WO2019238369A1 - Mehrstufige schutzvorrichtung zur überstrom- und überspannungsgeschützten übertragung von elektrischer energie - Google Patents

Mehrstufige schutzvorrichtung zur überstrom- und überspannungsgeschützten übertragung von elektrischer energie Download PDF

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Definitions

  • the present disclosure relates to a protective device for the overcurrent and overvoltage-protected transmission of electrical energy from a voltage connection to an electrical consumer.
  • Protective devices for limiting a current, a voltage and / or a power are usually used in isolating amplifiers in order to protect downstream electrical components from current, voltages and / or powers above a respectively predetermined limit value. Accordingly, the maximum rated data of electrical components which are connected downstream of the protective device can advantageously be reduced. With the protective device, an electrical consumer can also be safely disconnected from the voltage connection in order to meet explosion protection requirements.
  • the protective device typically has an overcurrent protection and an overvoltage protection connected downstream of the overcurrent protection.
  • the overvoltage protection can short-circuit the voltage when a voltage limit value is reached, so that a short-circuit current flows through the overcurrent fuse, which can subsequently trigger when a current limit value is reached in order to interrupt the current flow.
  • a protective device which, in addition to a first overcurrent and overvoltage protection, has an additional, second overcurrent and / or overvoltage protection.
  • a first fuse can be connected downstream of a second fuse, which trips at a lower rated current than the first fuse.
  • the first overvoltage protection and the additional overcurrent protection can be a clamping circuit, which can be triggered by two separate voltage limit switches, in particular differently dimensioned Z diodes.
  • the disclosure relates to a protective device for the overcurrent and overvoltage-protected transmission of electrical energy from a voltage connection to an electrical consumer, the supply connection having two poles.
  • the protective device comprises a first fuse circuit, which is designed to prevent the line current from flowing when the line current from the voltage connection to the electrical consumer reaches a first current limit value.
  • the protective device comprises an overvoltage protection circuit which is connected downstream of the first fuse circuit and is connected upstream of the electrical consumer.
  • the overvoltage protection circuit is designed to connect the poles of the voltage connection in an electrically conductive manner when a first voltage limit value of a voltage at the first fuse circuit is reached, in particular to connect or short-circuit it in order to force a line current which triggers the first current limit value to trigger the first fuse circuit.
  • the protective device comprises a second fuse circuit, which is connected downstream of the overvoltage protection circuit and upstream of the electrical consumer.
  • the second fuse circuit is designed to control the overvoltage protection circuit when a second voltage limit value of a voltage at the second fuse circuit is reached in order to electrically conductively connect the poles of the voltage connection.
  • the second voltage limit can be determined as a function of a nominal voltage of the electrical consumer.
  • the second voltage limit can depend on a nominal power consumption and / or a nominal current consumption of the consumer.
  • the respective voltage at the respective fuse circuit can be tapped at a node of the respective fuse circuit to which the respective consumer is electrically connected.
  • the voltage connection of the protective device can in particular be formed by a circuit which is supplied with electrical energy from an energy supply network and is connected upstream of the first fuse circuit and supplies it with electrical energy.
  • This intermediate stage can be, for example, a switching power supply and / or a voltage converter.
  • the second current limit can be less than the first current limit.
  • electrical consumers connected downstream of the second fuse circuit can have lower current limit values and can be produced correspondingly more cost-effectively and / or less.
  • a voltage transformer can be arranged between the first fuse circuit and the second fuse circuit, which is designed to increase or decrease the voltage of the voltage connection.
  • the voltage transformer can, for example, be designed to reduce a voltage from 24 V to 5 V.
  • Electrical consumers connected downstream of the second fuse circuit can be designed for a higher current intensity than the first fuse circuit, so that the second current intensity limit value can be greater than the first current intensity limit value.
  • the second voltage limit can be smaller or larger than the first voltage limit.
  • the second fuse circuit can trigger the overvoltage protection circuit in the event of a malfunction, in particular an overvoltage of a switching stage which is connected upstream of the second fuse circuit.
  • the protective device can be a combination of an overcurrent fuse and a clamping circuit (crowbar), with which an electrical consumer prevents the flow of an electric current with a current above a current permissible for the electrical consumer and / or the application of a voltage above one for the consumer permissible voltage can be secured.
  • a clamping circuit (crowbar)
  • the protective device can be arranged, for example, in a signal input of an isolation amplifier in order to be able to reduce the maximum rated data of downstream electrical components. Furthermore, the protective device can form an explosion protection in order to enable operation of the downstream electrical components in an explosive environment and / or atmospheres.
  • the protective device can be connected downstream of an energy feed of an electrical consumer in order to be able to expect predetermined current, voltage and / or power values after the protective device.
  • electronic circuits connected downstream of the protective device can have smaller clearances and / or creepage distances, since a reduced voltage level can be expected.
  • the advantage can be achieved in particular that the clearances and creepage distances can be significantly reduced compared to a single-stage fuse arrangement, since the voltages to be expected can be lower.
  • the second fuse circuit can be designed as a chip fuse, which has reduced component dimensions compared to the first fuse circuit. Furthermore, electrical components which are connected downstream of the second fuse circuit can have reduced component dimensions and / or reduced performance data compared to an arrangement after the first fuse circuit.
  • the overvoltage protection circuit is designed to remove the electrically conductive connection between the poles of the voltage connection when the current below the minimum current level flows through the overvoltage protection circuit. This achieves the advantage that the overvoltage device can be returned to an initial state in which the overvoltage device can be triggered.
  • the voltage connection can be short-circuited with the electrically conductive connection between the poles of the voltage connection, so that a voltage of the voltage connection is reduced, in particular is almost 0 V, and a short-circuit current flows through the first fuse circuit and the overvoltage protection circuit can. If the voltage falls below the minimum current, the poles of the voltage connection can be electrically isolated from one another and / or isolated.
  • the second fuse circuit is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a second current limit, the second current limit being dependent on the electrical load.
  • the second fuse circuit has a plurality of voltage limit switches, each of which is connected upstream of an electrical load, and the respective voltage limit switch is designed so that when a voltage limit value of a voltage at the respective voltage limit switch dependent on the respective downstream electrical load is reached, the poles of the voltage connection to connect electrically conductive.
  • the overvoltage protection circuits can each be formed by a zener diode.
  • a connection for connecting a circuit can be connected downstream of each zener diode.
  • the respective zener diode can be designed to become electrically conductive at a predetermined voltage and to switch the semiconductor switch, in particular a thyristor, accordingly.
  • the respective predetermined voltage can depend on the permissible voltage of the respective circuit.
  • Each Zener diode can therefore have a different voltage limit value in relation to the other Zener diodes, at which the Zener diode becomes electrically conductive.
  • the Zener diodes can in particular be cascaded upstream of a plurality of electrical consumers arranged in series, the voltage limit values not necessarily becoming smaller, but also being able to be larger for downstream electrical consumers.
  • the overvoltage protection circuit comprises a semiconductor switch which is electrically connected in parallel to the poles of the voltage connection and has a control input, the semiconductor switch being designed to conductively connect the poles of the voltage connection to a control signal applied to the control input and if the minimum current value falls below the minimum by means of the line current to cancel the electrically conductive connection between the poles of the voltage connection.
  • the semiconductor switch can have a switch input and a switch output, the switch input being connected to a first pole of the voltage connection via the first fuse circuit and the switch output being connected to a second pole of the voltage connection.
  • the semiconductor switch can switch from a first switching state, in which the semiconductor switch electrically isolates the poles of the voltage connection or with high resistance, to a second switching state, in which the poles of the voltage connection are electrically connected with one another, in particular with a low resistance.
  • the overvoltage protection circuit can furthermore have a current sensor which is designed to detect the current intensity of a current flowing through the semiconductor switch in order to switch the semiconductor switch.
  • the semiconductor switch is formed by a thyristor or a transistor.
  • the thyristor can achieve the advantage, for example, that the poles of the voltage connection are automatically electrically insulated when the minimum current value falls below.
  • the thyristor can be a switchable component, which is non-conductive in the initial state and can be switched on by a current at the control input, in particular at a gate electrode. After switching on, the thyristor can also be conductive at the control input without current. The thyristor can switch off when the current falls below a minimum current value, for example a holding current.
  • the semiconductor switch can be exceeded when a
  • Switch voltage limit value in particular without applying a control signal to the control input, from the first switching state to the second switching state.
