiert.
Zum Beispiel weist das erste Schaltelement eine Verschaltung aus einem Relais sowie einem Halbleiterschalter auf. Insbesondere ist der Halbleiterschalter parallel zu dem Relais geschaltet. Vorzugsweise ist die Verschaltung derart, dass bei Öff nen des Relais der elektrische Strom auf den Halbleiter kommutiert, sodass eine Ausbildung eines Lichtbogens bei dem Relais unterbunden ist. Im Anschluss hie ran wird insbesondere der Halbleiterschalter betätigt und somit der elektrische Strom unterbrochen.
Der Schutzschalter weist ferner ein steuerbares zweites Schaltelement auf, wobei der erste Steuereingang des ersten Schaltelements gegen das zweite Schaltele- ment geführt ist. Das zweite Schaltelement ist beispielsweise ein Relais, ein Halb leiterschalter oder eine Kombination hieraus. Mittels des zweiten Schaltelements wird insbesondere ein Ansteuerstrom geschaltet und auf diese Weise an dem ers te Steuereingang ein bestimmter elektrischer Pegel angelegt. Das zweite Schalt element weist dabei insbesondere ebenfalls zwei Arbeitskontakten auf, die bei spielsweise mittels eines Relais oder eines Halbleiterschalters oder eine Kombina tion hieraus gebildet ist. Hierbei ist insbesondere einer der Arbeitskontakten des zweiten Schaltelements elektrisch fest mit dem ersten Steuereingang des ersten Schaltelements kontaktiert. Somit ist es möglich, mittels des zweiten Schaltele ments ein Bezugspotential an dem ersten Steuereingang anzulegen.
Das zweite Schaltelement ist hierbei ebenfalls steuerbar ausgestaltet, sodass die ses in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen betätigt ist. Vorzugsweise weist das zweite Schaltelement hierfür einen zweiten Steuereingang auf. Somit ist das erste Schaltelement mittels des zweiten Schaltelements betätigt, und bei einer Betätigung des zweiten Schaltelements wird insbesondere das erste Schaltele ment betätigt. Hierbei ist es möglich, das erste Schaltelement derart auszugestal ten, dass dieses bereits bei einem vergleichsweise geringen an dem ersten Steu ereingang anliegenden Pegels betätigt wird. Somit ist es nicht erforderlich, mittels des zweiten Schaltelements vergleichsweise große elektrische Ströme und/oder elektrische Spannungen zu schalten, sodass hierfür vergleichsweise kostengüns tiges Bauteile herangezogen werden kann. Beispielsweise ist die mittels des zwei ten Schaltelements geschaltete elektrische Spannung geringer als 30 V oder 20 V. Dahingegen wird mittels des ersten Schaltelements zweckmäßigerweise eine elektrische Spannung zwischen 100 V und 1.000 V geschaltet.
Das zweite Schaltelement ist ein Bestandteil einer Ansteuerschaltung, die ferner einen Stromsensor umfasst, der mit dem Hauptstrom pfad gekoppelt ist. Bei spielsweise ist hierfür der Stromsensor in den Hauptstrom pfad eingebracht oder zumindest in Wirkverbindung mit diesem. Somit ist es möglich, mittels des Strom sensors den mittels des Hauptstrom pfads geführten elektrischen Strom zu erfas sen. Der Stromsensor selbst weist zwei Ausgänge auf, wobei bei Betrieb die zwi schen den Ausgängen des Stromsensors anliegende elektrische Spannung ab- hängig von dem mittels des Hauptstrom pfads geführten elektrischen Strom ist.
Der Stromsensor ist hierfür geeignet ausgestaltet. Insbesondere liegt zwischen dem elektrischen Strom der elektrischen Spannung ein funktioneller Zusammen hang vor, wobei die Funktion vorzugsweise stetig und/oder differenzierbar ist. Be sonders bevorzugt ist die zwischen den Ausgängen anliegende elektrische Span nung im Wesentlichen proportional zu dem mittels des Hauptstrom pfads geführten elektrischen Stroms. Zum Beispiel entspricht eine elektrische Spannung von 2 V einem geführten elektrischen Strom zwischen 10 A und 100 A. Somit liegen in der Ansteuerschaltung lediglich vergleichsweise geringe elektrische Spannungen und/oder vergleichsweise geringe elektrische Ströme an, insbesondere unterhalb von 1 A, 0,5 A, 0,1 oder 0,01 A. Somit ist es möglich, vergleichsweise kostengüns tige Bauteile für die Ansteuerschaltung heranzuziehen, was Herstellungskosten des Schutzschalters weiter reduziert.
Die Ansteuerschaltung umfasst eine microcontrollerfreie Kennlinienschaltung. Mit anderen Worten weist die Kennlinienschaltung keinen Mikrokontroller und/oder Mikroprozessor auf. Vorzugsweise ist die Kennlinienschaltung analog aufgebaut und umfasst somit keine digitalen Bauteile, insbesondere keine elektronischen Bauteile. Vorzugsweise ist die vollständige Ansteuerschaltung microcontrollerfreie und/oder analog aufgebaut. Mit anderen Worten weist die vollständige Ansteuer schaltung keine digitalen Bauteile und/oder elektronischen Bauteile auf. Zumin dest jedoch umfasst die Ansteuerschaltung keinen Mikroprozessor/Microcontroller und ist somit frei von Mikroprozessoren/ Microcontrollern. Zum Beispiel umfasst die Ansteuerschaltung einen Komparator und einen Schmitt-Trigger. Vorzugswei se ist der vollständige Schutzschalter analog aufgebaut und weist somit keine digi talen/elektronischen Bauteile oder zumindest keinen Mikroprozes
sor/Microcontroller auf. Mit anderen Worten ist der Schutzschalter mikroprozes sorfrei/m icrocontrollerfrei.
Die Kennlinienschaltung weist zwei Eingänge auf, wobei jeder der Ausgänge des Stromsensors gegen einen jeweiligen Eingang der Kennlinienschaltung geführt ist. Somit liegt bei Betrieb an den Eingängen der Kennlinienschaltung die mittels des Stromsensors bereitgestellte elektrische Spannung an. Folglich wird mittels des Stromsensors die elektrische Spannung für die Kennlinienschaltung bereitgestellt. Die Kennlinienschaltung weist zwei weitere Ausgänge auf, zwischen denen bei Betrieb eine weitere elektrische Spannung anliegt. Die weitere elektrische Span nung steht in funktionellem Zusammenhang mit der elektrischen Spannung. Vor zugsweise ist ein funktioneller Zusammenhang zwischen der weiteren elektrischen Spannung und dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung vorhanden. Der funktionelle Zusammenhang entspricht zweckmäßigerweise einer bestimmten Kennlinie oder korrespondiert zumindest zu dieser. Beispielsweise ist die weitere elektrische Spannung lediglich dann verschieden von einem dem Nennstrom ent sprechenden Ruhespannungspegel, falls die elektrische Spannung einen be stimmten Grenzwert überschreitet oder sich innerhalb eines bestimmten Zeitfens ters um mehr als einen weiteren Grenzwert ändert, zum Beispiel ansteigt. Mittels der Kennlinienschaltung wird somit eine bestimmte Kennlinie oder zumindest ein Schaltpunkt vorgegeben, sodass die zwischen den weiteren Ausgängen anliegen de weitere elektrische Spannung abhängig von der bestimmten Kennlinie ist.
