DD237038A5 - Schaltungsanordnung zum schalten ohmscher und induktiver elektrischer verbraucher in gleich- und wechselstromkreisen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten ohmscher und induktiver elektrischer Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen mit einer von einem Geber, insbesondere Naeherungsschalter, beaufschlagbaren Steuerelektronik, einer zur Versorgung der Steuerelektronik dienenden Spannungsversorgung, sowie mit einer Kurzschluss- und Ueberlastsicherung. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, eine in kompakter Bauform herstellbare ueberlastsichere Schaltungsanordnung anzugeben, die zum Schalten ohmscher und induktiver Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen geeignet ist. Erfindungsgemaess wird als Lastschalter ein Shunt-Regler mit einem Leistungsfeldeffekttransistor (Tl) verbunden, dass bei geoeffnetem Schalter (Sl) die Schaltungsanordnung den Betriebszustand "Last-ein" und bei geschlossenem Schalter (Sl) den Betriebszustand "Last-aus" einnimmt. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten ohmscher und induktiver elektrischer Verbraucher in Gleich-und Wechselstromkreisen mit einer von einem Geber beaufschlagbaren Steuerelektronik, einer zur Versorgung der Steuerelektronik dienenden Spannungsversorgung, sowie mit einer Kurzschluß- und Überlastsicherung

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Aus der DE-PS 3115214 ist eine Schaltungsanordnung zum Schütze eines elektronischen Zweidraht-Wechselstromschalters gegen Überlastung mit einer Steuerelektronik bekannt, die allerdings nur Verbraucher in Wechselstromkreisen zu schalten in der Lageist Sie verwendet dazu einen von einem Geber und einer Steuerelektronik beaufschlagten Thyristor, der zwar zu beliebigen Zeiten eingeschaltet werden kann, nach der durch den Geber veranlaßten Ausschaltung den elektrischen Verbraucher aber erst beim Nulldurchgang der angelegten Wechselspannung abschalten kann Durch den verzögerten Ausschaltzeitpunkt ist eine direkte Kurzschluß- und Überlastsicherung durch Steuerung des Thyristors nicht erreichbar, so daß zum Zwecke des Kurzschluß- und Überlastungsschutzes im Strompfad des Thyristors ein zusätzliches Halbleiter-Bauelement, ζ B ein Transistor, eingeschaltet sein muß

Des weiteren kann der Thyristor nicht gleichzeitig als Lastschalter und als Spannungsquelle fur nachgeschaltete Elektronikteile, insbesondere die Steuerelektronik dienen Schließen kann der Thyristor im ausgeschalteten Zustand auch nicht als Uberspannungsbegrenzer arbeiten Eine Verwendung der bekannten Schaltungsanordnung zum Schalten elektrischer Verbraucherauch in Gleichstromkreisen, ist zwar grundsatzlich denkbar, wurde jedoch einen erheblichen zusatzlichen Schaltungsaufwand erfordern, der einem kompakten Aufbau der Schaltungsanordnung abträglich ware

Ziel der Erfindung

Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, eine in kompakter Bauform herstellbare uberlastsichere Schaltungsanordnung anzugeben, die zum Schalten ohmscher und induktiver Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen geeignet ist

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Diese Aufgabe wird dadurch gelost, daß als Lastschalter ein Shunt-Regler mit einem Leistungsfeldeffekttransistor als Stellglied vorgesehen ist, und daß eine Überlastsicherung gegen thermische und elektrische Überlastung, ein dem Shunt-Regler nachgeschalteter Langsregler zur Versorgung der Steuerelektronik und Mittel zur Anzeige des Betriebszustandes vorgesehen

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Die Erfindung bietet insbesondere folgende Vorteile Durch die Verwendung eines Shunt-Regler, der einen Leistungsfeldeffekttransistor als Stellglied aufweist, als Lastschalter, können elektrische Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen geschaltet werden