  • a thyristor can, for example, ignite overhead when a zero break voltage of the thyristor is reached.
  • the transistor can have the advantage that switching from the first switching state to the second switching state and vice versa can take place manually at any time.
  • the overvoltage protection circuit has one
  • Fuse circuit is connected downstream and is connected to the control input of the semiconductor switch via the switch output, and the voltage limit switch is designed to provide the control signal at the switch output when the first voltage limit value is reached by the voltage at the first fuse circuit.
  • the voltage limit switch can switch from a non-conductive state to a conductive state in order to connect the control input to the first pole of the voltage connection via the first fuse circuit.
  • the voltage limit switch can also be connected to the second pole of the voltage connection, in particular via a resistor. With this electrical connection, a current can flow through the
  • Voltage limit switches flow, which can form the control signal for switching the semiconductor switch.
  • the voltage limit switch is formed by a Zener diode and / or by a unipolar overvoltage protection.
  • the Z-diode can switch from a blocking state to a conductive state when the first voltage limit value is reached, the Z-diode switching back from the conductive state to the blocking state when the voltage falls below the voltage limit value.
  • the unipolar overvoltage protection can, for example, be a suppressor diode with which a current pulse can be conducted past the electrical consumer.
  • a voltage above the breakdown voltage of the suppressor diode which could damage the electrical consumer, can be prevented at the electrical consumer.
  • the electrical effect of the voltage limit switch with a low leakage current and a low capacitance can be electrically neutral with respect to the electrical consumer.
  • the current of the pulse is led past the electrical consumer by parallel connection.
  • the Zener diode can be replaced by any voltage limit circuit.
  • the overvoltage protection circuit comprises a resistor which is connected downstream of the switch output of the voltage limit switch and which is electrically parallel to the poles of the with the voltage limit switch Voltage connection is arranged, and wherein the control input is connected to the switch output of the voltage limit switch and the resistor, and wherein the resistor is designed to provide a control signal, in particular in the form of part of the voltage at the voltage connection, when the voltage limit switch is switched at the control input. to switch the semiconductor switch.
  • the voltage limit switch in particular the Z diode
  • switches on reaching the first voltage limit in the case of the Z diode when the Zener voltage is reached, the voltage limit switch can change from a high-resistance state to a low-resistance state.
  • the voltage limit switch in the low-resistance state has a lower ohmic resistance than the downstream resistor. Accordingly, the voltage of the voltage connection drops almost completely across the resistor, so that the voltage at the control input can change.
  • the semiconductor switch can switch, which can have a lower ohmic resistance than the series circuit consisting of the voltage limit switch and the resistor, so that an electrical current with the switching of the semiconductor switch mainly through the semiconductor switch and only to a lesser extent via the voltage limit switch and the Resistance can flow.
  • the first fuse circuit and the second fuse circuit each have an overcurrent protection fuse, in particular a fuse and / or a circuit breaker, the overcurrent protection fuse being designed so that when the first current limit value or the second current limit value is reached, the electrical connection between the voltage connection and the electrical consumer to separate or to separate after a predetermined time interval after reaching the first current limit value or the second current limit value.
  • an overcurrent protection fuse in particular a fuse and / or a circuit breaker
  • the predetermined time interval can be determined by a triggering delay of the respective fuse, in which a wire element of the fuse is heated and melted by the current flow.
  • the release delay of the Overcurrent protection fuse in the first protection circuit can be greater than the tripping delay of the overcurrent protection fuse in the second protection circuit.
  • the first overcurrent protection fuse is used for the subsequent disconnection of the electrical connection between the voltage connection and the electrical consumer after the semiconductor switch has switched. A line current with a current above the first current limit, which triggers the first overcurrent protection fuse, flows via the semiconductor switch and thus not to the electrical consumer.
  • the second overcurrent protection fuse can protect the electrical consumer from a line current with a current intensity that could damage the electrical consumer.
  • the second overcurrent protection fuse can therefore trip faster and at a lower current than the first overcurrent protection fuse.
  • the second fuse circuit has a further voltage limit switch, which is connected or connected upstream of the further switch input of the overcurrent protection fuse, and wherein the further switch output is connected to the control input, and the further voltage limit switch is designed when the second voltage limit value is reached by a Voltage, which is present at the second fuse circuit, to provide a control signal for triggering the overvoltage protection circuit at the further switch output.
  • the further switch output is followed by a resistor, via which the further voltage limit switch can be connected to a pole of the voltage connection.
  • the voltage limit switch and the further voltage limit switch can both advantageously be connected upstream of the same resistor.
  • the overvoltage protection circuit is designed when the overvoltage protection circuit is triggered by means of the further
  • Voltage limit switch prevent an increase in a voltage that is present at the electrical consumer (103) above the second voltage limit value of the further voltage limit switch (127). Furthermore, a flow of a line current, in particular above the second current limit value, through the second fuse circuit to the electrical consumer can be prevented. By triggering the overvoltage protection circuit by means of the further voltage limit switch, the poles of the voltage connection can be short-circuited by the switched semiconductor switch in order to prevent current flow to the electrical consumer.
  • the first protection circuit and / or the second protection circuit are designed to interrupt an electrical connection between the voltage connection and the electrical consumer when a short-circuit current flows through the overvoltage protection circuit, in order to ensure that the line current flows at a current strength above the first current limit value and / or prevent above the second current limit value to the electrical consumer.
  • the electrical connection can be interrupted by means of a blocking semiconductor element, a mechanical switching contact or by means of a defined melting of the overcurrent protection fuse. Accordingly, disconnection of the electrical connection can be carried out reversibly or, in the case of defined melting, can be carried out irreversibly.
  • manual intervention may be necessary in order to put the circuit back into operation. For example, it may be necessary to replace one of the overcurrent protection fuses and / or to correct the cause of the overvoltage or overcurrent.
  • the first fuse circuit and / or the second fuse circuit are designed to detect a component and / or ambient temperature and to trigger the overvoltage protection circuit when the component and / or ambient temperature reaches a temperature limit and / or to cause a current to flow from the voltage connection to the electrical consumer prevention. This has the advantage that the electrical consumer can be protected against thermal loads.
  • the second fuse circuit is designed to provide the electrical consumer with a reduced maximum electrical power compared to the combination consisting of the first fuse circuit and the overvoltage protection circuit by limiting the line current to the second current limit and limiting the voltage of the voltage connection to the second voltage limit.
  • the first fuse circuit and / or the overvoltage protection circuit is followed by a power pack, the power pack being connected upstream of the second fuse circuit and designed to provide the second fuse circuit with a voltage which is increased or decreased compared to the voltage of the voltage connection.
  • FIG. 1 shows a protective device in one embodiment
  • Fig. 3 shows a protective device in one embodiment.
  • the protective device 100 comprises a first fuse circuit 105, which is designed to prevent the line current from flowing when the line current from the voltage connection 101 to the electrical load 103 reaches a first current limit value.
  • the protective device 100 further comprises an overvoltage protection circuit 107, which is connected downstream of the first fuse circuit 105 and is connected upstream of the electrical consumer 103.
  • the overvoltage protection circuit 107 is designed when a first voltage limit value of a voltage at the first fuse circuit 105 is reached, to connect the poles of the voltage connection 101 in an electrically conductive manner in order to force a line current to trigger the first fuse circuit 105, which current reaches the first current limit value.
  • the protection device 100 further comprises a second fuse circuit 109, which is connected downstream of the overvoltage protection circuit 107 and is connected upstream of the electrical load 103.
  • the second fuse circuit 109 is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a second current limit value.
  • the second fuse circuit 109 is further configured to electrically conductively connect the poles of the voltage connection 101 when a second voltage limit value of a voltage which is present at the second fuse circuit 109 is reached, the second current limit value and the second voltage limit value depending on a nominal voltage and a nominal current intensity of the electrical consumer 103 are determined.
  • the overvoltage protection circuit 107 comprises a thyristor 1 1 1, in particular a thyristor, which is electrically connected in parallel to the poles of the voltage connection 101 and has a control input 1 13.
  • the semiconductor switch 1 1 1 is designed to connect the poles of the voltage connection 101 in an electrically conductive manner with a control signal applied to the control input 1 13 and to break the electrically conductive connection between the poles of the voltage connection 101 when the line current falls below the minimum current value.
