DE3731361A1 - Schalter mit einem in sich geschlossenen elektronischen ausloese-betaetigungsglied - Google Patents

Description

Die deutsche Patentanmeldung P 37 19 899 beschreibt einen Schalter mit gekapseltem Gehäuse, der ein gemeinsames Auslöse­ einheit- und Zubehör-Modul für die Feldinstallation einer optionalen Zubehörfunktion enthält. Der Schalter enthält die Stromfühlertransformatoren und eine Signalverarbeitungselek­ tronik innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses mit dem Schalter- Stellmechanismus. Der kombinierte Auslöseeinheit- und Zubehör- Modul sorgt für Überstrom-, Shuntauslöse- und Unterspannungs- Auslösevermögen des Schalters durch eine gemeinsame Auslöse- Betätigungsanordnung. Dort ist auch die mechanische Wechsel­ wirkung des Auslöseeinheit- und Zubehör-Modul mit dem Unter­ brechungsmechanismus des Schalters näher erläutert.

Es wurde auch bereits ein kompakter Schalter-Betätigungs­ mechanismus gefunden, der teilweise automatisch gefertigt werden kann und der in Schaltern unterschiedlicher Nennströme austauschbar ist.

Schalter mit gekapseltem Gehäuse sorgen für einen Überstrom­ schutz, indem sie auf Stromwerte innerhalb eines zu schützenden Schaltkreises ansprechen, die oberhalb vorbestimmter Strom­ schwellwerte liegen. In Haushaltsschaltern und Industrie­ schaltern mit kleineren Nennströmen spricht eine thermisch­ magnetisch arbeitende Auslöseeinheit auf derartige Strom­ schwellwerte an, indem sie den Betätigungsmechanismus in Betrieb setzt, um die Kontaktstücke des Schalters zu trennen. Elektronische Auslöseeinheiten werden zweckmäßigerweise in Industrieschaltern mit höheren Nennströmen verwendet und er­ fordern ein Zwischenstellglied, um den Betätigungsmechanismus in Betrieb zu setzen, was gewöhnlich in Form einer magnetisch verriegelten Magnetspule geschieht. Ein Stromimpuls zur Magnet­ spule erzeugt einen entgegengesetzt gerichteten Magnetfluß, wodurch das Betätigungsglied unter der Vorspannung durch eine gespannte Feder freigegeben wird. Wenn eine gemeinsame Über­ strom- und Zubehörauslöseeinheit in einem derartigen Industrie­ schalter verwendet wird, muß eine zusätzliche Verknüpfungs­ schaltung für jede Zubehörfunktion vorgesehen sein. Die Über­ stromschutz-Verknüpfungsschaltung wird durch den elektronischen Signalprozessor für die Auslöseeinheit gebildet, der allein auf Überstromzustände anspricht. Getrennte Logikschaltungen sind für Unterspannungs-Auslöseeinheiten und Shunt-Auslöse­ einheiten erforderlich.

Erfindungsgemäß wird eine elektronische Steuerschaltung für eine Unterspannungs-Auslöseeinheit geschaffen, die mit einer gemeinsamen Betätigungseinrichtung gekoppelt ist, die getrennt für ein Überstrom-Auslösevermögen sorgt. Die elektronischen Schaltungskomponenten für die Unterspannungs-Auslöseeinheit werden durch eine getrennte Schaltkarte getragen, die einteilig mit der Unterspannungs-Auslösespule ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht von oben auf einen Schalter mit einem elektronischen Auslöse- Betätigungsmodul gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Schalters.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht von oben auf ein elektronisches Auslöse-Betätigungsmodul gemäß Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild der Steuerschaltung für die in Fig. 3 gezeigte Unterspannungs-Auslösespule.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Unterspannungs- Auslösestromkurve durch den FET in der in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnung.