Dabei ist es möglich, die zu schaltenden Gleich-und Wechselstromkreise mit einem sehr großen Spannungsbereich zu betreiben, ζ B den Gleichstromkreis zwischen 10 und 350V und den Wechselstromkreis zwischen 10 und 255V Auf besonders vorteilhafte Weise kann der Leistungsfeldeffekttransistor im abgeschalteten Zustand die Funktion einer Spannungsquelle fur eine Maximalspannung übernehmen und dadurch ei nf laufende Spannungspitzen aufzulassige Maximalwerte begrenzen Dadurch kann aufweitere Dampfungs-oderSpannungsbegrenzer-Bauteile verzichtet werden, um die nachfolgenden elektronischen Bauteile vor Zerstörung zu schützen

Im durchgeschalteten Zustand übernimmt der Leistungsfeldeffekttransistor einerseits die Funktion eines Schalters fur den elektrischen Verbraucher und zum anderen den einer Spannungsquelle zum Betreiben einer nachgeschalteten Elektronik

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichung naher erläutert Dabei zeigt die Figur im Blockschaltbild ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung

Die Schaltungsanordnung umfaßt die Untergruppen Shunt-Regler, Langsregler, Temperaturschutz, Überstromschutz und Betriebszustandsanzeige, die im folgenden naher beschrieben werden

Shunt-Regler

Der Lastschalter zum Schalter des elektrischen Verbrauchers wird gebildet von einem umschaltbaren Shunt-Regler, der als Stellglied einen Leistungsfeldeffekttransistor TI aufweist. Der Shunt-Regler wird gebildet aus dem Feldeffektleistungstransistor Tl, dem Verstarker V, den Widerstander RO, RE, RA, dem Schalter SI und der Referenzspannungsquelle UREF Im abgeschalteten Zustand — Schalter SI ist geschlossen — übernimmt der Shunt-Regler die Funktion einer Spannungsquelle fur eine Maximalspannung UA, die mindestens 10% über der Betriebs-Spitzenspannung liegt Einlaufende Spannungsspitzen (Transienten) werdne auf diesen Wert begrenzt Dabei dient die Lastwiderstand RL als Vorwiderstand Liegt keine Überspannung vor, so fließt über den Lastwiderstand nur noch ein Ruhestrom IR, der fur nachfolgende, spater noch beschriebene Schaltungsteile, insbesondere auch die Steuerelektronik, notwendig ist

Im durchgeschalteten Zustand — Schalter SI ist geöffnet — übernimmt der Shunt-Regler die Funktion eines Schalters fur den elektrischen Verbraucher und die Funktion einer Spannungsquelle fur die noch zu vrsorgenden Schaltungsteile, wobei die an ihm anstehende Spannung UE (Restspannung) erheblich unter der Betriebsspannung UB liegt Die Spannung UE dient wiederum zur Versorgung der spater noch beschriebenen Schaltungsteile Um einen zuverlässigen Betrieb der Schalungsanordnung zu gewährleisten, wird die am Transistor TI abgegriffene Versorgungsspannung zunächst in einer Regelschaltung (Langsregler) stabilisiert

Langsregler

Der Langsregler erzeugt eine stabilisierte Betriebsspannung UST fur die Steuerelektronik Der Langsregler besteht im einfachsten Fall aus einem LangstransistorT2 und einer Referenzspannungsquelle UREF In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Langsregler noch einen zusätzlichen Verstarker VST umfassen, mit dem auf zweckmäßige Weise außer besserer Regelung auch dafür gesorgt wird, daß die stabilisierte Spannung UST beim Anlegen der Betriebsspannung UB an die Schaltungsanordnung nicht schlagartig aufgebaut wird, sondern über Urp rampenformig erst nach Ablauf einer vorgebbaren Minimalzeit ihren Sollwert erreicht, beispielsweise erst innerhalb eines Zeltintervalls von 25ms bis 100ms, vorzugsweise nach 50ms Zweckmäßig wird in diesem Zusammenhang auch noch ein Spannungswächter UW vorgesehen, der ein Richtsignal abgibt, welches den Shunt-Regler erst dann über G 3 einschaltbar macht (Last-ein), wenn die stabilisierte Betriebsspannung UST hnter dem Langsregler mit ihrem Sollwert ansteht und somit die Steuerelektronik betriebsbereit ist