  • the overvoltage device 107 comprises a voltage limit switch 1 15, in particular a Z diode with a switch input 11 and a
  • the voltage limit switch 1 15 is connected via the switch input 1 17 to the first fuse circuit 105 and via the
  • Switch output 1 19 connected to the control input 1 13 of the semiconductor switch 1 1 1. Furthermore, the voltage limit switch 1 15 is designed to provide the control signal at the switch output 1 19 when the first voltage limit value is reached by the voltage at the first fuse circuit 105.
  • the overvoltage protection circuit 107 further comprises a resistor 121, which is connected downstream of the switch output 1 19 of the voltage limit switch 1 15 and with the voltage limit switch 1 15 electrically in parallel with the poles of the Voltage terminal 101 is arranged.
  • the control input 1 13 is connected to the switch output 1 19 of the voltage limit switch 1 15 and the resistor 121, the resistor 121 being designed to apply a control signal, in particular in the form of part of the voltage, to the control input 1 13 when the voltage limit switch 1 15 is switched the voltage terminal 101 to provide to switch the semiconductor switch 1 1 1.
  • the first fuse circuit 105 and the second fuse circuit 109 each have an overcurrent protection fuse 123, 125, in particular a fuse.
  • the overcurrent protection device 123 is designed to disconnect the electrical connection between the voltage connection 101 and the electrical consumer 103 when the first current limit value is reached, or to disconnect it after a predetermined time interval after the first current limit value has been reached.
  • the overcurrent protection fuse 125 is designed to disconnect the electrical connection between the voltage connection 101 and the electrical consumer 103 when the second current limit value is reached or to disconnect it after a predetermined time interval after the first current limit value or the second current limit value has been reached.
  • the second fuse circuit 109 has a further voltage limit switch 127 with a further switch input 129 and a further switch output 131, which is connected downstream of the overcurrent protection fuse 125 with the further switch input 129.
  • overcurrent protection fuse 125 is connected upstream of further voltage limit switch 131, or second fuse circuit 109 does not include overcurrent protection fuse 125.
  • the further switch output 131 is connected to the control input 1 13, and the further voltage limit switch 127 is designed, when the second voltage limit value is reached by a voltage at the further voltage limit switch 127, to provide a control signal for triggering the overvoltage protection circuit 107 at the further switch output 131, the second voltage limit value is determined as a function of a nominal voltage of the electrical consumer 103.
  • the further switch output 131 is connected to the control signal input 1 13, the switch output 1 19 and the resistor 121. Accordingly, the trigger further voltage limit switch 127 similar to the voltage limit switch 1 15 the semiconductor switch 1 1 1. When switching the voltage limit switch 1 15 or the further voltage limit switch 127, part of a voltage of the voltage connection 101 at the resistor 121 can drop. This voltage can be present as a control signal at the control input 1 13 of the semiconductor switch 1 1 1. Before the semiconductor switch 1 1 1 is switched, a current can flow via the further voltage limit switch 127 and the resistor 121.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the protective device 100 for the overcurrent and overvoltage-protected transmission of electrical energy from a voltage connection 101 to an electrical consumer 103, the supply connection 101 having two poles.
  • the protective device 100 comprises a first fuse circuit 105, which is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a first current limit value from the voltage connection 101 to the electrical load 103.
  • the protective device 100 further comprises an overvoltage protection circuit 107, which is connected downstream of the first fuse circuit 105 and is connected upstream of the electrical consumer 103.
  • the overvoltage protection circuit 107 is designed to electrically conductively connect the poles of the voltage connection 101 when a first voltage limit value of a voltage at the first fuse circuit 105 is reached, in order to force a line current to trigger the first fuse circuit 105, which current reaches the first current limit value.
  • the protection device 100 further comprises a second fuse circuit 109, which is connected downstream of the overvoltage protection circuit 107 and is connected upstream of the electrical load 103.
  • the second fuse circuit 109 is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a second current limit value.
  • the second fuse circuit 109 is further configured to electrically conductively connect the poles of the voltage connection 101 when a second voltage limit value of a voltage which is present at the second fuse circuit 109 is reached, the second current limit value and the second voltage limit value each being dependent on a nominal voltage or one Nominal current of the electrical consumer 103 are determined.
  • the second fuse circuit 109 has a further voltage limit switch 127 with a further switch input 129 and a further switch output 131 which is connected upstream of the overcurrent protection fuse 125 with the further switch input 129.
  • the second fuse circuit 109 comprises a plurality of voltage limit switches 127, 301, each of which is connected upstream of an electrical load 103, and the respective voltage limit switch 127, 301 is designed when one of the two is reached downstream electrical consumer 103 dependent voltage limit of a voltage at the respective voltage limit switch 127, 301 to connect the poles of the voltage connection in an electrically conductive manner.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)

Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Schutzvorrichtung (100) zur Energieübertragung von einem zweipoligen Spannungsanschluss (101) zu einem elektrischen Verbraucher (103). Eine erste Sicherungsschaltung (105) ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Stromstärkegrenzwertes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss (101) zu dem elektrischen Verbraucher (103) ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Eine Überspannungsschutzschaltung (107) ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes den Spannungsanschluss (101) kurzzuschließen, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung (105) einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Stromstärkegrenzwert erreicht. Die Überspannungsschutzschaltung (107) ist der ersten Sicherungsschaltung (105) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet. Eine zweite Sicherungsschaltung (109) ist der Überspannungsschutzschaltung (107) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet und ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Spannungsgrenzwerts einer Spannung an der zweiten Sicherungsschaltung (109) die Überspannungsschutzschaltung (107) anzusteuern, um den Spannungsanschlusses (101) kurzzuschließen. Der zweite Spannungsgrenzwert ist in Abhängigkeit von einer Nennspannung des elektrischen Verbrauchers (103) bestimmt.

Description

MEHRSTUFIGE SCHUTZVORRICHTUNG ZUR ÜBERSTROM- UND
ÜBERSPANNUNGSGESCHÜTZTEN ÜBERTRAGUNG VON ELEKTRISCHER
ENERGIE
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Überstrom- und überspannungsgesicherten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss zu einem elektrischen Verbraucher.
Üblicherweise werden in Trennverstärkern Schutzvorrichtungen zur Begrenzung einer Stromstärke, einer Spannung und/oder einer Leistung eingesetzt, um nachgeschaltete elektrische Bauteile vor Stromstärken, Spannungen und/oder Leistungen oberhalb eines jeweils vorbestimmten Grenzwertes zu schützen. Entsprechend können die maximalen Bemessungsdaten von elektrischen Bauteilen, welche der Schutzvorrichtung nachgeschaltet sind, vorteilhaft reduziert sein. Mit der Schutzvorrichtung kann ferner ein elektrischer Verbraucher sicher von dem Spannungsanschluss getrennt werden, um Anforderungen des Explosionsschutzes zu genügen.