Fig. 6 ist ein Schaltbild einer anderen Steuerschaltung für die Unterspannungs-Auslösespule gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Industrieschalter 10 mit gekapseltem Gehäuse für kleinere Nennströme, wie er beispielsweise in Lichtschalttafeln verwendet wird. Der Schalter enthält ein Kunststoffgehäuse 11 und einen Kunststoffdeckel 12, der an dem Gehäuse durch Nieten oder Schrauben befestigt ist. In dem Gehäuse ist eine Kreuzstabanordnung 13 mit einem bewegbaren Kontaktarm 14 angeordnet, der von der Anordnung 13 ausgeht und ein bewegbares Kontaktstück 15 an dem einen Ende trägt, das mit einem feststehenden Kontaktstück 16 in Verbindung steht, um den elektrischen Stromkreis durch den Schalter zu schließen. Ein Betätigungsmechanismus (9) ist über der Kreuzstab­ anordnung angeordnet und steht mit dem bewegbaren Kontaktarm in Verbindung für eine automatische Trennung der Kontaktstücke, wenn die mechanische Betätigungsanordnung 19, die auf dem elektronischen Betätigungsmodul 18 (im folgenden "Betätigungs­ modul" genannt) angeordnet ist, auf eine Auslösestabverlänge­ rung 21 schlägt, um den Betätigungsmechanismus in Betrieb zu setzen. Wie in der eingangs genannten deutschen Patentanmeldung P 37 19 899 beschrieben ist, ist die mechanische Betätigungs­ anordnung 19 magnetisch verriegelt gegen die Vorspannung einer Druckfeder 20, die auf der Seitenwand der Betätigungseinrichtung angebracht ist. Ein Handgriff 17 erstreckt sich durch den Deckel für ein manuelles Öffnen und Schließen der Kontakt­ stücke und zum Zurücksetzen des Betätigungsmechanismus nach einer Auslösefunktion. Eine Zugangstür 23, die auf dem Deckel angebracht ist, sorgt für einen Zugang zu der Betätigungsan­ ordnung mittels einer Öffnung 22, die durch den Deckel hindurch­ führt.

Der Betätigungsmodul 18 ist in Fig. 2 gezeigt, wobei der Deckel abgenommen ist für einen Zugang zu der Unterspannungs- Auslösespule 26 und der Shunt-Auslösespule 27, die in der Betätigungsanordnung enthalten sind. Eine Unterspannungs- Steuerschaltung ist auf der Unterspannungs-Schaltkarte 28 angeordnet, die einteilig mit der Unterspannungs-Spulen­ halterungsstruktur ausgebildet ist und zwei elektrische Verbindungsstücke 40 gehen von der Unterspannungs-Schaltkarte aus, um elektrische Eingangssignale zur Unterspannungsspule zu liefern. Eine Shunt-Auslöse-Steuerschaltung ist auf der Shunt-Auslöse-Schaltkarte 29 angeordnet, und zwei elektrische Verbindungsglieder 39 gehen von der entsprechenden Schaltkarte aus, um der Shunt-Auslösespule Eingangssignale zuzuführen. Zwei Stromtransformatoren 25 liefern elektrische Eingangs­ größen von den Lastanschlüssen 24 zum Signalprozessor der Auslöseeinheit, der auf der Schaltkarte 51 für die Auslöse­ einheit unter dem Betätigungsmodul 18 angeordnet ist. Die magnetische Verriegelung 52 verwendet einen Anker 30 (siehe Fig. 3), um den Betrieb der mechanischen Betätigungsanordnung 19 in bezug auf die Auslösestabverlängerung 21 und den Schalter-Betätigungsmechanismus 9 zu steuern, wie es in der eingangs genannten deutschen Patentanmeldung P 37 19 899 beschrieben ist.

