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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Meldeeinrichtung zur Überwachung
von Schaltzuständen
zumindest eines Schaltkontaktes, z. B. einer Schaltanlage von Energieversorgungsunternehmen
(EVU), mit zumindest einem Signaleingang, an welchen eine mit dem
Schaltkontakt verbundene und bei geschlossenem Schaltkontakt einen
Signalstrom führende
Signalleitung anschließbar
oder angeschlossen ist und mit zumindest einem Signalausgang, welcher
zumindest ein von dem Schaltzustand des Schaltkontaktes abhängiges Ausgangssignal
erzeugt, wobei an den Signalausgang eine Meldeeinrichtung angeschlossen
oder anschließbar
ist, welche das Ausgangssignal verarbeitet. Meldeeinrichtungen bzw.
Meldesysteme dienen insbesondere der Überwachung von Schaltanlagen,
Kraftwerken oder auch von elektronischen Systemen im Bereich der
Prozessautomatisierung. Dabei sind an ein derartiges Meldesystem
in der Regel eine Vielzahl zu überwachender
Signalleitungen angeschlossen, wobei die zu überwachenden Anlagen bzw. Anlagenteile
mit den zu überwachenden
Schaltkontakten häufig
mehrere 100 m entfernt angeordnet sind. Dabei weisen die bekannten
Meldeeinrichtungen eine Vielzahl von Signaleingängen für die zu überwachenden Signalleitungen
auf, wobei die über
die Signalleitung übertragenen
Informationen (Signale bzw. Meldungen) in der Meldeeinrichtung entsprechend
ausgewertet bzw. weiterverarbeitet werden, z. B. aufgezeichnet werden
und/oder visualisiert werden.
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Es
ist in der Praxis bekannt, zur Potentialtrennung zwischen der zu überwachenden
Signalleitung und der Meldeeinrichtung im Bereich der Signaleingänge der
Meldeeinrichtung Optokoppler o. dgl. potentialtrennende Schaltglieder
einzusetzen. Dabei erzeugt der einer Signalleitung zugeordnete Optokoppler
ausgangsseitig regelmäßig ein
dem eingangsseitigen Signal zugeordnetes Ausgangssignal, wobei es
sich beispielsweise um ein digitales Signal (High bzw. Low) handeln
kann, das dann in der Meldeeinrichtung weiterverarbeitet wird. Problematisch
ist in diesem Zusammenhang, dass Störvorgänge, die beispielsweise in
Sekundärkreisen von
Schaltanlagen, Kraftwerken oder auch in rauer Industrieumgebung
auftreten können,
zu falschen Informationen für
weiterverarbeitende Meldesysteme und auch zur Zerstörung von
leittechnischen Einrichtungen führen
können.
So wird bei den bekannten Systemen ein Drahtbruch im Bereich einer
Signalleitung regelmäßig als
geöffneter
Schaltkontakt identifiziert und führt insoweit zu fehlerhaften
Meldungen.
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Außerdem kennt
man eine Vorrichtung zum Überwachen
von Schaltzuständen
eines Schalters, wobei diese Vorrichtung aus einerseits einem Mikrocomputer
und andererseits einer Schaltungsanordnung besteht, in welche der
zu überwachende
Schalter integriert ist. Über
einen Versorgungsanschluss wird von dem Mikrocomputer eine Versorgungsspannung
an die Schaltung angelegt. Ein Ausgangssignal der Schaltungsanordnung
wird dann an einen Analog/Digital-Wandler des Mikrocomputers angeschlossen
(vgl.
JP 11237427 A ,
Patent Abstracts of Japan).