Typischerweise weist die Schutzvorrichtung eine Überstromsicherung und einen der Überstromsicherung nachgeschalteten Überspannungsschutz auf. Der Überspannungsschutz kann bei einem Erreichen eines Spannungsgrenzwerts die Spannung kurzschließen, sodass ein Kurzschlussstrom durch die Überstromsicherung fließt, welche nachfolgend bei Erreichen eines Stromstärkegrenzwerts auslösen kann, um den Stromfluss zu unterbrechen. In nachteiliger Weise kann es notwendig sein, die nachgeschalteten elektrischen Bauteile entsprechend dem Stromstärkegrenzwert und/oder entsprechend dem Spannungsgrenzwert zu dimensionieren. Demnach können die elektrischen Bauteile erhöhte Bauteilabmessungen und für den Betrieb unterhalb des Stromstärke- und/oder Spannungsgrenzwertes nicht notwendige, erhöhte Nennstromstärken und/oder erhöhte Bemessungsspannungen aufweisen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine effizientere Schutzvorrichtung bereitzustellen, welches es ermöglicht der Schutzvorrichtung elektrische Bauteile nachzuschalten, welche für unterschiedliche Nennspannungen ausgelegt sein können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der beiliegenden Figuren. Die vorliegende Offenbarung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch eine Schutzvorrichtung gelöst werden kann, welches neben einer ersten Überstrom- und Überspannungssicherung eine zusätzliche, zweite Überstrom- und/oder Überspannungssicherung aufweist. Insbesondere kann einer ersten Schmelzsicherung eine zweite Schmelzsicherung nachgeschaltet sein, welche bei einem niedrigeren Nennstrom auslöst, als die erste Sicherung. Dadurch kann der elektrische Verbraucher auch vor Überströmen geschützt sein, welche kleiner sind als der von der Überspannungsvorrichtung hervorgerufene Kurzschlussstrom. Die erste Überspannungssicherung und die zusätzliche Überstromsicherung kann eine Klemmschaltung sein, welche durch zwei separate Spannungsgrenzwertschalter, insbesondere unterschiedliche dimensionierte Z-Dioden, ausgelöst werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Offenbarung eine Schutzvorrichtung zur überstrom- und überspannungsgeschützten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss zu einem elektrischen Verbraucher, wobei der Versorgungsanschluss zwei Pole aufweist. Die Schutzvorrichtung umfasst eine erste Sicherungsschaltung, welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Stromstärkegrenzwertes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss zu dem elektrischen Verbraucher ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung eine Überspannungsschutzschaltung, welche der ersten Sicherungsschaltung nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher vorgeschaltet ist. Die Überspannungsschutzschaltung ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an der ersten Sicherungsschaltung die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden, insbesondere niederohmig zu verbinden oder kurzzuschließen, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Stromstärkegrenzwert erreicht. Ferner umfasst die Schutzvorrichtung eine zweite Sicherungsschaltung, welche der Überspannungsschutzschaltung nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher vorgeschaltet ist. Die zweite Sicherungsschaltung ist ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Spannungsgrenzwerts einer Spannung an der zweiten Sicherungsschaltung die Überspannungsschutzschaltung anzusteuern, um die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden. Der zweite Spannungsgrenzwert kann in Abhängigkeit von einer Nennspannung des elektrischen Verbrauchers bestimmt sein. Ferner kann der zweite Spannungsgrenzwert von einer Nenn-Leistungsaufnahme und/oder einer Nenn-Stromaufnahme des Verbrauchers abhängig sein. Die jeweilige Spannung an der jeweiligen Sicherungsschaltung kann an einem Knotenpunkt der jeweiligen Sicherungsschaltung abgegriffen werden, mit welchem der jeweilige Verbraucher elektrisch verbunden ist.
Der Spannungsanschluss der Schutzvorrichtung kann insbesondere durch eine Schaltung gebildet sein, welche von einem Energiebereitstellungsnetz mit elektrischer Energie versorgt wird und der ersten Sicherungsschaltung vorgeschaltet ist und diese mit elektrischer Energie versorgt. Diese zwischengeschaltete Stufe kann beispielsweise ein Schaltnetzteil und/oder ein Spannungswandler sein.
Der zweite Stromstärkegrenzwert kann kleiner sein als der erste Stromstärkegrenzwert. Insbesondere falls zwischen der ersten Sicherungsschaltung und der zweiten Sicherungsschaltung eine Spannungstransformation der Spannung des Spannungsanschluss nicht vorgesehen ist, können der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltete elektrische Verbraucher geringere Stromstärkegrenzwerte aufweisen und entsprechend kostengünstiger und/oder kleiner hergestellt werden.
Ferner kann zwischen der ersten Sicherungsschaltung und der zweiten Sicherungsschaltung ein Spannungstransformator angeordnet sein, welcher ausgebildet ist, die Spannung des Spannungsanschlusses herauf- oder herabzusetzen. Der Spannungstransformator kann beispielsweise ausgebildet sein eine Spannung von 24 V auf 5 V herabzusetzen. Der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltete elektrische Verbraucher können für eine höhere Stromstärke als die erste Sicherungsschaltung ausgelegt sein, sodass der zweite Stromstärkegrenzwert größer ist als der erste Stromstärkegrenzwert sein kann. Ebenso kann der zweite Spannungsgrenzwert kleiner oder größer als der erste Spannungsgrenzwert sein.
Entsprechend kann die zweite Sicherungsschaltung bei einer Fehlfunktion, insbesondere einer Überspannung einer Schaltstufe, welche der zweiten Sicherungsschaltung vorgeschaltet ist, die Überspannungsschutzschaltung auslösen.
Die Schutzvorrichtung kann ein Verbund aus einer Überstromsicherung und einer Klemmschaltung (Crowbar) sein, mit welcher ein elektrischer Verbraucher gegen das Fließen eines elektrischen Stroms mit einer Stromstärke oberhalb einer für den elektrischen Verbraucher zulässigen Stromstärke und/oder das Anliegen einer Spannung oberhalb einer für den Verbraucher zulässigen Spannung gesichert werden kann. Insbesondere kann in Kombination der Begrenzung der Stromstärke und der Spannung auch eine elektrische Maximalleistung, welche der Verbraucher umsetzen kann, definiert sein.
Ferner kann die Schutzvorrichtung beispielsweise in einem Signaleingang eines Trennverstärkers angeordnet werden, um die maximalen Bemessungsdaten nachgeschalteter elektrischer Bauteile reduzieren zu können. Weiterhin kann die Schutzvorrichtung einen Explosionsschutz bilden, um einen Betrieb der nachgeschalteten elektrischen Bauteile in einer explosionsgefährdeten Umgebung und/oder Atmosphären, zu ermöglichen.
Die Schutzvorrichtung kann einer Energieeinspeisung eines elektrischen Verbrauchers nachgeschaltet sein, um nach der Schutzvorrichtung vorbestimmte Strom-, Spannungs- und/oder Leistungswerte erwarten zu können. Entsprechend können der Schutzvorrichtung nachgeschaltete elektronische Schaltungen geringere Luft- und/oder Kriechstrecken aufweisen, da mit einem reduzierten Spannungsniveau gerechnet werden kann.
Mit der Anordnung einer zweiten Sicherungsschaltung nach der ersten Sicherungsschaltung kann insbesondere der Vorteil erreicht werden, dass die Luft- und Kriechstrecken gegenüber einer einstufigen Sicherungsanordnung signifikant reduziert werden können, da die zu erwartenden Spannungen niedriger sein können. Die zweite Sicherungsschaltung kann als eine Chip-sicherung ausgeführt sein, welche reduzierte Bauteilabmessungen gegenüber der ersten Sicherungsschaltung aufweist. Ferner können elektrische Bauteile, welche der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltet sind gegenüber einer Anordnung nach der ersten Sicherungsschaltung reduzierte Bauteilabmessungen und/oder reduzierte Leistungsdaten aufweisen.
In einer Ausführungsform ist die Überspannungsschutzschaltung ausgebildet, bei Unterschreiten einer Mindeststromstärke des durch die Überspannungsschutzschaltung fließenden Leitungsstroms die elektrische leitende Verbindung zwischen den Polen des Spannungsanschlusses aufzuheben. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Überspannungsvorrichtung in einen Ausgangszustand, in welchem die Überspannungsvorrichtung ausgelöst werden kann, zurückversetzt werden kann. Mit der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Polen des Spannungsanschlusses kann der Spannungsanschluss kurzgeschlossen sein, sodass eine Spannung des Spannungsanschlusses reduziert ist, insbesondere nahezu 0 V beträgt und durch die erste Sicherungsschaltung und die Überspannungsschutzschaltung ein Kurzschlussstrom fließen kann. Mit Unterschreiten der Mindeststromstärke können die Pole des Spannungsanschlusses voneinander elektrisch getrennt und/oder isoliert werden.
In einer Ausführungsform ist die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Stromstärkegrenzwertes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden, wobei der zweite Stromstärkegrenzwert von dem elektrischen Verbraucher abhängig ist.
In einer Ausführungsform weist die zweite Sicherungsschaltung eine Mehrzahl von Spannungsgrenzwertschaltern auf, welche jeweils einem elektrischen Verbraucher vorgeschaltet sind, und wobei der jeweilige Spannungsgrenzwertschaltern ausgebildet ist, bei Erreichen eines von dem jeweiligen nachgeschalteten elektrischen Verbraucher abhängigen Spannungsgrenzwerts einer Spannung an dem jeweiligen Spannungsgrenzwertschalter die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden.