Insbesondere erfolgt bei Sprüngen des mittels des Hauptstrom pfads geführten elektrischen Stroms, die zu Sprüngen der mittels des Stromsensors bereitgestell ten elektrische Spannung korrespondieren, innerhalb von bestimmten Zeitfenstern eine bestimmte Änderung der weiteren elektrischen Spannung, sodass dies vor zugsweise einen bestimmten Wert überschreitet. Hierbei ist zweckmäßigerweise jeder Sprunghöhe (Änderung) des elektrischen Stroms ein Zeitfenster zugeordnet, wobei die auf diese Weise gebildeten Paare insbesondere jeweils einen Schalt punkt des Schutzschalters definieren. Zweckmäßigerweise sind mittels der Kenn linienschaltung mehrere derartige Schaltpunkte definiert, also zwei Schaltpunkte, drei Schaltpunkte oder mehr Schaltpunkte. Mittels des Stromsensors wird hierbei die jeweilige Sprunghöhe des elektrischen Stroms auf eine entsprechende Ände rung der elektrischen Spannung abgebildet.
Das zweite Schaltelement ist in Abhängigkeit der zwischen den weiteren Ausgän gen der Kennlinienschaltung anliegenden weiteren elektrischen Spannung betä tigt. Somit wird das zweite Schaltelement dann betätigt, wenn die elektrische Spannung, die an den Eingängen der Kennlinienschaltung anliegt, eine bestimmte Bedingung erfüllt. Diese elektrische Spannung ist jedoch abhängig von dem mit tels des Hauptstrom pfads geführten elektrischen Strom. Somit wird das zweite Schaltelement dann betätigt, wenn der elektrische Strom, der mittels des Haupt strompfads geführt wird, eine bestimmte Bedingung erfüllt. Vorzugsweise erfolgt eine Betätigung des zweiten Schaltelements, wenn aufgrund einer Änderung des elektrischen Stroms ein Schaltpunkt erreicht wird, also wenn die Änderung des elektrischen Stroms innerhalb des Zeitfensters eines der Schaltpunkte größer oder gleich der Sprunghöhe des elektrischen Stroms des gleichen Schaltpunkts ist, bzw. wenn die Änderung des elektrischen Stroms gleich der Sprunghöhe des elektrischen Stroms eines der Schaltpunkte ist, wobei die Änderung innerhalb des mittels des gleichen Schaltpunkts vorgegebenen Zeitfensters erfolgt.
Wenn das zweite Schaltelement betätigt wird, wird das erste Schaltelement betä tigt, sodass zusammenfassend dieses in Abhängigkeit des mittels des Haupt strompfads geführten elektrischen Stroms betätigt wird. Mittels der Kennlinien schaltung werden insbesondere zwei Bedingungen oder mehr Bedingungen defi niert, die der zeitliche Verlauf des elektrischen Stroms und daher auch der Verlauf der elektrischen Spannung aufweisen muss, sodass eine Betätigung des zweiten Schaltelements erfolgt.
Aufgrund der microcontrollerfreien Kennlinienschaltung sind keine vergleichsweise kostenintensiven Bauteile erforderlich, weswegen Herstellungskosten reduziert sind. Auch sind die bei Betrieb in der Ansteuerungsschaltung vorhandenen elekt rischen Ströme/elektrischen Spannungen vergleichsweise gering, sodass für diese vergleichsweise kostengünstige Bauteile herangezogen werden können. Daher sind die Herstellungskosten des Schutzschalters weiter reduziert. Da die Auslöse- charakteristik des Schutzschalters mittels der Kennlinienschaltung eingestellt wird, ist es möglich mittels entsprechender Anpassung der Kennlinienschaltung den Schutzschalters für unterschiedlichste Anwendungsfälle heranzuziehen. Dabei ist lediglich ein Austausch der einzelnen Komponenten der Kennlinienschaltung oder der vollständigen Kennlinienschaltung erforderlich, wohingegen die weiteren Komponenten stets nicht verändert werden müssen. Somit können vergleichswei se viele Gleichteile herangezogen werden, was Herstellungskosten weiter senkt. Auch ist eine neue Anpassung des Schutzschalters, insbesondere eine Neukon struktion des Schutzschalters, hierbei nicht erforderlich. Da die Kennlinienschal tung zudem microcontrollerfrei ausgestaltet ist, ist diese vergleichsweise unemp findlich und somit robust. Folglich sind eine Zuverlässigkeit und eine Sicherheit erhöht. Auch erfolgt die Einstellung der Auslösecharakteristik mittels der Kennli nienschaltung, die vergleichsweise präzise gefertigt werden kann, und die somit vergleichsweise geringe Fertigungstoleranzen aufweist. Folglich ist eine Kalibrie rung jedes Schutzschalters nach dessen Fertigung oder während des Betriebs nicht erforderlich, was Flerstellungs- und Betriebskosten reduziert.
Beispielsweise ist einer der Ausgänge des Stromsensors und/oder einer der Ein gänge der Kennlinienschaltung elektrisch gegen Masse geführt und ist somit auf dem elektrischen Potential von Masse. Alternativ oder in Kombination hierzu ist zum Beispiel einer der weiteren Ausgänge der Kennlinienschaltung elektrisch ge gen Masse geführt und somit auf dem elektrischen Potential von Masse. Infolge dessen ist eine Verschaltung des Schutzschalters vereinfacht.
Besonders bevorzugt weist der Schutzschalter eine Komparatorschaltung auf, die insbesondere einen Komparator umfasst. Zweckmäßigerweise ist die Kompara torschaltung ebenfalls analog aufgebaut und weist einen Schnitt-Trigger auf. Die Komparatorschaltung weist zwei Eingänge auf, die mit den weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung verbunden sind. Insbesondere sind diese elektrisch direkt miteinander verbunden, sodass bei Betrieb an den Eingängen der Komparator schaltung die weitere elektrische Spannung anliegt. Ferner weist die Komparator schaltung einen Referenzeingang auf, der zweckmäßigerweise gegen ein elektri sches Referenzpotential geführt ist. Mittels des Referenzpotentials wird insbeson dere eine bestimmte konstante elektrische Spannung bezüglich eines weiteren elektrischen Potentials bereitgestellt, wobei dieses elektrische Potential beispiels weise ebenfalls an der Komparatorschaltung anliegt. Besonders bevorzugt wird als weiteres elektrisches hierbei das elektrische Potential eines der weiteren Aus gänge der Kennlinienschaltung herangezogen. Somit ist eine Verschaltung verein facht. Zudem weist die Komparatorschaltung einen Ausgang auf, der gegen den etwai gen zweiten Steuereingang des zweiten Schaltelements geführt ist. Insbesondere liegt an dem Ausgang der Komparatorschaltung ein elektrischer Pegel auf, falls die zwischen den weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung anliegende weite- re elektrische Spannung einer bestimmten Bedingung bezüglich des Referenzpo tentials genügt. Insbesondere wird das elektrische Potential, das an einem der Eingängen der Komparatorschaltung anliegt bezüglich des elektrischen Potentials verglichen, das an dem Referenzeingang anliegt, also vorzugsweise dem Refe renzpotential. Insbesondere ist hierbei der andere Eingang der Komparatorschal- tung elektrisch gegen Masse geführt. Wenn beispielsweise das elektrische Poten tial, das an dem einen dem Eingänge anliegt größer als das Referenzpotential ist, liegt an dem Ausgang der Komparatorschaltung ein bestimmter elektrischer Pegel an, der dem Ruhespannungspegel, welcher dem Nennstrom zugeordnet werden kann, entspricht. Somit wird dann, wenn das elektrische Potential an dem einen in deren Eingänge größer als das Referenzpotential ist, das zweite Schaltelement betätigt.