Kurzschluß- und Überlastsicherung Temperaturschutz

Der Temperaturschutz arbeitet nach dem Prinzip der Zweipunktregelung Er soll bei erhöhten, aber nocn ungefährlichen Knstalltemperaturen am Leistungsfeldeffekttransistor TI den Shunt-Regler auf den Zustand „Last-aus ' schalten (Schalter SI) Zweckmäßig wird diese Zustand dem Bedienungspersonal durch eine geeignete, spater noch beschriebene Alarmeinrichtung mitgeteilt Nach Unterschreiten der Maximaltemteratur wird der Shunt-Regler wieder auf den Zustand „Last-ein" geschaltet (Schalter S1), wenn ein ungefährdeter Betrieb der Schaltungsanordnung möglich ist Um diese Schaltmaßnahme durchzufuhren, ist ein Temperaturmeßwiderstand RT thermisch mit dem Leistungsfeldeffekttransistor TI gekoppelt, in dem er unmittelbar auf dem Gehäuse des Leistungsfeldeffekttransistor TI

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gekoppelt, in dem er unmittelbar auf dem Gehäuse des Leistungsfeldeffekttransistors TI oder in dessen engster Nachbarschaft angeordnet ist Bei Eigenerwärmung des Transistors TI oder bei unzulässiger Wärmezufuhr durch eine externe Wärmequelle, wodurch die obere zulassige Temperaturgrenze am Transistor TI erreicht wird, wird die Schwellenspannung UT des Schwellwertschalters ST überschritten, was zur Folge hat, daß der Shunt-Regler vermittels der Verknüpfung Gl und des Schalters SI auf Last aus" geschaltet wird Nach hinreichender Abkühlung des Transistors TI auf einen niedrigeren und zulassigen Temperaturwert wird der Shunt-Regler vermittels Gl und SI wieder auf ,Last-em ' geschaltet Dieser Vorgang kann — falls erforderlich — beliebig oft wiederholt werden, bis nach hinreichender Absenkung der Temperatur ein zulassiger Betriebszustand erreicht ist

Überstromschutz

Das Stellglied des Shunt-Regler, Transistor TI, wird zweckmäßig durch eine Schutzschaltung vor Überschreitung der zulassigen Stromgrenzwerte geschützt, und zwar derart, daß bei Stromuberlastungen in Hohe des zehnfachen Nennwertes eine Umschaltung des Shunt-Reglers vom Betriebszustand „Last-em" auf den Betriebszustand „Last-aus" erfolgt Zweckmäßig wird dabei durch externe Widerstandsbeschaltung der Abschaltstrom ab einem bestimmten Grenzwert, beispielsweise 4A abwärts programmierbar ausgebildet Die Schutzschaltung ist dabei so ausgelegt, daß sie mit einer geeigneten Wiederholfrequenz nach Überlastung selbsttätig wieder einschaltet und notfalls erneut abschaltet, wenn der Uberlastzustand noch andauert Dadurch wird die Endstufe des Shunt-Reglers absolut kurzschlußfest, was zur hohen Betriebssicherheit der Schaltungsanordnung beitragt In geeigneter, spater noch erläuterter Weise, kann ein festgestellter Uberlastzustand dem Bedienungspersonal durch geeignete Alarmgabe auch angezeigt werden

Zur Überwachung des Laststroms IL ist in die Source-Leitung des Transistors TI ein Meßwiderstand RM eingeschaltet Die an ihm abfallende Spannung Umi aktiviert über einen zugeordneten Schwellwertschalter SMI über Verknüpfung G4 den monostabilen Multivibrator MFI, der wiederum über Gl den Schalter SI schließt und somit den Shunt-Regler in den Betriebszustand „Last-aus" versetzt Nach Ablauf der vorgebbaren Pausenzeit, die einige Sekunden, zweckmäßig ca 3sek betragen kann, wird Schalter SI wieder geöffnet und der Shunt-Regler nimmt den Betriebszustand ,Last-em" ein Liegt der festgestellte Uberlastf all immernoch vor, beaufschlagt der Schwellwertschalter SMI den monostabilen Multivibrator MFI wiederum, um durch Schließen des Schalters SI den Betriebszustand „Last-aus ' des Shunt-Reglers herzustellen Dieser Vorgang kann sich bis zum Erreichen eines zulassigen Betnebszustandes beliebig oft wiederholen