Insbesondere können die Überspannungsschutzschaltungen jeweils durch eine Zenerdiode gebildet sein. Jeder Zenerdiode kann ein Anschluss zum Anschließen eines Schaltkreises nachgeschaltet sein. Die jeweilige Zenerdiode kann ausgebildet sein, bei einer vorbestimmten Spannung elektrisch leitend zu werden und entsprechend den Halbleiterschalter, insbesondere einen Thyristor zu schalten. Die jeweilige vorbestimmte Spannung kann von der zulässigen Spannung des jeweiligen Schaltkreises abhängen. Jede Zenerdiode kann daher in Bezug zu den weiteren Zenerdioden einen unterschiedlichen Spannungsgrenzwert aufweisen, bei welcher die Zenerdiode elektrisch leitend wird. Die Zenerdioden können insbesondere kaskadenartig mehreren seriell angeordneten elektrischen Verbrauchern vorgeschaltet sein, wobei die Spannungsgrenzwerte nicht notwendigerweise kleiner werden, sondern für nachgeschaltete elektrische Verbraucher auch größer sein können.
In einer Ausführungsform umfasst die Überspannungsschutzschaltung einen Halbleiterschalter, welcher elektrisch parallel mit den Polen des Spannungsanschlusses verbunden ist und einen Steuereingang aufweist, wobei der Halbleiterschalter ausgebildet ist, mit einem an dem Steuereingang anliegenden Steuersignal die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden und bei Unterschreiten des Mindeststromstärkewerts durch den Leitungsstrom die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Polen des Spannungsanschlusses aufzuheben. Der Halbleiterschalter kann einen Schaltereingang und einen Schalterausgang aufweisen, wobei der Schaltereingang über die erste Sicherungsschaltung mit einem ersten Pol des Spannungsanschlusses verbunden ist und der Schalterausgang mit einem zweiten Pol des Spannungsanschlusses verbunden ist. Mit dem Steuersignal kann der Halbleiterschalter von einem ersten Schaltzustand, in welchem der Halbleiterschalter die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch isoliert oder hochohmig verbindet, zu einem zweiten Schaltzustand schalten, in welchem die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch miteinander verbunden werden, insbesondere niederohmig verbunden werden.
Mit Unterschreiten der Mindeststromstärke kann der Halbleiterschalter selbstständig oder mittels eines Steuersignals an dem Steuereingang von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand schalten. Die Überspannungsschutzschaltung kann ferner einen Stromsensor aufweisen, welcher ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch den Halbleiterschalter fließenden Stroms zu erfassen, um den Halbleiterschalter zu schalten.
In einer Ausführungsform ist der Halbleiterschalter durch einen Thyristor oder einen Transistor gebildet. Der Thyristor kann beispielsweise den Vorteil erreichen, dass automatisch bei Unterschreiten des Mindeststromstärkewerts die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch isoliert sind. Der Thyristor kann ein einschaltbares Bauelement sein, welches im Ausgangszustand nichtleitend ist und durch einen Strom an dem Steuereingang, insbesondere an einer Gate-Elektrode eingeschaltet werden kann. Nach dem Einschalten kann der Thyristor auch ohne Strom an dem Steuereingang leitend sein. Der Thyristor kann bei Unterschreiten eines Mindeststromstärkewerts, beispielsweise eines Haltestroms, ausschalten.
Weiterhin kann der Halbleiterschalter bei einem Überschreiten eines
Schalterspannungsgrenzwerts, insbesondere auch ohne Anliegen eines Steuersignals an dem Steuereingang, von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand schalten. Ein Thyristor kann beispielsweise Überkopfzünden, wenn eine Nullkippspannung des Thyristors erreicht ist. Mit dem Transistor kann der Vorteil erreicht werden, dass ein Schalten von dem ersten Schaltzustand zu dem zweiten Schaltzustand und umgekehrt manuell zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen kann. In einer Ausführungsform weist die Überspannungsschutzschaltung einen
Spannungsgrenzwertschalter mit einem Schaltereingang und einem Schalterausgang auf, wobei der Spannungsgrenzwertschalter über den Schaltereingang der ersten
Sicherungsschaltung nachgeschaltet ist und über den Schalterausgang mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden ist, und wobei der Spannungsgrenzwertschalter ausgebildet ist, bei Erreichen des ersten Spannungsgrenzwerts durch die Spannung an der ersten Sicherungsschaltung an dem Schalterausgang das Steuersignal bereitzustellen.
Der Spannungsgrenzwertschalter kann bei Erreichen des Spannungsgrenzwertes von einem nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand schalten, um den Steuereingang über die erste Sicherungsschaltung mit dem ersten Pol des Spannungsanschlusses zu verbinden. Mit dem Schalterausgang kann der Spannungsgrenzwertschalter ferner mit dem zweiten Pol des Spannungsanschlusses, insbesondere über einen Widerstand, verbunden sein. Mit dieser elektrischen Verbindung kann ein Strom durch den
Spannungsgrenzwertschalter fließen, welcher das Steuersignal zum Schalten des Halbleiterschalters bilden kann.
In einer Ausführungsform ist der Spannungsgrenzwertschalter durch eine Z-Diode und/oder durch einen unipolaren Überspannungsschutz gebildet. Die Z-Diode kann bei Erreichen des ersten Spannungsgrenzwerts von einem sperrenden Zustand in einen leitenden Zustand schalten, wobei die Z-Diode bei einem Unterschreiten des Spannungsgrenzwertes von dem leitenden Zustand zu dem sperrenden Zustand zurückwechselt.
Der unipolare Überspannungsschutz kann beispielsweise eine Suppressordiode sein, mit welcher ein Stromimpuls an dem elektrischen Verbraucher vorbeigeführt werden kann. Dadurch kann ein Anliegen einer Spannung oberhalb der Durchbruchspannung der Suppressordiode, welche den elektrischen Verbraucher beschädigen könnte, an dem elektrischen Verbraucher unterbunden werden. Unterhalb der Strom- und/oder Spannungsgrenzwerte kann die elektrische Wirkung des Spannungsgrenzwertschalters mit einem geringen Leckstrom und einer geringen Kapazität elektrisch neutral gegenüber dem elektrischen Verbraucher sein. Der Strom des Impulses wird durch Parallelschaltung an dem elektrischen Verbraucher vorbeigeführt. Die Z-Diode kann durch eine beliebige Spannungsgrenzwertschaltung ersetzt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Überspannungsschutzschaltung einen Widerstand, welcher dem Schalterausgang des Spannungsgrenzwertschalters nachgeschaltet ist und mit dem Spannungsgrenzwertschalter elektrisch parallel zu den Polen des Spannungsanschlusses angeordnet ist, und wobei der Steuereingang mit dem Schalterausgang des Spannungsgrenzwertschalters und dem Widerstand verbunden ist, und wobei der Widerstand ausgebildet ist, bei einem Schalten des Spannungsgrenzwertschalters an dem Steuereingang ein Steuersignal, insbesondere in Form eines Teils der Spannung an dem Spannungsanschluss, bereitzustellen, um den Halbleiterschalter zu schalten.
Wenn der Spannungsgrenzwertschalter, insbesondere die Z-Diode, aufgrund des Erreichens des ersten Spannungsgrenzwerts, im Falle der Z-Diode bei Erreichen der Zener- Spannung, schaltet, kann der Spannungsgrenzwertschalter von einem hochohmigen Zustand zu einem niederohmigen Zustand übergehen. Insbesondere im Vergleich zu dem nachgeschalteten Widerstand weist der Spannungsgrenzwertschalter in dem niederohmigen Zustand einen geringeren ohmschen Widerstand auf als der nachgeschaltete Widerstand. Dementsprechend fällt die Spannung des Spannungsanschlusses fast vollständig an dem Widerstand ab, sodass sich die Spannung an dem Steuereingang ändern kann.
Mit der Spannungsänderung kann der Halbleiterschalter schalten, welcher gegenüber der Reihenschaltung bestehend aus dem Spannungsgrenzwertschalter und dem Widerstand einen geringeren ohmschen Widerstand aufweisen kann, sodass ein elektrischer Strom mit dem Schalten des Halbleiterschalters hauptsächlich durch den Halbleiterschalter und nur zu einem geringeren Teil über den Spannungsgrenzwertschalter und den Widerstand fließen kann.
In einer Ausführungsform weist die erste Sicherungsschaltung und die zweite Sicherungsschaltung jeweils eine Überstromschutzsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung und/oder einen Leistungsschutzschalter auf, wobei die Überstromschutzsicherung ausgebildet ist, bei Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts respektive des zweiten Stromstärkegrenzwerts die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervall nach dem Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts respektive des zweiten Stromstärkegrenzwerts zu trennen.