Besonders bevorzugt sind die Ausgänge des Stromsensors galvanisch von dem Hauptstrom pfad getrennt. Vorzugsweise ist die vollständige Ansteuerschaltung galvanisch von dem Hauptstrom pfad getrennt, was eine Sicherheit und den Anla gen- und/oder Personenschutz erhöht. Beispielweise umfasst der Stromsensor einen Hallsensor oder ist mittels dessen gebildet. Mittels des Hallsensors wird bei Betrieb ein den Hauptstrom pfad umgebendes Magnetfeld erfasst, das aufgrund des damit geführten elektrischen Stroms hervorgerufen wird. In einer Alternative ist beispielsweise der Stromsensor ein magnetoresisitiver Sensor oder umfasst diesen. Mittels des magnetoresisitiven Sensors wird bei Betrieb ebenfalls das den Hauptstrom pfad umgebende Magnetfeld erfasst, das aufgrund des elektrischen Stroms hervorgerufen wird. Somit ist der Stromsensor von dem Hauptstrom pfad beabstandet, was eine galvanische Trennung erleichtert. Alternativ umfasst der Stromsensor beispielsweise einen Shunt, also zweckmäßigerweise einen Mess widerstand, der in den Hauptstrom pfad eingebracht ist. Somit ist der Stromsensor zumindest teilweise auch ein Bestandteil des Hauptstrom pfads. Vorzugsweise umfasst der Stromsensor eine galvanische Trennung des Shunts zu den Ausgän- gen, sodass auf diese Weise ebenfalls die galvanische Trennung realisiert ist. Alternativ ist diese nicht vorhanden, was Herstellungskosten reduziert.
Vorzugsweise ist einer der Eingänge der Kennlinienschaltung mittels eines Auslö- sepfads gegen einen der weiteren Ausgänge der Kennlinienschaltung geführt. Mit anderen Worten ist zwischen diesem Eingang der Kennlinienschaltung und dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung der Auslösepfad vorhanden, und die ser Eingang der Kennlinienschaltung ist mittels des Auslösepfads mit dem weite ren Ausgang der Kennlinienschaltung verbunden. Beispielsweise ist zwischen dem verbleibenden Eingang der Kennlinienschaltung, nachfolgend insbesondere weiterhin als„verbleibender Eingang“ bezeichnet, und dem verbleibenden weite ren Ausgang der Kennlinienschaltung, nachfolgend insbesondere weiterhin als „verbleibender weiterer Ausgang“ bezeichnet, ebenfalls ein Pfad vorhanden, der mehrere elektrische Komponenten aufweist. Besonders bevorzugt jedoch ist der verbleibende Eingang der Kennlinienschaltung direkt gegen den verbleibenden weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung geführt und somit direkt mit diesem elektrisch kontaktiert. Folglich ist das elektrische Potential, das an dem verblei benden Eingang der Kennlinienschaltung anliegt, gleich dem elektrischen Potenti al, das an dem weiteren verbleibenden Ausgang der Kennlinienschaltung anliegt, und diese sind mechanisch vorzugsweise mittels des gleichen Anschlusses be reitgestellt. Vorzugsweise sind der verbleibende Eingang der Kennlinienschaltung und der verbleibende weitere Ausgang der Kennlinienschaltung mit Masse kontak tiert. Somit ist eine Konstruktion des Schutzschalters vereinfacht. Insbesondere ist somit ein Zweitor gebildet. Die Bereitstellung der Kennlinienfunktionalität erfolgt mittels des Auslösepfads. Zur Anpassung des Schutzschalters auf den jeweiligen Anwendungsfall ist somit lediglich ein Anpassen des Auslösepfads erforderlich.
Zweckmäßigerweise weist der Auslösepfad einen ersten Widerstand auf. Somit ist der Eingang der Kennlinienschaltung mittels des ersten Widerstands mit dem wei teren Ausgang der Kennlinienschaltung verbunden. Beispielsweise sind hierbei zusätzliche elektrische Bauteile zwischen dem ersten Widerstands und dem Ein gang bzw. dem Ausgang angeordnet. Auf Seiten des weiteren Ausgangs ist der erste Widerstand mittels einer ersten Kapazität gegen den verbleibenden weiteren Ausgang geführt und somit auch gegen den verbleibenden Eingang der Kennli nienschaltung. Die erste Kapazität ist besonders bevorzugt ein Kondensator.
Wenn an den beiden Eingängen der Kennlinienschaltung die elektrische Span nung anliegt, ergibt sich über den ersten Widerstand ein Stromfluss, mittels des sen die erste Kapazität geladen wird. Hierbei wird die Zeitdauer des Ladens mit tels des ersten Widerstands eingestellt. In Abhängigkeit der an den Eingängen der Kennlinienschaltung anliegende elektrische Spannung und der Wahl des ersten Widerstands ergibt sich die an der ersten Kapazität anliegende Spannung sowie deren zeitlicher Verlauf. Die an der ersten Kapazität anliegende elektrische Span nung ist hierbei insbesondere die weitere elektrische Spannung, die an den weite ren Ausgängen der Kennlinienschaltung anliegt.
Aufgrund der Verwendung der ersten Kapazität und des ersten Widerstands un terscheidet sich der Verlauf der elektrischen Spannung, die an den Eingängen der Kennlinienschaltung anliegt, von dem Verlauf der weiteren elektrischen Span nung, die an den weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung anliegt. Somit ist die weitere elektrische Spannung abhängig von der Wahl des ersten Widerstands sowie der Wahl der ersten Kapazität und von der anliegenden elektrischen Span nung. Sofern diese vergleichsweise schnelle Fluktuation aufweist, also insbeson dere Spannungsspitzen, werden dies mittels des ersten Widerstands sowie der ersten Kapazität geglättet. Mit anderen Worten wirken der erste Widerstands so wie die erste Kapazität als Tiefpass. Infolgedessen erfolgt insbesondere keine Betätigung des zweiten Schaltelements und somit kein Auslösen des Schutzschal ters. Daher ist es möglich, mittels geeigneter Wahl des ersten Widerstands und der ersten Kapazität zumindest teilweise das Verhalten eines thermischen
Schutzschalters nachzuahmen.
Vorzugsweise ist parallel zu der ersten Kapazität ein charakteristischer Zweig ge schaltet, der eine Reihenschaltung aus einer Kapazität und einem Widerstand aufweist. Die Kapazität ist zweckmäßigerweise mittels eines Kondensators gebil det. Beispielsweise befindet sich die Kapazität hierbei auf Seiten des ersten Wi derstands oder auf Seiten des verbliebenen weiteren Ausgangs/Eingangs bezüg- lieh des zugeordneten Widerstands. Insbesondere ist der charakteristische Zweig mittels der Reihenschaltung gebildet. Somit wird zusätzlich zu der ersten Kapazi tät auch mittels des charakteristischen Zweigs eine weitere Bedingung für die wei tere elektrische Spannung angegeben. Mittels des charakteristischen Zweigs ist insbesondere ein Tiefpass gebildet, und/oder ein Tiefpass bildet den charakteristi schen Zweig. Der Tiefpass ist bevorzugt linear.
Mittels des charakteristischen Zweigs ist es möglich, die bereits bestehende Kenn linie mittels Hinzufügen eines weiteren Schaltpunkts zu verändern, wobei der Schaltpunkt insbesondere einen bestimmten zeitlichen Anstieg der anliegenden elektrischen Spannung, und somit des mittels des Hauptstrom pfads geführten elektrischen Stroms, innerhalb eines bestimmten Zeitfensters definiert. Dann wenn der Schaltpunkte realisiert oder überschritten wird, erfolgt geeigneterweise eine Ansteuerung des zweite Schaltelements. Mit anderen Worten erfüllt in die sem Fall die weitere elektrische Spannung eine bestimmte Bedingung, die zum Schalten des zweiten Schaltelements führt.