Zur Überwachung eines Uberlastfalles von ca 3 χ IL bis 10 x IL sind zusätzlich zum Temperaturschutz der Meßwiderstand 0,3RM, der Schwellwertschalter SM 2, der monostable Multivibrator MF2 und die Verknüpfung G 5 vorgesehen Der Schwellwertschalter SM 2 reagiertauf einen Uberlaststrom ab ca 3 χ IL (0,3RM IL = UM 2) und tnggerte den monostabilen Multivibrator MF2 an, der fur eine Laufzeit von ca 100 ms die Verknüpfung G 5 sperrt, so daß das getriggert Signal über die Leitung L fur ca 100 ms nicht auf die Verknüpfung G 4 gelangen kann Der rntegrations-Kondensator C verhindert fur den /xs-Schaltbereich des MF2die Verknupfungsbedingung an G 5 Nach einer Laufzeit von ca 100 ms schaltet der monostable Multivibrator MF 2 zurück und falls dann noch der Uberlastf all vorliegt, ist über die Leitung L an G 5 die Verknupfungsbedingung gegeben und somit wird über G 4, MFI und Gl der Schalter SI gesteuert, der wiederum den Transistor TI auf den Betriebszustand „Last-aus" schaltet Nach Ablauf der vorgebbaren Pausenzeit des MFI, die einige Sekunden, zweckmäßig ca 3sek betragen kann, wird Schalter SI wieder geöffnet und der Shunt-Regler nimmt den Betriebszustand „Last-em" an Liegt der festgestellte Uberlastfall immer noch vor, wird ein erneuter Abschaltvorgang wie vor beschrieben nach ca 100ms erneut eingeleitet. Der Vorgang kann bis zum Erreichen eines zulassigen Betnebszustandes oder bis zum Ansprechen des Temperaturschutzes beliebig oft wiederholt werden

Zweckmäßig wird das Tastverhältnis zwischen den beiden Betnebszustanden des Shunt-Reglers hinsichtlich ihrer Zeitdauer so gehalten, daß eine Eigenerwärmung von TI über zulassige Werte hinaus nicht eintritt Sobald die Belastung unter den zulassgien Grenzwert reduziert wird, also beispielsweise weniger als das 3fache bzw 10fache des Nennwerts betragt, verbleibt der Shunt-Regler im Betriebszustand „Last-em"

Betriebszustandsanzeige

In der Schaltungsanordnung ist weiter eine Betriebszustandsanzeige vorgesehen, die trotz ihres verhältnismäßig einfachen Aufbaus alle vorkommenden Betriebszustande der Schaltungsanordnung anzeigen kann und dabei gleichzeitig eine Alarmfunktion ausübt, sofern die Schaltungsanordnung die oben beschriebenen Kurzschluß- bzw Uberlastzustande einnimmt

Die Betriebszustandsanzeige umfaßt eine Leuchtdiode LED mit einem Vorwiderstand RV, die — abhangig vom jeweiligen Betriebszustand des Shunt-Reglers — entweder standig ein- bzw ausgeschaltet ist oder die, bei Vorhandensein eines Uberlastzustands, zwecks Alarmgabe von Taktgeneratoren TG1 bzw TG 2 mit einer vorgegebenen Taktfrequenz angesteuert

So ist im Betriebszustand „Last-aus" die Leuchtdiode LED ausgeschaltet Im Betriebszustand „Last-em" ist die Leuchtdiode LED kontinuierlich eingeschaltet Im Betriebszustand „Last ein" und Uberlastsituation infolge zu hohe, Temperatur, blmictdie Leuchtdiode LED mit einer Frequenz von ca 10 Hz Im Betriebszustand „Last-em" und Uberlastzustand durch zu hohen Laststrom blinkt die Leuchtdiode LED mit einer Frequenz von ca 2 Hz