Das vorbestimmte Zeitintervall kann durch eine Auslöseverzögerung der jeweiligen Schmelzsicherung bestimmt sein, in welcher ein Drahtelement der Schmelzsicherung durch den Stromfluss erwärmt und aufgeschmolzen wird. Die Auslöseverzögerung der Überstromschutzsicherung in der ersten Schutzschaltung kann größer sein als die Auslöseverzögerung der Überstromschutzsicherung in der zweiten Schutzschaltung. Insbesondere dient die erste Überstromschutzsicherung dem nachfolgenden Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher, nachdem der Halbleiterschalter geschaltet hat. Ein Leitungsstrom mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Stromstärkegrenzwertes, welcher die erste Überstromschutzsicherung auslöst, fließt über den Halbleiterschalter und somit nicht zu dem elektrischen Verbraucher.
Ein Schutz des elektrischen Verbrauchers vor einem Leitungsstrom mit einer Stromstärke, welcher den elektrischen Verbraucher beschädigen könnte, kann durch die zweite Überstromschutzsicherung realisiert sein. Die zweite Überstromschutzsicherung kann demnach schneller und bei einer niedrigeren Stromstärke als die erste Überstromschutzsicherung auslösen.
In einer Ausführungsform weist die zweite Sicherungsschaltung einen weiteren Spannungsgrenzwertschalter auf, welcher mit dem weiteren Schaltereingang der Überstromschutzsicherung nachgeschaltet oder vorgeschaltet ist, und wobei der weitere Schalterausgang mit dem Steuereingang verbunden ist, und wobei der weitere Spannungsgrenzwertschalter ausgebildet ist, bei Erreichen des zweiten Spannungsgrenzwerts durch eine Spannung, welche an der zweiten Sicherungsschaltung anliegt, an dem weiteren Schalterausgang ein Steuersignal zum Auslösen der Überspannungsschutzschaltung bereitzustellen.
Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass auch bei Erreichen des zweiten Spannungsgrenzwerts ein Leitungsstrom mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Stromstärkegrenzwerts lediglich durch die erste Sicherungsschaltung und die Überspannungsschutzschaltung fließt. Die zweite Überstromschutzsicherung kann demnach bei Erreichen des zweiten Spannungsgrenzwertes vorteilhafterweise nicht auslösen.
In einer Ausführungsform ist dem weiteren Schalterausgang ein Widerstand nachgeschaltet, über welchen der weitere Spannungsgrenzwertschalter mit einem Pol des Spannungsanschlusses verbindbar ist. Der Spannungsgrenzwertschalter und der weitere Spannungsgrenzwertschalter können beide vorteilhafterweise dem selben Widerstand vorgeschaltet sein. In einer Ausführungsform ist die Überspannungsschutzschaltung ausgebildet, bei einem Auslösen der Überspannungsschutzschaltung mittels des weiteren
Spannungsgrenzwertschalters ein Ansteigen einer Spannung, die an dem elektrischen Verbraucher (103) anliegt, oberhalb des zweiten Spannungsgrenzwertes des weiteren Spannungsgrenzwertschalters (127) zu unterbinden. Ferner kann ein Fließen eines Leitungsstromes, insbesondere oberhalb des zweiten Stromstärkegrenzwertes durch die zweite Sicherungsschaltung zu dem elektrischen Verbraucher unterbunden sein. Durch Auslösen der Überspannungsschutzschaltung mittels des weiteren Spannungsgrenzwertschalters können die Pole des Spannungsanschlusses durch den leitend geschalteten Halbleiterschalter kurzgeschlossen werden, um einen Stromfluss zu dem elektrischen Verbraucher zu unterbinden.
In einer Ausführungsform sind die erste Schutzschaltung und/oder die zweite Schutzschaltung ausgebildet, bei einem Fließen eines Kurzschlussstromes durch die Überspannungsschutzschaltung eine elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher zu unterbrechen, um das Fließen des Leitungsstroms mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Stromstärkegrenzwerts und/oder oberhalb des zweiten Stromstärkegrenzwerts zu dem elektrischen Verbraucher zu unterbinden.
Das Unterbrechen der elektrischen Verbindung kann mittels eines sperrenden Halbleiterelements, eines mechanischen Schaltkontakts oder mittels eines definierten Schmelzens der Überstromschutzsicherung realisiert sein. Demnach kann ein Trennen der elektrischen Verbindung reversibel ausgeführt sein oder im Falle des definierten Schmelzens irreversibel ausgeführt sein. Nach einem Auslösen der ersten Schutzschaltung und/oder der zweiten Schutzschaltung kann ein manueller Eingriff notwendig sein, um die Schaltung wieder in Betrieb zu nehmen. Beispielsweise kann es notwendig sein eine der Überstromschutzsicherungen zu ersetzen und/oder die Ursache der Überspannung oder des Überstroms zu beheben.
In einer Ausführungsform sind die erste Sicherungsschaltung und/oder die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet, eine Bauteil- und/oder Umgebungstemperatur zu erfassen und bei Erreichen eines Temperaturgrenzwertes durch die Bauteil und/oder Umgebungstemperatur die Überspannungsschutzschaltung auszulösen und/oder ein Fließen eines Stroms von dem Spannungsanschluss zu dem elektrischen Verbraucher zu unterbinden. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der elektrische Verbraucher vor thermischen Belastungen geschützt sein kann.
In einer Ausführungsform ist die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet, dem elektrischen Verbraucher eine gegenüber dem Verbund bestehend aus der ersten Sicherungsschaltung und der Überspannungsschutzschaltung mittels einer Begrenzung des Leitungsstroms auf den zweiten Stromstärkegrenzwert und einer Begrenzung einer Spannung des Spannungsanschlusses auf den zweiten Spannungsgrenzwert eine reduzierte elektrische Maximalleistung bereitzustellen.
In einer Ausführungsform ist der ersten Sicherungsschaltung und/oder der Überspannungsschutzschaltung ein Netzteil nachgeschaltet, wobei das Netzteil der zweiten Sicherungsschaltung vorgeschaltet und ausgebildet ist, der zweiten Sicherungsschaltung eine gegenüber der Spannung des Spannungsanschlusses erhöhte oder erniedrigte Spannung bereitzustellen.
Weitere Ausführungsbeispiele werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform;
Fig. 2 eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform; und
Fig. 3 eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Schutzvorrichtung 100 zur Überstrom- und überspannungsgeschützten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss 101 zu einem elektrischen Verbraucher 103, wobei der Versorgungsanschluss 101 zwei Pole aufweist. Die Schutzvorrichtung 100 umfasst eine erste Sicherungsschaltung 105, welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Stromstärkegrenzwertes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss 101 zu dem elektrischen Verbraucher 103 ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden.
Ferner umfasst die Schutzvorrichtung 100 eine Überspannungsschutzschaltung 107, welche der ersten Sicherungsschaltung 105 nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher 103 vorgeschaltet ist. Die Überspannungsschutzschaltung 107 ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an der ersten Sicherungsschaltung 105 die Pole des Spannungsanschlusses 101 elektrisch leitfähig zu verbinden, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung 105 einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Stromstärkegrenzwert erreicht.
Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung 100 eine zweite Sicherungsschaltung 109, welche der Überspannungsschutzschaltung 107 nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher 103 vorgeschaltet ist. Die zweite Sicherungsschaltung 109 ist ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Stromstärkegrenzwertes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Die zweite Sicherungsschaltung 109 ist ferner ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Spannungsgrenzwerts einer Spannung, welche an der zweiten Sicherungsschaltung 109 anliegt, die Pole des Spannungsanschlusses 101 elektrisch leitfähig zu verbinden, wobei der zweite Stromstärkegrenzwert und der zweite Spannungsgrenzwert in Abhängigkeit einer Nennspannung respektive einer Nennstromstärke des elektrischen Verbrauchers 103 bestimmt sind.
Die Überspannungsschutzschaltung 107 umfasst einen Thyristor 1 1 1 , insbesondere einen Thyristor, welcher elektrisch parallel mit den Polen des Spannungsanschlusses 101 verbunden ist und einen Steuereingang 1 13 aufweist. Der Halbleiterschalter 1 1 1 ist ausgebildet, mit einem an dem Steuereingang 1 13 anliegenden Steuersignal die Pole des Spannungsanschlusses 101 elektrisch leitfähig zu verbinden und bei Unterschreiten des Mindeststromstärkewerts durch den Leitungsstrom die elektrische leitende Verbindungzwischen den Polen des Spannungsanschlusses 101 aufzuheben.