Zum Beispiel ist lediglich ein einziger derartiger charakteristischer Zweig vorhan den. Besonders bevorzugt jedoch umfasst der Schutzschalter, also die Kennli nienschaltung, zumindest einen derartige weitere charakteristischen Zweig, vor zugsweise mehrere weitere charakteristische Zweige. Jeder dieser charakteristi schen Zweige ist insbesondere mittels der jeweiligen Kapazität und dem jeweili gen Widerstand gebildet. Die charakteristischen Zweige sind insbesondere zuei nander gleichartig und unterscheiden sich technisch jeweils lediglich durch die Dimensionierung der jeweiligen Bauteile, jedoch nicht durch die Anordnung und/oder Art der Bauteile.
Vorzugsweise unterscheiden sich die die charakteristischen Zweige insbesondere aufgrund der Wahl des jeweiligen Widerstands, wobei beispielsweise die Kapazi täten stets gleich sind. Alternativ hierzu sind beispielsweise die Kapazitäten stets gleich, und die Widerstände unterscheiden sich. Besonders bevorzugt unterschei den sich sowohl die Widerstände als auch die Kapazitäten zwischen zumindest zweien der charakteristische Zweige. Vorzugsweise weist Schutzschalters 4, 5, 6, 8, 10 oder mehr derartige charakteristische Zweige auf.
Mittels jedes der charakteristischen Zweige wird insbesondere ein Schaltpunkt der Kennlinie oder eine vollständige Kennlinie bestimmt, also eine Bedingung defi niert. Diese korrespondieren hierbei zu einer Änderung des mittels des Haupt stroms geführten elektrischen Stroms innerhalb eines bestimmten Zeitfensters. Sofern einer dieser Schaltpunkte überschritten wird, ist die jeweilige Bedingung erfüllt, was mittels der weiteren elektrischen Spannung angegeben wird. Bei- spielsweise ist in diesem Fall, also wenn jeweilige Bedingung erfüllt ist, die weitere elektrische Spannung größer als ein bestimmter Grenzwert, insbesondere größer als das etwaige Referenzpotential. Somit erfolgt in diesem Fall die Ansteuerung des zweiten Schaltelements. Besonders bevorzugt ist der erste Widerstand auf Seiten des Eingangs der Kenn linienschaltung mittels eines zweiten Widerstands gegen den verbleibenden weite ren Ausgang der Kennlinienschaltung geführt. Somit ist der zweite Widerstand auch gegen den verbleibenden Eingang der Kennlinienschaltung geführt. Vor zugsweise weist der zweite Widerstand einen vergleichsweise großen Wert auf, sodass dieser vergleichsweise hochohmig ist. Der Widerstandswert des zweiten Widerstands ist beispielsweise größer als 20 kOhm, 50kOhm, l OOkOhm. Somit wird die weitere elektrische Spannung mittels des zweiten Widerstands im We sentlichen nicht beeinflusst. Insbesondere erfolgt nach Auslösen des Schutzschalters, also dann, wenn mittels des Stromsensors die elektrische Spannung nicht mehr bereitgestellt wird, eine Entladung der ersten Kapazität sowie der etwaigen weiteren Kapazitäten mittels des zweiten Widerstands. Somit wird der Schutzschalters nach dem Auslösen in einen sicheren Zustand überführt, und an den einzelnen Bauteilen liegt keine elektrische Spannung mehr an.
In einer Alternative weist der Auslösepfad einen dritten Widerstand auf, der paral lel zu der ersten Kapazität geschaltet ist. Somit ist der dritte Widerstand ebenfalls mit den beiden weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung elektrisch kontak tiert. Infolgedessen erfolgt mittels des dritten Widerstands stets eine Entladung der ersten Kapazität, sodass auf diese Weise etwaige Spannungsspitzen in der elektrischen Spannung abgefedert werden, weswegen ein thermisches Verhalten des Schutzschalters nachgeahmt werden kann. Auch ist eine übermäßige Ladung der ersten Kapazität vermieden, weswegen diese stets ihre Wirkungsweise auf weist. Mittels des dritten Widerstands wird somit der Schaltpunkt bzw. die Kennli nie, die mittels des Auslösepfad bereitgestellt ist, weiter angepasst.
Vorzugsweise umfasst der Auslösepfad eine Diode, die zwischen dem ersten Wi derstand und dem Eingang der Kennlinienschaltung angeordnet ist. Hierbei ist insbesondere ein Stromfluss von dem Eingang der Kennlinienschaltung zu dem ersten Widerstand möglich umgekehrt jedoch nicht. Alternativ oder bevorzugt in Kombination ist eine Diode zwischen dem weiteren Ausgang der Kennlinienschal tung und dem ersten Widerstand und daher auch zwischen der ersten Kapazität und dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung geschaltet. Vorzugsweise ist aufgrund der Sperrrichtung ein elektrischer Stromfluss von dem ersten Wider stand zu dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung möglich. Besonders be vorzugt sind die beiden Dioden vorhanden, sodass ein Stromfluss über den ersten Widerstand möglich ist. Aufgrund der beiden Dioden ist eine Wirkungsweise des Auslösepfads verbessert, und es ist sichergestellt, dass die erste Kapazität stets auf Seiten der weiteren Ausgänge der Kennlinienschaltung entladen wird.
In einer weiteren Alternative ist ein zusätzlicher Widerstand zwischen dem weite ren Ausgang der Kennlinienschaltung und dem ersten Widerstand und daher auch zwischen der ersten Kapazität und dem weiteren Ausgang der Kennlinienschal tung geschaltet. Mittels des weiteren Widerstands wird hierbei zumindest teilweise die Funktion einer der oben genannten Dioden übernommen.
Zum Beispiel ist lediglich der einzige Auslösepfad vorhanden. Besonders bevor zugt jedoch umfasst die Kennlinienschaltung zumindest einen weiteren Auslöse pfad oder mehr weitere Auslösepfade, beispielsweise 2, 3, 4, 5 oder 10 weitere Auslösepfade. Die weiteren Auslösepfade sind parallel zu dem Auslösepfad ge- schaltet und somit gegen den einen Eingang der Kennlinienschaltung sowie den einen weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung geführt. Sämtliche Auslösepfade sind vorzugsweise zueinander gleichartig aufgebaut und weisen somit insbeson dere die gleiche Anzahl und/oder Arten von Bauteilen auf. Auch unterscheidet sich deren jeweilige Verschaltung nicht. Zweckmäßigerweise unterscheidet sich jedoch zumindest eines der Bauteile der Auslösepfade aufgrund der Dimensionie rung/des jeweiligen Werts. Insbesondere sind der erste, zweite und/oder dritte Widerstand zumindest zwischen zwei der Auslösepfade unterschiedlich. So ist es möglich, mittels der Kennlinienschaltung eine vergleichsweise komplexen Kennli- nie bereitzustellen, anhand derer ein Auslösen des Schutzschalters erfolgt.
Das Bestimmen der Werte für den ersten Widerstand, die erste Kapazität sowie die weiteren Kapazitäten/Widerstände erfolgt beispielsweise mittels eines heuristi schen Verfahrens und/oder eines iterativen Verfahrens, insbesondere sofern meh- rere derartige Auslösepfade/charakteristische Zweige vorhanden sind.
Sofern eine Komponente als erste, zweite, dritte, ... Komponente bezeichnet wird, ist insbesondere lediglich darunter eine bestimmte Komponente zu verstehen. Insbesondere bedeutet dies nicht, dass eine bestimmte Anzahl an derartigen Komponenten vorhanden ist. So impliziert insbesondere nicht, dass der zweite Widerstand vorhanden ist, sofern der dritte Widerstand vorhanden ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Schutzschalters mit einer Kennlinienschal tung,
Fig. 2 vereinfacht einen Schaltplan einer Ausführungsform der Kennlinien schaltung,
Fig. 3 eine mittels der Kennlinienschaltung bereitgestellte Kennlinie, und
Fig. 4 gemäß Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Kennlinienschal tung. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszei chen versehen.