Die Betriebsanordnung des Ankers 30, der auf der Innenseite des Zubehördeckels 31 angeordnet ist und gegen den Deckel durch eine Druckfeder 32 vorgespannt ist, wird am besten aus Fig. 3 deutlich. Die integrale Anordnung der Unterspannungs- Auslösespule 26 mit der Unterspannungs-Schaltkarte 28 gestattet, daß die Unterspannungs-Auslösespule in einem einzigen Arbeitsgang auf den einen Schenkel 34 des U-förmigen Stators 33 abgesenkt werden kann. Der Magnet 60, der auf dem Oberteil des Schenkels 34 angebracht ist, sorgt für den notwendigen Magnetfluß zum magnetischen Stator 33, um den Anker 30 gegen die auslösende Vorspannung der Druckfeder festzuhalten. Die gleiche integrale Anordnung der Shunt- Auslösespule 27 auf der Shunt-Schaltkarte 29 gestattet, daß die Shunt-Auslösespule nach unten auf den anderen Schenkel 35 des Stators oben auf der Auslösespule 36 angeordnet werden kann, die vorher auf diesem Schenkel angeordnet wird. Die Leiter 37 der Auslösespule verbinden direkt die Auslösespule mit der Schaltkarte 51 der Auslöseeinheit, die in Fig. 2 gezeigt ist. Der U-förmige Stator 33 wird dann in dem Gehäuse 38 angeordnet und der Deckel 31 wird angebracht, um automatisch bzw. selbsttätig den Anker 30 mit beiden Schenkeln 34, 35 des Stators auszurichten, um die Anordnung des Betätigungsmoduls 18 zu vervollständigen. Die Unterspannungs-Auslösespule 26 enthält einen magnetischen Shunt (Nebenschluß) 61, der den Magnetfluß durch den Stator 33 verkleinert, der durch den Permanentmagneten 60 erzeugt wird, der auf dem Oberteil des Statorschenkels 34 angeordnet ist, so daß die magnetische Kraft auf den Anker 30 nicht ausreicht, den Anker gegen die Vorspannung der Druckfeder 32 festzuhalten, wenn die Unter­ spannungs-Auslösespule nicht erregt ist.

Die Steuerschaltung 41 für den Betrieb der Unterspannungs- Auslösespule 26 ist in Fig. 4 gezeigt und enthält zwei Anschlüsse 43, 44 für eine Verbindung mit einer externen Schaltungsanordnung, die ein Unterspannungs-Auslösesignal zu einer positiven und negativen Sammelleitung 45, 46 durch einen Brückengleichrichter 42 zuführt, der aus Dioden D ₁ bis D ₄ besteht. Die positive Sammelleitung (Bus) ist mit einem Schenkel eines Spannungsteilers verbunden, der aus Widerständen R ₁, R ₂ besteht. Das Signal aus dem positiven Bus generiert eine Prüfspannung über dem Widerstand R ₁, die an die Basis eines bipolaren Transistorschalters 48 über eine Zener-Diode 47 und einen Leiter 53 angelegt ist. Die Zener-Diode schaltet bei einer vorbestimmten Klemmspannung von etwa 70% des Unterspannungs-Auslösesignals durch, das über den Anschlüssen 43, 44 auftritt. Der Widerstand R ₂ bildet den anderen Schenkel des Spannungsteilers und ein Widerstand R ₃ verbindet die Zener-Diode mit dem Emitter des Transistorschalters 48. Wenn der Transistor durchgeschaltet, fließt ein Strom zwischen den Sammelleitern 45, 46 durch einen Feldeffekttransistor (FET) 49 und durch die Unterspannungs-Auslösespule 26, die sowohl mit dem FET 49 als auch dem Transistorschalter 48 in Reihe geschaltet ist. Eine Diode D ₅ und ein Kondensator C ₁ halten einen relativ konstanten Spannungsabfall über der Unterspan­ nungs-Auslösespule aufrecht, indem sie ein RC-Glied mit dem Drahtwiderstand der Wicklung der Unterspannungs-Auslösespule bilden. Die Funktion des FET 49 besteht darin, einen konstanten Strom durch die Unterspannungs-Auslösespule über einem breiten Schwankungsbereich in der Spannung des Unterspannungs-Auslöse­ signals aufrechtzuerhalten, um Erwärmungseffekte auf ein Minimum zu senken, die anderenfalls bei erhöhten System­ spannungen auftreten würden und um auch eine konstante magnetomotorische Kraft in dem magnetischen Kreis beizubehalten. Die Arbeitsweise des FET wird aus der Stromkurve 50 in Fig. 5 deutlich, die den Strom durch die Unterspannungs-Auslösespule in Reihe mit dem FET darstellt. Der konstante Strom durch den FET wird durch den sogenannten "Kanaleffekt" innerhalb des FET hervorgerufen, der den Strom durch den FET auf einem konstanten vorbestimmten Wert zwischen einem Betriebsfenster aufrechterhält, das zwischen einer Anfangsspannung V ₀ über dem FET und einer zweiten Spannung V ₁ definiert ist, die in Fig. 5 gezeigt ist.