Auf diese Weise können alle vorkommenden Betriebszustande der Schaltungsanordnung mit einem einzigen Anzeigeelement zweckmäßig überwacht werden

Claims (8)

1 Schaltungsanordnung zum Schalten ohmscher und induktiver elektrischer Verbraucher in Gleich- und Wechselstromkreisen mit einer von einem Geber, insbesondere Näherungsschalter, beaufschlagbaren Steuerelektronik und einer zur Versorgung der Steuerelektronik dienenden Spannungsversorgung, gekennzeichnet dadurch, daß als Lastschalter ein umschaltbarer Shunt-Regler mit einem Leistungsfeldeffekttransistor (T 1) als Stellglied vorgesehen ist, und daß eine Überlastsicherung gegen thermische und elektrische Überlastung, ein dem Shunt-Regler nachgeschalteter Langsregler zur Versorgung der Steuerelektronik und Mittel zur Anzeige des Betriebszustandes der Schaltungsanordnung vorgesehen sind

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Patentansprüche

2 Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein vorzugsweise elektronisch betatigbarer Schalter (S 1) zur Umschaltung des Shunt-Reglers vorgesehen ist, der über einen Verstarker (V) derart mit der Gate-Elektrode des Leistungsfeldeffekttransitors (T1) verbunden ist, daß bei geöffnetem Schalter (S 1) die Schaltungsanordnung den Betriebszustand „Last-ein" und bei geschlossenem Schalter (S 1) den Betriebszustand „Last-aus" einnimmt

3 Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Schalter (S 1) über eine Verknüpfung (G 1) einerseits über eine Steuerelektronik (STE) von einem Näherungsschalter (NS), andererseits von einem monostabilen Multivibrator (MF 1) und von diesem vorzugsweise taktweise betatigbar ist

4 Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die in der Schaltungsanordnung vorgesehenen Mittel zur Feststellung von Uberlastzustanden, wie beispielsweise unzulässig hohe Temperatur des Transistors (T 1) oder unzulässig hoher Laststorm (IL), bei Vorliegen eines Uberlastzustandes monostable Multivibratoren (MF 1 oder MF2) mit dem Ziel einer Betätigung des Schalters (S 1) mit einem Steuersignal beaufschlagen

5 Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel zur Feststellung eines Uberlastzustandes einen Temperaturmeßwiderstand (RT) umfassen, der thermisch leitend mit dem Transistor (TD verbunden ist, sowie einen vom Laststrom (IL) durchflossenen Strommeßwiderstand (RM) sowie die Schnellwertschalter (ST) bzw (SM 1, SM 2), die jeweils zwischen den Temperaturmeßwiderstand (RT) bzw die Strommeßwiderstande (07 RM) und (03 RM) und den monostabilen Multivibrator (MF 1) bzw (MF2) geschaltet sind

6 Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß zur Spannungsversorgung der Steuerelektronik (STE) und des Naherungsschalters (NS) ein mindestens einen Langstransistor (T2) und eine Referenzspannungsquelle (UREF) umfassender Langsregler vorgesehen ist, dem die an Transistor (T1) anstehende Spannung (UE bzw UA) zugeführt wird und der diese stabilisiert

7 Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß im Langsregler Mittel vorgesehen sind (U_RP), die die vom Langsregler abgegebene stabilisierte Spannung (UST) rampenformig auf den Sollwert ansteigen lassen

8 Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel zur Anzeige des Betriebszustandes der Schaltungsanordnung eine Leuchtdiode (LED) mit Vorwiderstand (RV) umfassen, sowie Taktgeneratoren (TG 1,TG 2), die die Leuchtdiode (LED) zwecks Alarmgabe und Unterscheidung unterschiedlicher Uberlastzustande mit deutlich erkennbarer unterschiedlicher Taktfrequenz über eine Verknüpfung (G2) ansteuern