In Figur 1 ist schematisch vereinfacht ein Gleichstromsystem 2 mit zwei Wandlern 4 gezeigt, die mittels eines Gleichstromkreises 6 miteinander verbunden sind. Mit tels eines der Wandler 4 ist eine Last 8 bestromt. Beispielsweise ist das Gleich stromsystem 2 ein Bestandteil einer Ladesäule für die Elektromobilität, sodass die Last 8 ein Kraftfahrzeug oder dergleichen darstellt. Alternativ ist das Gleichstrom system 2 beispielsweise ein Bestandteil einer Telekommunikations- oder Daten- centeranlage, und die Last 8 ist mittels eines Mobilfunkanlage(-station) oder einer sonstigen Komponente gebildet. Einer der Wandler 4 ist als Gleichrichter ausge staltet und an ein Versorgungsnetz 10 angeschlossen, das beispielsweise eine (elektrische) Gleichspannung oder eine (elektrische) Wechselspannung führt.
Zum Beispiel ist das Versorgungsnetz 10 mittels einer Batterie oder eines sonsti- gen Energiespeichers bereitgestellt.
Der Gleichstromkreis 6 weist zwei Strompfade 12 auf, mittels derer bei Betrieb ein Übertrag von elektrischer Energie zwischen den beiden Wandlern 4 ermöglicht ist. Zur Absicherung in einem Fehlerfall ist in einen der Strompfade 12 ein Schutz- Schalter 14 eingebracht, der somit zumindest teilweise einen der Strompfad 12 bildet. Der Schutzschalter 14 weist einen Hauptstrom pfad 16 auf, der mittels nicht näher dargestellter Anschlüsse an weiteren Bestandteilen des zugeordneten Strompfads 12 angeschlossen ist. Mit anderen Worten bildet die Hauptstrom pfad 16 zumindest teilweise den Strompfad 12. Der Schutzschalters 14 weist ein erstes Schaltelement 18 mit zwei Arbeitskontakten 20 auf, wobei ein elektrischer Wider stand zwischen diesen eingestellt werden kann. Zudem weist das erste Schalt element 18 einen erste Steuereingang 22 auf, mittels dessen der elektrische Wi derstand zwischen den beiden Arbeitskontakten 20 eingestellt wird. Somit ist das erste Schaltelement 18 steuerbar ausgestaltet.
Beispielsweise ist das erste Schaltelement 18 mittels eines Halbleiterschalters, beispielsweise eines Leistungshalbleiterschalters gebildet. Hierbei wird mittels Veränderung einer Ladungszone der elektrische Widerstand zwischen den beiden Arbeitskontakten 20 eingestellt, die insbesondere mittels„Drain“ und„Source“ be reitgestellt sind. Bevorzugt jedoch ist das erste Schaltelement 18 mittels eines Re lais gebildet, und die Arbeitskontakte 20 sind zueinander beweglich gelagert, so- dass der elektrische Widerstand mittels Beabstandung dieser erhöht wird. Zumin dest einer der Arbeitskontakten 20 ist in Wirkverbindung mit einem nicht näher dargestellten Anker, wobei mittels des Ankers die Position der beiden Arbeitskon takten 20 zueinander eingestellt wird. Der Anker ist beispielsweise aus einem magnetischen oder ferromagnetischen Material erstellt und mittels einer nicht nä her dargestellten Spule eines Relaisantriebs angetrieben. Sofern an dem ersten Steuereingang 22 eine bestimmte elektrische Spannung anliegt erfolgt eine Be- stromung der Spule.
Der Schutzschalters 14 umfasst ferner eine Ansteuerschaltung 24, mittels derer eine Ansteuerung des ersten Schaltelements 18 erfolgt. Mit anderen Worten ist die Ansteuerschaltung 24 gegen den ersten Steuereingang 22 des ersten Schalt elements 18 geführt. Die Ansteuerschaltung 24 weist einen Stromsensor 26 auf, der einen Hallsensor 28 umfasst. Der Hallsensor 28 umgibt hierbei den Haupt strompfad 16 umfangsseitig, sodass mittels dessen ein Magnetfeld erfasst werden kann, das aufgrund eines mittels des Hauptstrom pfads 16 geführten elektrischen Stroms hervorgerufen wird, der im Normallfall 30 A beträgt (Nennstrom, „inenn“)·
Der Hallsensor 28 ist mechanisch von dem Hauptstrom pfad 16 beabstandet und mittels einer auf Auswerteschaltung 30 des Stromsensors 26 betrieben also be- stromt. Hierfür ist die Auswerteschaltung 30 elektrisch mit einer Gleichspannungs quelle 32 verbunden, mittels derer eine elektrische Gleichspannung von 24 V ge genüber Masse 34 bereitgestellt ist, wobei die Auswerteschaltung 30 ebenfalls elektrisch mit Masse 34 verbunden. In weiteren, nicht gezeigten Alternativen ist die elektrische Gleichspannung gegenüber Masse 34 zwischen 1 V und 50 V, zwi schen 10 V und 30 V und beträgt beispielsweise 12 V. Zudem weist der Strom sensor 26, nämlich die Auswerteschaltung 30 zwei Ausgängen 36 auf, von denen einer ebenfalls gegen Masse geführt ist. Mit anderen Worten liegt an diesem Aus gang 36 als elektrisches Potential stets Masse 34 an. Die zwischen den Ausgän gen 36 anliegende elektrische Spannung 38 (Figur 2) ist abhängig von dem mit- tels des Hauptstrom pfads 16 geführten elektrischen Strom. Insbesondere ist auf grund der Heranziehung des Hallsensors 28 die elektrische Spannung 38 direkt proportional zu dem mittels des Hauptstrom pfads 16 geführten Strom. Hierbei entspricht ein mittels des Hauptstrom pfads 16 geführter elektrischer Strom von 30 A einer zwischen den Ausgängen 36 anliegende elektrische Spannung 38 von 0,9 V zuzüglich eines festen Offsets, und ein mittels des Hauptstrom pfads 16 geführ ter elektrischer Strom von 60 A entspricht einer zwischen den Ausgängen 36 an liegende elektrische Spannung 38 von 1 ,8 V zuzüglich des festen Offsets. Somit ist der Proportionalitätsfaktor 0,03 V/A. Aufgrund der Verwendung des Hallsensors 28 sind zu dem die Ausgänge 36 des Stromsensors 26 galvanisch von dem Hauptstrom pfad 16 getrennt.
In einer Alternative wird anstatt des Hallsensors 28 ein magnetoresistiver Sensor verwendet. Auch hier sind konstruktionsbedingt die Ausgänge 36 des Stromsen- sors 26 galvanisch von dem Hauptstrom pfad 16 getrennt. In einer weiteren Alter native wird anstatt des Hallsensors 28 ein Shunt herangezogen, der in den Haupt strompfad 16 eingebracht ist. Hierbei erfolgt eine galvanische Trennung die Aus gänge 36 zu dem Hauptstrom pfad 16 mittels einer entsprechenden Anpassung der Auswerteschaltung 30.
Die Ansteuerschaltung 24 weist ferner eine Kennlinienschaltung 40 auf, die zwei Eingänge 42 und zwei weitere Ausgänge 44 umfasst. Einer der Eingänge 42 so wie einer der Ausgänge 44 sind mittels des gleichen physikalischen Anschlusses gebildet und gegen Masse 34 geführt. Somit ist dieser Eingang 42 der Kennlinien- Schaltung 40 auch mit einem der Ausgänge 36 des Stromsensors 26 elektrisch kontaktiert. Der andere Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 ist mit dem ande ren Ausgang 36 des Stromsensors 26 elektrisch kontaktiert.