Eine vereinfachte Unterspannungs-Steuerschaltung 54 ist in Fig. 6 gezeigt, wo die Anschlüsse 43, 44 mit positiven und negativen Sammelleitungen 45, 46 durch den Brückengleichrichter 42 verbunden sind. Die Zener-Diode 47 ist über einen Begrenzungswiderstand R ₄ mit der positiven Sammelleitung 45 verbunden und mit der negativen Sammelleitung 46 über eine programmierbare Stabilisierungs- bzw. Regler-Shunt-Diode 58 (im folgenden Regler- Diode genannt) verbunden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Die Regler-Diode ist eine TL431 von der Firma Motorola, Inc. Die Kathode ist durch einen Leiter 57 mit der Anode der Zener-Diode 47 und der Basis des bipolaren Transistors 56 verbunden, der als ein Stromstabilisator und auch als Schalter wirkt. Der Emitter des Transistors ist durch einen Leiter 62 mit dem Referenzeingang der Regler-Diode und mit einem Rückführungs­ widerstand R ₅ verbunden. Der Kollektor des Transistors ist mit der Unterspannungs-Auslösespule 26 verbunden, um die Spule zu erregen, wenn der Spannungswert oberhalb der Zener-Diode 47 über ihrer Klemmspannung ist. Die Funktion der Regler-Diode in Verbindung mit dem Widerstand R ₅ und dem Transistor 46 besteht darin, einen konstanten Strom durch die Unterspannungs- Auslösespule 26 aufrechtzuerhalten, wenn die an die Anschlüsse 43, 44 angelegte Spannung größer als die Klemmspannung der Zener-Diode ist. Dies hält einen konstanten Strom durch die Unterspannungs-Auslösespule aufrecht, um sowohl die in der Spule verbrauchte Energie zu begrenzen als auch die magneto­ motorische Kraft auf einem konstanten Wert zu halten. Der Filterkondensator C ₂ stellt sicher, daß die Spannung über der Regler-Diode konstant bleibt.

Vorstehend wurde ein Schalter mit optionalen Zubehörmerkmalen beschrieben, zu denen elektronische Steuerschaltungen integral bzw. einteilig mit der Unterspannungs-Auslösespule und Shunt-Auslösespule gehören, die darin enthalten sind. Die Schaltungsanordnungen weisen minimale elektronische Komponenten auf, die sowohl wirtschaftlich zu fertigen sind als auch wirtschaftlich zu betreiben sind über lange Perioden einer kontinuierlichen Benutzung.

Claims (10)