Ferner umfasst die Überspannungsvorrichtung 107 einen Spannungsgrenzwertschalter 1 15, insbesondere eine Z-Diode mit einem Schaltereingang 1 17 und einem
Schalterausgang 1 19. Der Spannungsgrenzwertschalter 1 15 ist über den Schaltereingang 1 17 der ersten Sicherungsschaltung 105 nachgeschaltet und über den
Schalterausgang 1 19 mit dem Steuereingang 1 13 des Halbleiterschalters 1 1 1 verbunden. Weiterhin ist der Spannungsgrenzwertschalter 1 15 ausgebildet, bei Erreichen des ersten Spannungsgrenzwerts durch die Spannung an der ersten Sicherungsschaltung 105 an dem Schalterausgang 1 19 das Steuersignal bereitzustellen.
Die Überspannungsschutzschaltung 107 umfasst ferner einen Widerstand 121 , welcher dem Schalterausgang 1 19 des Spannungsgrenzwertschalters 1 15 nachgeschaltet ist und mit dem Spannungsgrenzwertschalter 1 15 elektrisch parallel zu den Polen des Spannungsanschlusses 101 angeordnet ist. Der Steuereingang 1 13 ist mit dem Schalterausgang 1 19 des Spannungsgrenzwertschalters 1 15 und dem Widerstand 121 verbunden, wobei der Widerstand 121 ausgebildet ist, bei einem Schalten des Spannungsgrenzwertschalters 1 15 an dem Steuereingang 1 13 ein Steuersignal, insbesondere in Form eines Teils der Spannung an dem Spannungsanschluss 101 , bereitzustellen, um den Halbleiterschalter 1 1 1 zu schalten.
Die erste Sicherungsschaltung 105 und die zweite Sicherungsschaltung 109 weisen jeweils eine Überstromschutzsicherung 123, 125, insbesondere eine Schmelzsicherung auf. Die Überstromschutzsicherung 123 ist ausgebildet, bei Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss 101 und dem elektrischen Verbraucher 103 zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts zu trennen. Entsprechend ist die Überstromschutzsicherung 125 ausgebildet, bei Erreichen des zweiten Stromstärkegrenzwerts die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss 101 und dem elektrischen Verbraucher 103 zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts respektive des zweiten Stromstärkegrenzwerts zu trennen.
Die zweite Sicherungsschaltung 109 weist einen weiteren Spannungsgrenzwertschalter 127 mit einem weiteren Schaltereingang 129 und einem weiteren Schalterausgang 131 auf, welcher mit dem weiteren Schaltereingang 129 der Überstromschutzsicherung 125 nachgeschaltet ist. In einer Ausführungsform ist die Überstromschutzsicherung 125 dem weiteren Spannungsgrenzwertschalter 131 vorgeschaltet oder die zweite Sicherungsschaltung 109 umfasst die Überstromschutzsicherung 125 nicht.
Der weitere Schalterausgang 131 ist mit dem Steuereingang 1 13 verbunden, und der weitere Spannungsgrenzwertschalter 127 ist ausgebildet, bei Erreichen des zweiten Spannungsgrenzwerts durch eine Spannung an dem weiteren Spannungsgrenzwertschalter 127, an dem weiteren Schalterausgang 131 ein Steuersignal zum Auslösen der Überspannungsschutzschaltung 107 bereitzustellen, wobei der zweite Spannungsgrenzwert in Abhängigkeit von einer Nennspannung des elektrischen Verbrauchers 103 bestimmt ist.
Der weitere Schalterausgang 131 ist mit dem Steuersignaleingang 1 13 dem Schalterausgang 1 19 und dem Widerstand 121 verbunden. Dementsprechend kann der weitere Spannungsgrenzwertschalter 127 ähnlich dem Spannungsgrenzwertschalter 1 15 den Halbleiterschalter 1 1 1 auslösen. Bei dem Schalten des Spannungsgrenzwertschalter 1 15 oder des weiteren Spannungsgrenzwertschalters 127, kann ein Teil einer Spannung des Spannungsanschlusses 101 an dem Widerstand 121 abfallen. Diese Spannung kann als Steuersignal an dem Steuereingang 1 13 des Halbleiterschalters 1 1 1 anliegen. Vor dem Schalten des Halbleiterschalters 1 1 1 kann über den weiteren Spannungsgrenzwertschalter 127 und über den Widerstand 121 ein Strom fließen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Schutzvorrichtung 100 zur Überstrom- und überspannungsgeschützten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss 101 zu einem elektrischen Verbraucher 103, wobei der Versorgungsanschluss 101 zwei Pole aufweist. Die Schutzvorrichtung 100 umfasst eine erste Sicherungsschaltung 105, welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Stromstärkegrenzwertes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss 101 zu dem elektrischen Verbraucher 103 ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden.
Ferner umfasst die Schutzvorrichtung 100 eine Überspannungsschutzschaltung 107, welche der ersten Sicherungsschaltung 105 nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher 103 vorgeschaltet ist. Die Überspannungsschutzschaltung 107 ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an der ersten Sicherungsschaltung 105 die Pole des Spannungsanschlusses 101 elektrisch leitfähig zu verbinden, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung 105 einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Stromstärkegrenzwert erreicht.
Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung 100 eine zweite Sicherungsschaltung 109, welche der Überspannungsschutzschaltung 107 nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher 103 vorgeschaltet ist. Die zweite Sicherungsschaltung 109 ist ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Stromstärkegrenzwertes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Die zweite Sicherungsschaltung 109 ist ferner ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Spannungsgrenzwerts einer Spannung, welche an der zweiten Sicherungsschaltung 109 anliegt, die Pole des Spannungsanschlusses 101 elektrisch leitfähig zu verbinden, wobei der zweite Stromstärkegrenzwert und der zweite Spannungsgrenzwert jeweils in Abhängigkeit von einer Nennspannung respektive einer Nennstromstärke des elektrischen Verbrauchers 103 bestimmt sind. Die zweite Sicherungsschaltung 109 weist einen weiteren Spannungsgrenzwertschalter 127 mit einem weiteren Schaltereingang 129 und einen weiteren Schalterausgang 131 auf, welcher mit dem weiteren Schaltereingang 129 der Überstromschutzsicherung 125 vorgeschaltet ist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Schutzvorrichtung 100. Die zweite Sicherungsschaltung 109 umfasst eine Mehrzahl von Spannungsgrenzwertschaltern 127, 301 , welche jeweils einem elektrischen Verbraucher 103 vorgeschaltet sind, und wobei der jeweilige Spannungsgrenzwertschalter 127, 301 ausgebildet ist, bei Erreichen eines von dem jeweiligen nachgeschalteten elektrischen Verbraucher 103 abhängigen Spannungsgrenzwerts einer Spannung an dem jeweiligen Spannungsgrenzwertschalter 127, 301 die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch leitfähig zu verbinden.
Bezugszeichenliste
100 Schutzvorrichtung
101 Spannungsanschluss
103 Elektrischer Verbraucher
105 Erste Sicherungsschaltung
107 Überspannungsschutzschaltung
109 Zweite Sicherungsschaltung
1 1 1 Halbleiterschalter
113 Steuereingang
115 Spannungsgrenzwertschalter
117 Schaltereingang
119 Schalterausgang
121 Widerstand
123 Überstromschutzsicherung
125 Überstromschutzsicherung
127 Spannungsgrenzwertschalter
129 Schaltereingang
131 Schalterausgang
301 Spannungsgrenzwertschalter

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schutzvorrichtung (100) zur Überstrom- und überspannungsgeschützten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss (101 ) zu einem elektrischen Verbraucher (103), wobei der Spannungsanschluss (101 ) zwei Pole aufweist, mit: einer ersten Sicherungsschaltung (105), welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Stromstärkegrenzwertes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss (101 ) zu dem elektrischen Verbraucher (103) ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden; einer Überspannungsschutzschaltung (107), welche der ersten Sicherungsschaltung (105) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet ist, wobei die Überspannungsschutzschaltung (107) ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an der ersten Sicherungsschaltung (105) die Pole des Spannungsanschlusses (101 ) elektrisch leitfähig zu verbinden, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung (105) einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Stromstärkegrenzwert erreicht; und einer zweiten Sicherungsschaltung (109), welche der
Überspannungsschutzschaltung (107) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet ist, wobei die zweite Sicherungsschaltung (109) ferner ausgebildet ist, bei Erreichen eines zweiten Spannungsgrenzwerts einer Spannung an der zweiten Sicherungsschaltung (109) die Überspannungsschutzschaltung (107) anzusteuern, um die Pole des Spannungsanschlusses (101 ) elektrisch leitfähig zu verbinden, und wobei der zweite Spannungsgrenzwert in Abhängigkeit von einer Nennspannung des elektrischen Verbrauchers (103) bestimmt ist.
2. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die zweite Sicherungsschaltung (109) ausgebildet ist, bei Erreichen eines zweiten Stromstärkegrenzwertes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden, und wobei der zweite Stromstärkegrenzwert in Abhängigkeit von einer Nennstromstärke des elektrischen Verbrauchers (103) bestimmt ist.
3. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite
Sicherungsschaltung (109) eine Mehrzahl von Spannungsgrenzwertschaltern (127, 301 ) aufweist, welche jeweils einem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet sind, und wobei der jeweilige Spannungsgrenzwertschalter (127, 301 ) ausgebildet ist, bei Erreichen eines jeweiligen Spannungsgrenzwertes einer Spannung an dem jeweiligen Spannungsgrenzwertschalter (127, 301 ), wobei der jeweilige Spannungsgrenzwert in Abhängigkeit von einer Nennspannung des elektrischen Verbrauchers (103) bestimmt ist, die Überspannungsschutzschaltung (107) anzusteuern, um die Pole des
Spannungsanschlusses (101 ) elektrisch leitfähig zu verbinden.
4. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Überspannungsschutzschaltung (107) ausgebildet ist, bei Unterschreiten einer
Mindeststromstärke des durch die Überspannungsschutzschaltung (107) fließenden Leitungsstroms die elektrische leitende Verbindung der Pole des
Spannungsanschlusses (101 ) aufzuheben.
5. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Überspannungsschutzschaltung (107) einen Halbleiterschalter (1 1 1 ) umfasst, welcher elektrisch parallel mit den Polen des Spannungsanschlusses (101 ) verbunden ist und einen Steuereingang (1 13) aufweist, wobei der Halbleiterschalter (1 1 1 ) ausgebildet ist, mit einem an dem Steuereingang (1 13) anliegenden Steuersignal die Pole des
Spannungsanschlusses (101 ) elektrisch leitfähig zu verbinden und bei Unterschreiten des Mindeststromstärkewerts durch den Leitungsstrom die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Polen des Spannungsanschlusses (101 ) aufzuheben.
6. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Halbleiterschalter (1 1 1 ) durch einen Thyristor oder einen Transistor gebildet ist.
7. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Überspannungsschutzschaltung (107) einen Spannungsgrenzwertschalter (1 15) mit einem Schaltereingang (1 17) und einem Schalterausgang (1 19) aufweist, und wobei der Spannungsgrenzwertschalter (1 15) über den Schaltereingang (1 17) der ersten Sicherungsschaltung (105) nachgeschaltet ist und über den Schalterausgang (1 19) mit dem Steuereingang (1 13) des Halbleiterschalters (1 1 1 ) verbunden ist, und wobei der Spannungsgrenzwertschalter (1 15) ausgebildet ist, bei Erreichen des ersten Spannungsgrenzwerts durch die Spannung an der ersten Sicherungsschaltung (105) an dem Schalterausgang (1 19) das Steuersignal bereitzustellen.
8. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei der Spannungsgrenzwertschalter (1 15) durch eine Z-Diode und/oder durch einen unipolaren Überspannungsschutz gebildet ist.
9. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die
Überspannungsschutzschaltung (107) einen Widerstand (121 ) umfasst, welcher dem Schalterausgang (1 19) des Spannungsgrenzwertschalters (1 15) nachgeschaltet ist und mit dem Spannungsgrenzwertschalter (1 15) elektrisch parallel zu den Polen des
Spannungsanschlusses (101 ) angeordnet ist, und wobei der Steuereingang (1 13) mit dem Schalterausgang (1 19) des Spannungsgrenzwertschalters (1 15) und dem Widerstand (121 ) verbunden ist, und wobei der Widerstand (121 ) ausgebildet ist, bei einem Schalten des Spannungsgrenzwertschalters (1 15) an dem Steuereingang (1 13) ein Steuersignal, insbesondere in Form eines Teils der Spannung an dem Spannungsanschluss (101 ), bereitzustellen, um den Halbleiterschalter (1 1 1 ) zu schalten.
10. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Sicherungsschaltung (105) und die zweite Sicherungsschaltung (109) jeweils eine Überstromschutzsicherung (123, 125), insbesondere eine Schmelzsicherung und/oder einen Leistungsschutzschalter aufweisen, und wobei die Überstromschutzsicherung (123, 125) ausgebildet ist, bei Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts respektive des zweiten Stromstärkegrenzwerts die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss (101 ) und dem elektrischen Verbraucher (103) zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts respektive des zweiten Stromstärkegrenzwerts zu trennen.
1 1 . Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei die zweite Sicherungsschaltung (109) einen weiteren Spannungsgrenzwertschalter (127) mit einem weiteren Schaltereingang (129) und einem weiteren Schalterausgang (131 ) aufweist, welcher mit dem weiteren Schaltereingang (129) der Überstromschutzsicherung (125) nachgeschaltet oder vorgeschaltet ist, und wobei der weitere Schalterausgang (131 ) mit dem Steuereingang (1 13) verbunden ist, und wobei der weitere Spannungsgrenzwertschalter (127) ausgebildet ist, bei Erreichen des zweiten Spannungsgrenzwerts durch eine Spannung, welche an der zweiten Sicherungsschaltung (109) anliegt, an dem weiteren Schalterausgang (131 ) ein Steuersignal zum Auslösen der Überspannungsschutzschaltung (107) bereitzustellen.
12. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 1 1 , wobei dem weiteren Schalterausgang (131 ) ein Widerstand nachgeschaltet ist, über welchen der weitere Spannungsgrenzwertschalter (127) mit einem Pol des Spannungsanschlusses (101 ) verbindbar ist.
13. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die Überspannungsschutzschaltung (107) ausgebildet ist, bei einem Auslösen der Überspannungsschutzschaltung (107) mittels des weiteren Spannungsgrenzwertschalters (127) ein Ansteigen einer Spannung, die an dem elektrischen Verbraucher (103) anliegt, oberhalb des zweiten Spannungsgrenzwertes des weiteren Spannungsgrenzwertschalters (127) zu unterbinden..
14. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Sicherungsschaltung (105) und/oder die zweite Sicherungsschaltung (109) ausgebildet sind, das Fließen des Leitungsstroms mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Stromstärkegrenzwerts und/oder oberhalb des zweiten Stromstärkegrenzwerts zu dem elektrischen Verbraucher (103) zu unterbinden.
15. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Sicherungsschaltung (105) und/oder die zweite Sicherungsschaltung (109) ausgebildet sind, eine Bauteil- und/oder Umgebungstemperatur zu erfassen und bei Erreichen eines Temperaturgrenzwertes durch die Bauteil- und/oder Umgebungstemperatur die Überspannungsschutzschaltung (107) auszulösen und/oder ein Fließen eines Stroms von dem Spannungsanschluss (101 ) zu dem elektrischen Verbraucher (103) zu unterbinden.
16. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Sicherungsschaltung (109) ausgebildet ist, dem elektrischen Verbraucher (103) eine gegenüber dem Verbund bestehend aus der ersten Sicherungsschaltung (105) und der Überspannungsschutzschaltung (107) mittels einer Begrenzung des Leitungsstroms auf den zweiten Stromstärkegrenzwert und einer Begrenzung einer an der zweiten Sicherungsschaltung (109) anliegenden Spannung auf den zweiten Spannungsgrenzwert eine reduzierte elektrische Maximalleistung bereitzustellen.
17. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der ersten Sicherungsschaltung (105) und/oder der Überspannungsschutzschaltung (107) ein Netzteil nachgeschaltet ist, wobei das Netzteil der zweiten Sicherungsschaltung (109) vorgeschaltet und ausgebildet ist, der zweiten Sicherungsschaltung (109) eine gegenüber der Spannung des Spannungsanschlusses (101 ) erhöhte oder erniedrigte Spannung bereitzustellen.
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