Der anderen Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 ist gegen einen von insge- samt zwei Eingängen 46 einer Komparatorschaltung 48 geführt, die einen nicht näher dargestellten Komparator umfasst. Der andere Eingang 46 der Komparator schaltung 48 ist gegen Masse 34 geführt. Zudem weist die Komparatorschaltung 48 einen Referenzeingang 50 auf, der gegen die Gleichspannungsquelle 32 ge- führt ist. Somit liegt an dem Referenzeingang 50 bezüglich Masse 34 das mittels der Gleichspannungsquelle 32 bereitgestellte elektrische Potential als Referenz potential an, nämlich 24 V. Die Komparatorschaltung 48 umfasst ferner einen Ausgang 52, wobei an diesem lediglich dann ein Pegel anliegt, wenn die zwischen den Eingängen 46 der Komparatorschaltung 48 anliegende elektrische Spannung größer als die elektrische Spannung zwischen dem Referenzeingang 50 und Mas se 34 ist. In einer Weiterbildung erfolgt insbesondere mittels der Komparatorschal tung 48 eine Anpassung des Referenzpotentials.
Der Ausgang 52 der Komparatorschaltung 48 ist gegen einen zweiten Steuerein gang 54 eines steuerbaren zweiten Schaltelements 56 geführt, das zwischen den ersten Steuereingang 22 sowie die Gleichspannungsquelle 32 geschaltet ist. Das zweite Schaltelement 56 ist mittels eines Halbleiterschalters, nämlich eines MOSFETs, bereitgestellt. Somit weist das zweite Schaltelement 56 ebenfalls zwei Arbeitskontakte 20 auf, von denen einer mittels„Drain“ und das andere mittels „Source“ gebildet sind. Mittels der Arbeitskontakten 20 ist es möglich, den ersten Steuereingang 22 auf das mittels der Gleichspannungsquelle 32 bereitgestellte elektrische Potential zu legen. Die Einstellung der Arbeitskontakte 20 des zweiten Schaltelements 56 erfolgt hierbei des zweiten Steuereingangs 54, der mittels„Ga te“ gebildet ist.
Somit ist das zweite Schaltelement 56 in Abhängigkeit einer zwischen den weite ren Ausgängen 44 der Kennlinienschaltung 40 anliegenden weiteren elektrischen Spannung 58 (Figur 2) betätigt. Hierfür sind nämlich die weiteren Ausgänge 44 der Kennlinienschaltung 40 mit den Eingängen 50 der Komparatorschaltung 48 verbunden, deren Ausgang 52 gegen den zweiten Steuereingang 54 geführt ist. Hierbei weist der Ausgang 52 nur dann einen Pegel auf, wenn die weitere elektri sche Spannung 58 größer als die mittels der Gleichspannungsquelle 32 bereitge stellte elektrische Spannung ist, die somit ein Referenzpotential bildet. Die Kennli nienschaltung 40 sowie die weiteren Bestandteile der Ansteuerschaltung 24 sind mittels analoger Bauteile erstellt, und mittels der microcontrollerfreien Kennlinien schaltung 40 ist ein funktioneller Zusammenhang zwischen der weiteren elektri schen Spannung 58, die an den Ausgängen 42 der Kennlinienschaltung 40 an- liegt, und der elektrischen Spannung 38, die an den Eingängen 42 der Kennlinien schaltung 40 und somit auch an den Ausgängen 36 des Stromsensors 26 anliegt, realisiert. Zumindest ist die Ansteuerschaltung 24 microcontrollerfrei. In Figur 2 ist eine erste Ausgestaltungsform der Kennlinienschaltung 40 mit den beiden Eingängen 42 dargestellt, zwischen denen bei Betrieb die elektrische Spannung 38 anliegt. Zwischen den weiteren Ausgängen 44 der Kennlinienschal tung 40 liegt bei Betrieb die weitere elektrische Spannung 58 an. Einer der Ein gänge 42 der Kennlinienschaltung 40 ist mittels eines Auslösepfads 60 gegen ei- nen der weiteren Ausgänge 44 der Kennlinienschaltung 40 geführt. Der verblei bende Eingang 42 sowie der verbleibende Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 sind elektrische gegen Masse 34 geführt und somit direkt miteinander elekt risch kontaktiert. Der Auslösepfad 60 weist einen ersten Widerstand 62 auf, der zwischen den Ein gang 42 der Kennlinienschaltung 40 sowie den weiteren Ausgang 44 der Kennli nienschaltung 40 geschaltet ist, und diese somit miteinander verbindet. Der Wert des ersten Widerstands 62 ist 1 kOhm. Auf seitens des zugeordneten weiteren Ausgangs 44 der Kennlinienschaltung 40 ist der erste Widerstand 62 mittels einer ersten Kapazität 64 gegen den verbleibenden weiteren Ausgang 44 und somit gegen Masse 34 geführt. Die erste Kapazität 64 ist mittels eines Kondensators gebildet und weist als Wert 3,16 pF auf. Auf Seiten des Eingangs 42 ist der erste Widerstand 62 mittels eines zweiten Widerstands 66 gegen den verbleibenden weiteren Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 und somit auch gegen Masse 34 geführt. Der Wert des zweiten Widerstands 66 beträgt hierbei 51 kOhm.
Parallel zu der ersten Kapazität 64 sind mehrere charakteristische Zweige 68, in diesem Fall vier charakteristische Zweige 68, geschaltet, von denen hier zwei ge zeigt sind. Mit anderen Worten sind mittels der charakteristischen Zweige 68 die beiden weiteren Ausgängen 44 in der Kennlinienschaltung 40 miteinander elekt risch verbunden. Jeder charakteristische Zweig 68 ist mittels einer Reihenschal tung aus einer Kapazität 70 und einem Widerstand 72 gebildet, wobei sich die Kapazität 70 in diesem Beispiel auf Seiten des ersten Widerstands 62 bezüglich des jeweiligen Widerstands 72 befindet. Somit sind die charakteristischen Zweige 68 gleichartig aufgebaut, wobei der Wert der Kapazität 70 bei einem der charakte ristischen Zweige 68 gleich 3,16 pF ist, und wobei der Wert des Widerstands 72 des gleichen charakteristischen Zweigs 68 gleich 1 ,049 kOhm ist. Der Wert der Kapazität 70 bei einem weiteren der charakteristischen Zweige 68 ist gleich 4,64 pF, und der Wert des Widerstands 72 dieses charakteristischen Zweigs 68 ist gleich 4,319 kOhm. Der Wert der Kapazität 70 bei einem weiteren der charakteris tischen Zweige 68 ist gleich 8,25 pF, und der Wert des Widerstands 72 dieses charakteristischen Zweigs 68 ist gleich 475,4 Ohm.
Mittels der elektrischen Spannung 38 wird bei Betrieb die erste Kapazität 64 gela den, wobei sich an der ersten Kapazität 64 die weitere elektrische Spannung 58 eingestellt. Falls die elektrische Spannung 38 Fluktuationen aufweist, werden die se aufgrund des als Tiefpass wirkenden ersten Widerstands 72 sowie ersten Ka pazität 64 und der charakteristische Zweige 68 teilweise geglättet. Sofern eine vergleichsweise große Änderung der elektrischen Spannung 38 innerhalb eines bestimmten Zeitfensters erfolgt, ist ein vergleichsweise schnelles Laden der ers ten Kapazität 64 sowie der Kapazitäten 70 möglich, sodass sich auch die weitere elektrische Spannung 58 ändert. Mit anderen Worten wirkt der Auslösepfad 60 als Tiefpass n-ter Ordnung, wobei n die Anzahl der charakteristischen Zweige 68 zu züglich„1“ ist. Also ist n gleich der Anzahl an Kapazitäten 64, 70 des Auslöse- pfads 60, und mittels dessen ist eine Übertragungsfunktion gebildet.