1. Schalter mit einer in sich geschlossenen elektronischen Auslösebetätigung, gekennzeichnet durch:
einen Schalter mit einem ausgeformten Kunststoffgehäuse (11) und einem ausgeformten Kunststoffdeckel (12),
zwei trennbare Kontaktstücke (15, 16) in dem Gehäuse, die elektrisch mit einer zu schützenden elektrischen Schaltungs­ anordnung verbindbar sind und durch einen Betätigungsmechanismus (9) gesteuert sind, um die Kontaktstücke beim Auftreten eines Überstromzustandes durch die zu schützende Schaltungsanordnung zu trennen,
eine elektronische Betätigungseinrichtung (18) innerhalb des Schaltergehäuses (11), die mit dem Betätigungsmechanismus (9) in Verbindung steht, um den Betätigungsmechanismus für eine Trennung der Kontaktstücke in Betrieb zu setzen, wobei die elektronische Betätigungsanordnung (18) eine magnetische Verriegelung aufweist, die zum Halten eines mechanischen Betätigungsgliedes (19) entgegen der Vorspannung einer gespannten Feder (20) angeordnet ist, wobei die magnetische Verriegelung eine Unterspannungsspule (26) aufweist, die Magnetfluß liefert, um das mechanische Betätigungsglied in einer nicht-betätigenden Stellung zu halten, und
eine elektronische Unterspannungs-Auslöse-Steuerschaltung (41; 54) innerhalb des Schaltergehäuses, die mit der Unterspannungs- Auslösespule (26) verbunden ist und einen Gleichrichter (42), dessen Ausgang mit positiven bzw. negativen Sammelleitungen (45, 46) verbunden und dessen Eingang mit einem Unter­ spannungs-Auslösesignal verbunden ist, einen Spannungsteiler (R ₁, R ₂) zwischen den positiven bzw. negativen Sammelleitungen, dessen einer Schenkel mit der Basis eines Transistorschalters (48) über eine Zener-Diode (47) mit einer vorbestimmten Klemmspannung verbunden ist und eine Prüfspannung über der Zener-Diode entwickelt, die die Spannung über der zu schützenden Schaltungsanordnung darstellt, wobei die Unterspannungsspule mit dem Emitter und Kollektor des Transistorschalters und mit einem Feldeffekttransistor (49) in Reihe geschaltet ist, der den Strom durch die Unter­ spannungsspule (26) auf einem konstanten Wert hält, wobei die Zener-Diode (47) nicht-leitend ist, wenn die Prüfspannung kleiner als die vorbestimmte Klemmspannung ist, um dadurch den Transistorschalter zu sperren und den Stromfluß durch die Unterspannungs-Auslösespule zu unterbrechen.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (C ₁) und eine Diode (D ₅) beide der Unterspannungs-Auslösespule (26) parallel geschaltet sind, um eine konstante Spannung über der Unterspannungs-Auslösespule aufrechtzuerhalten.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der Zener-Diode (47) mit der Basis des Transistors (48) verbunden ist und die Kathode der Zener-Diode mit dem einen Anschluß des ersten Widerstandes (R ₁) des einen Schenkels des Spannungsteilers verbunden ist.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Widerstand (R ₂) mit der einen Seite des ersten Widerstandes (R ₁) und der negativen Sammelleitung (46) verbunden ist, um einen zweiten Schenkel des Spannungsteilers zu bilden.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Schalter (R ₃) zwischen den Emitter und die Basis des Transistors (48) geschaltet ist.

6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Betätigungseinrichtung (18) in einen Gehäuse (38) des Schaltergehäuses (11) eingeschlossen ist und der Schalterdeckel (12) eine Zugangstür (23) zu dem Gehäuse der Betätigungseinrichtung aufweist.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugangstür (43) ein rechtwinkliges Teil aus geformtem Kunststoff aufweist, das über einer Zugangsöffnung (22) durch das Schaltergehäuse (11) hindurch verschiebbar angeordnet ist.

8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Unterspannungs-Auslöse- Steuerschaltung eine Zener-Diode (47) und einen Strombe­ grenzungs-Widerstand (R ₄) aufweist, die miteinander und mit der Kathode einer Stabilisierungs- bzw. Regler-Diode (58) verbunden sind, deren Anode mit dem Emitter eines Transistorschalters (56) über einen Rückführungswiderstand verbunden ist, der mit dem Referenzeingang der Regler-Diode in Verbindung steht, wobei die Basis des Transistorschalters (56) mit der Kathode der Regler-Diode (58) verbunden ist und der Kollektor des Transistorschalters (56) mit der Unterspannungs-Auslösespule (26) verbunden ist, wodurch eine über der Zener-Diode entwickelte Prüfspannung die Zener-Diode leitend macht, wenn sie eine vorbestimmte Klemmspannung übersteigt, wodurch ein Basisstrom zum Transistorschalter fließt, um die Unterspannungs-Auslösespule zu erregen, wobei die Regler-Diode den Strom durch die Unterspannungs-Auslösespule auf einem konstanten Wert hält.

9. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (C ₂) parallel zur Regler-Diode (58) geschaltet ist, um eine konstante Spannung über der Regler- Diode aufrechtzuerhalten.

10. Schalter nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Unterspannungs-Auslöse- Steuerschaltung auf einer Schaltkarte (28) angeordnet ist, die an der Unterspannungs-Auslösespule befestigt ist.