Infolgedessen ändert sich die an den Eingängen 64 der Komparatorschaltung 48 anliegende elektrische Spannung, die somit größer als die zwischen dem Refe renzeingang 50 und der Masse 34 gebildete elektrische Spannung ist. Infolgedes sen wird das zweite Schaltelement 56 angesteuert und somit das erste Schalt element 18 geöffnet, sodass der elektrische Stromfluss über den Hauptstrom pfad 16 unterbrochen ist.
Mittels der Wahl der einzelnen Werte für die elektrischen Bauteile der Kennlinien schaltung 40 ist sichergestellt, dass bei bestimmten Änderungen der elektrischen Spannung 38, die zu Änderungen des elektrischen Stroms durch den Haupt- strompfad 16 korrespondieren, innerhalb eines bestimmten Zeitfenster auch ein Auslösen des ersten Schaltelements 18 erfolgt.
In Figur 3 ist eine mittels der Kennlinienschaltung 40 bereitgestellte Kennlinie 73 dargestellt, wobei die Auslösezeit des Schutzschalters 14 in Millisekunden gegen den Auslösestrom, also den mittels des Hauptstrom pfads 16 geführten elektri schen Strom als Vielfaches des Nennstroms, in diesem Fall 30 A, aufgetragen ist. Mittels der Komparatorschaltung 48 ist sichergestellt, dass ein Auslösen lediglich ab einem konstanten 1 ,8-fachen des Nennstroms erfolgt. Hierfür erfolgt eine ge eignete Anpassung des Referenzpotentials.
Aufgrund der ersten Kapazität 64 sowie des ersten Widerstands 62 als auch auf grund der drei charakteristischen Zweige 68 ergeben sich ein erster Schaltpunkt 73a, ein zweiter Schaltpunkt 73b, ein dritter Schaltpunkt 73c und ein vierter Schaltpunkt 73d, also insgesamt vier Schaltpunkte. Der erste Schaltpunkt 73a entspricht dem Anstieg des mittels Hauptstrom pfad 16 geführten elektrischen Stroms auf über das Zweifache des Nennstroms in 50 ms, der zweite Schaltpunkt 73b entspricht dem Anstieg des mittels Hauptstrom pfad 16 geführten elektrischen Stroms auf über das Dreifache des Nennstroms in 15 ms, der dritte Schaltpunkt 73c entspricht dem Anstieg des mittels Hauptstrom pfad 16 geführten elektrischen Stroms auf über das Fünffache des Nennstroms in 5 ms und der vierte Schalt punkt 73d entspricht dem Anstieg des mittels Hauptstrom pfad 16 geführten elekt rischen Stroms auf über das Zehnfache des Nennstroms in 1 ms. Stets dann, wenn einer der Schaltpunkte 73a, 73b, 73c, 73d und somit die Kennlinie 73 auf grund der Änderung des mittels des Hauptstrom pfads 16 geführten elektrischen Stroms überschritten wird, erfolgt eine Betätigung des zweiten Schaltelements 56 und daher ein Auslösen des Schutzschalters 14.
In Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltungsform der Kennlinienschaltung 40 gezeigt, wobei auch hier zwischen einem der Eingänge 42 sowie einem der weiteren Aus gänge 44 der Auslösepfad 60 vorhanden ist. Die verbleibenden Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 sowie der verbleibende weitere Ausgang 44 der Kennli nienschaltung 40 ist wiederum gegen Masse 34 geführt. Auch sind weiterhin der erste Widerstand 62 sowie die erste Kapazität 64 vorhanden. Jedoch ist die erste Kapazität 64 mittels eines dritten Widerstands 74 überbrückt, der somit parallel zu der ersten Kapazität 64 geschaltet ist.
Zudem weist der Auslösepfad 60 zwei Dioden 76 auf, wobei der erste Widerstand 62 sich zwischen den beiden Dioden 76 befindet. Mit anderen Worten ist zwi schen dem Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 sowie dem weiteren Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 eine elektrische Parallelschaltung aus den beiden Dioden 76 sowie dem erste Widerstand 62 gebildet. Somit ist eine der Dioden 76 zwischen den ersten Widerstand 62 und den Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 und die verbleibende Diode 76 zwischen den weiteren Ausgang 44 der Kennli nienschaltung 40 und sowohl den ersten Widerstand 62 als auch die ersten Kapa zität 64 geschaltet. Hierbei ist ein Stromfluss von dem Eingang 42 der der Kennli nienschaltung 40 zu dem weiteren Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 auf grund der Dioden 76 möglich, jedoch nicht umgekehrt.
Zu dem Auslösepfad 60 ist elektrisch parallel ein weiterer Auslösepfad 78 ge schaltet, der gleichartig zu dem Auslösepfad 60 ist und somit ebenfalls die Dioden 76, den erste Widerstand 62 sowie die erste Kapazität 64 und den dritten Wider stand 74 aufweist. Auch ist deren Verschaltung gleich. Es unterscheiden sich je doch die Werte des erste Widerstands 62, des dritten Widerstands 74 sowie der ersten Kapazität 64. Die Dioden 76 sind stets gleich oder unterschiedlich. In einer weiteren Alternative sind mehrere derartige weitere Auslösepfade 78 vorhanden, wobei sich die Werte des ersten und dritten Widerstands 62, 74 sowie der ersten Kapazität 64 unterscheiden.
Bei Betrieb erfolgt auch hier bei einer Änderung der anliegende elektrische Span nung 38 ein Glätten von Spitzen mittels des ersten Widerstands 62 sowie der ers ten Kapazität 64. Mittels des dritten Widerstands 74 wird die erste Kapazität 64 entladen, sodass die an den Ausgängen 44 anliegende weitere elektrische Span nung 58 im normalen Betrieb unterhalb eines bestimmten Werts verbleibt. Mittels der Dioden 76 ist sichergestellt, dass die erste Kapazität 64 stets auf Seiten der Ausgänge 44 der Kennlinienschaltung 40 geladen wird. Lediglich dann, wenn die Änderung der elektrischen Spannung 38 eine bestimmte Bedingung erfüllt, und sich innerhalb eines vergleichsweise kurzen Zeitfenster um einen vergleichsweise großen Wert ändert, ändert sich auch die weitere elektri sche Spannung 58. Hierbei sind mittels des Auslösepfad 60 und des weiteren Auslösepfads 78 unterschiedliche Bedingungen spezifiziert, also der Wert der Än derung der elektrischer Spannung 38 sowie das zugehörige Zeitfenster. Die elekt rische Spannung 38 ist wiederum proportional zu dem mittels des Hauptstrom pfads 16 geführten elektrischen Stroms.
Zusammenfassend dient der Schutzschalters 14 der Absicherung des Gleich stromsystems 2 oder eines Gleichstromzwischenkreises, das zum Beispiel ein Gleichstrom-Hochvoltsystem mit begrenzter Dauerkurzschlussleistung ist. Dies ist insbesondere aufgrund der Wandler 4 gegeben. Das Gleichstromsystem 2 ist bei spielsweise ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahr zeugs, einer Ladesäule, einer Telekommunikation- oder Datencenter-Infrastruktur.
Das erste Schaltelement 18 ist beispielsweise ein fernauslösbares Schaltorgan, wie ein mechanisches Relais, ein Halbleiterrelais, ein Hybridrelais oder einen Halbleiterschalter. Die Erfassung des mittels des Hauptstrom pfads 16 geführten elektrischen Stroms erfolgt mittels des Stromsensors 26, der eine galvanische Trennung aufweist, und mittels dessen in etwa linear der elektrische Strom des Hauptstrom pfads 16 auf die elektrische Spannung 38 abgebildet wird. Hierbei ist der Sensor 26 derart ausgelegt, dass dieser für mehrere Millisekunden insbeson dere den mehrfachen des Nennstroms des Gleichstromsystems 2 erfas- sen/messen kann, ohne dass eine Beschädigung erfolgt. Auch ist ein Messen von etwaigen Stromspitzen möglich. Mittels der Auswerteschaltung 30 des Stromsen sors 26 erfolgt beispielsweise eine Skalierung und oder Beseitigung eines etwai gen Offsets.
Mittels der Kennlinienschaltung 40 erfolgt eine Abbildung einer vorgegebenen Strom/Zeit- Kennlinie durch rein analoge Bauteile. Mit anderen Worten ist die Kennlinienschaltung 40 eine analoge Schaltung und lediglich mittels passiver Komponenten erstellt.
Bei einer Alternative (Figur 2) ist eine parallele Anordnung von seriellen RC- Kombinationen, also der charakteristische Zweige 68, vorhanden. Hierbei sind ein Vorwiderstand, nämlich der erste Widerstand 62, sowie ein Entladewiderstand, nämlich der zweite Widerstand 76, vorhanden. Ein Kennlinienpunkt, also ein Schaltpunkt, bei Überschreiten dessen das erste Schaltelement 18 betätigt wird, ist mittels des ersten Widerstands 62 sowie der ersten Kapazität 64 bereitgestellt. Die weiteren Kennlinienpunkte werden mittels der charakteristischen Zweige 68 eingestellt. Mittels des zweiten Widerstands 66, der hochohmig ist, erfolgt nach Abschalten des ersten Schaltelements 18 ein Entladen der Kapazitäten 64, 70.
Bei der anderen Variante (Figur 3) erfolgt bei jedem Kennlinienpunkt, also pro Schaltpunkt, ein Laden einer der ersten Kapazitäten 64 über den jeweiligen ersten Widerstand 62. Jede erste Kapazität 64 wird über den zugeordneten dritten Wi derstand 74 jeweils entladen. Es handelt sich hierbei somit um eine T- Zweitoranordnung. Die Entkopplung der Auslösepfade 60, 78 erfolgt mittels der Dioden 76.
Wenn die weitere elektrische Spannung 58 einen bestimmten Wert erreicht, also insbesondere einen Grenzwert überschreitet, erfolgt eine Betätigung des zweiten Schaltelements 46, also ein Auslösen der Ansteuerschaltung 24. Hierbei ist das zweite Schaltelement 56 als Halbleiterschalter ausgebildet, sodass eine Reakti onszeit verringert ist. Infolgedessen wird das erste Schaltelement 18 betätigt, wo bei lediglich eine vergleichsweise geringe zeitliche Verzögerung vorherrscht.
Beispielsweise umfasst der Schutzschalters14 eine weitere Sensorik, mittels derer andere Fehlerarten in dem Gleichstromsystem 2, beispielsweise Störlichtbögen, erfasst werden können. Die weitere Sensorik ist insbesondere ebenfalls gegen den ersten Steuereingang 22 geführt, sodass mittels der Sensorik ebenfalls das erste Schaltelement 18 ausgelöst werden kann. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
2 Gleichstromsystem
4 Wandler
6 Gleichstromkreis
8 Last
10 Versorgungsnetz
12 Strom pfad
14 Schutzschalter
16 Hauptstrom pfad
18 erstes Schaltelement
20 Arbeitskontakt
22 erster Steuereingang
24 Ansteuerschaltung
26 Stromsensor
28 Hallsensor
30 Auswerteschaltung
32 Gleichspannungsquelle
34 Masse
36 Ausgang
38 elektrische Spannung
40 Kennlinienschaltung
42 Eingang
44 weiterer Ausgang
46 Eingang
48 Komparatorschaltung
50 Referenzeingang
52 Ausgang
54 zweiter Steuereingang 56 zweites Schaltelement
58 weitere elektrische Spannung
60 Auslösepfad
62 erster Widerstand erste Kapazität zweiter Widerstand charakteristischer Zweig Kapazität
Widerstand
Kennlinie
dritter Widerstand Diode
weiterer Auslösepfad

Claims

Ansprüche
1. Schutzschalter (14) mit einem Hauptstrom pfad (16), der ein steuerbares erstes Schaltelement (18) mit einem ersten Steuereingang (22) aufweist, der gegen ein steuerbares zweites Schaltelement (56) einer Ansteuerschal tung (24) geführt ist, die einen mit dem Hauptstrom pfad (16) gekoppelten Stromsensor (26) mit zwei Ausgängen (36) aufweist, wobei eine zwischen den Ausgängen (36) anliegende elektrische Spannung (38) abhängig von einem mittels des Hauptstrom pfads (16) geführten elektrischen Stroms ist, wobei jeder der Ausgänge (36) gegen jeweils einen Eingang (42) einer mic- rocontrollerfreien Kennlinienschaltung (40) mit zwei weiteren Ausgängen (44) geführt ist, und wobei das zweite Schaltelement (56) in Abhängigkeit einer zwischen den weiteren Ausgängen (44) anliegenden weiteren elektri schen Spannung (58) betätigt ist, wobei ein funktioneller Zusammenhang zwischen der weiteren elektrischen Spannung (58) und der elektrischen Spannung (38) vorhanden ist.
2. Schutzschalter (14) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die weiteren Ausgänge (44) mit entsprechenden Eingängen (50) einer Komparatorschaltung (48) verbunden sind, die einen Referenzeingang (50) und einen Ausgang (52) aufweist, der gegen einen zweiten Steuereingang (54) des zweiten Schaltelements (56) geführt ist.
3. Schutzschalter (14) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgänge (36) des Stromsensors (26) galvanisch von dem Haupt strompfad (16) getrennt sind.
4. Schutzschalter (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass einer der Eingänge (42) der Kennlinienschaltung (40) mittels eines Auslösepfads (60) gegen einen der weiteren Ausgänge (44) der Kennli- nienschaltung (40) geführt ist, und dass der verbleibende Eingang (42) der Kennlinienschaltung (40) direkt gegen den verbleibenden weiteren Aus gang (44) der Kennlinienschaltung (40) geführt ist.
5. Schutzschalter (14) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Auslösepfad (60) einen ersten Widerstand (62) aufweist, der auf Seiten des weiteren Ausgangs (44) mittels einer ersten Kapazität (64) ge gen den verbleibenden weiteren Ausgang (44) geführt ist.
6. Schutzschalter (14) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass parallel zu der ersten Kapazität (64) ein charakteristischer Zweig (68) geschaltet ist, der eine Reihenschaltung aus einer Kapazität (70) und ei nem Widerstand (72) aufweist.
7. Schutzschalter (14) nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch
weitere parallel zu der ersten Kapazität (64) geschaltete charakteristische Zweige (68).
8. Schutzschalter (14) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Widerstand (62) auf Seiten des Eingangs (42) mittels eines zweiten Widerstands (66) gegen den verbleibenden weiteren Ausgang (44) geführt ist.
9. Schutzschalter (14) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Auslösepfad (60) einen dritten Widerstand (74) umfasst, der pa rallel zu der ersten Kapazität (64) geschaltet ist.
10. Schutzschalter (14) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Auslösepfad (60) zwei Dioden (76) aufweist, von denen eine zwi schen den ersten Widerstand (62) und den Eingang (42) und die verblei bende Diode (76) zwischen den weiteren Ausgang (44) und sowohl den ersten Widerstand (62) als auch die erste Kapazität (64) geschaltet ist.
11. Schutzschalter (14) nach Anspruch 9 oder 10,
gekennzeichnet durch
weitere Auslösepfade (78), die parallel zu dem Auslösepfad (60) geschaltet sind.
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