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Aus
der
DE 298 24 058
U1 ist ferner eine Detektionsanordnung für eine Schalteinrichtung
mit einer mit einem Anschluss der Schalteinrichtung verbundenen
Wechselspannungsquelle und einer an einen anderen Anschluss der
Schalteinrichtung angeschlossenen Stromdetektionseinrichtung bekannt,
wobei ein Detektionssignal einem Eingang einer Auswerteeinrichtung
zugeführt
wird. über
einen weiteren Eingang wird das Ausgangssignal der Wechselspannungsquelle
als Referenzsignal zur Durchführung
eines Vergleichs zwischen dem Detektionssignal und einem Sollsignal
zugeführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für eine Meldeeinrichtung
zur Überwachung
von Schaltzuständen
zumindest eines Schaltkontaktes zu schaffen, welche auf schaltungstechnisch
einfache Weise eine zuverlässige
Abbildung des tatsächlichen
Schaltzustandes ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine Schaltungsanordnung für eine Meldeeinrichtung zur Überwachung
von Schaltzuständen
zumindest eines Schaltkontaktes, z. B. in Schaltanlagen von Energieversorgungsunternehmen,
mit zumindest einem Signaleingang an welchen eine mit dem Schaltkontakt
verbundene und bei geschlossenem Schaltkontakt einen Signalstrom
führende
Signalleitung anschließbar
oder angeschlossen ist, mit zumindest einem Signalausgang, welcher
zumindest ein von dem Schaltzustand des Schaltkontaktes abhängiges Ausgangssignal
erzeugt, wobei an den Signalausgang eine Meldeeinrichtung angeschlossen
oder anschließbar
ist, welche das Ausgangssignal verarbeitet, und mit zumindest einem
eingangsseitigen Versorgungsanschluss für eine Eingangsversorgungsspannung,
wobei der zu überwachende Schaltkontakt
mit zumindest einem Parallelwiderstand überbrückt ist oder überbrückbar ist,
so dass in den Signaleingang bei geschlossenem Schaltkontakt ein
Signalstrom und bei geöffnetem
Schaltkontakt ein Ruhestrom fließt, wobei dem mit der Signalleitung
verbundenen Signaleingang ein erster Signalausgang und ein zweiter
Signalausgang zugeordnet sind, welche in Abhängigkeit von dem Schaltzustand
des Schaltkontaktes unterschiedliche Kombinationen digitaler Ausgangssignale
mit vorgegebenen Spannungspegeln erzeugen, und wobei der eingangsseitige
Versorgungsanschluss mit einem ersten Optokoppler und der Signaleingang mit
einem zweiten Optokoppler verbunden sind, wobei der Eingangsstromkreis
der beiden Optokoppler über zumindest
einem Widerstand an einen Eingangsstromkreis eines dritten Optokopplers
angeschlossen sind.
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Erfindungsgemäß sind die
Signalausgänge
als antivalente Ausgänge
geschaltet, d. h. bei geöffnetem Schaltkontakt
erzeugt der erste Signalausgang einen hohen Signalpegel und der
zweite Signalausgang einen niedrigen Signalpegel, während bei
geschlossenem Schaltkontakt der erste Signalausgang umgekehrt einen niedrigen
Signalpegel und der zweite Signalausgang einen hohen Signalpegel
erzeugt. Bei unterbrochener Signalleitung, z. B. im Falle eines
Drahtbruches oder einer losen Klemme erzeugen die beiden Signalausgänge unabhängig von
dem Schaltzustand des Schaltkontaktes identische Signalpegel, z.
B. beide hohe Signalpegel. Ferner schlägt die Erfindung vor, dass
bei defekter Schaltungsanordnung, z. B. bei Defekt eines Optokopplers, die
beiden Signalausgänge
unabhängig
von dem Schaltzustand des Schaltkontaktes ein (anderes) identisches Signal
erzeugen, z. B. beide Signalausgänge
niedrige Signalpegel.
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Im
Rahmen der Erfindung wird folglich ein Eingangssignal auf zwei antivalente
Ausgangssignale abgebildet, wobei diese Ausgangsignale dann in einer
entsprechenden Meldeeinrichtung verarbeitet bzw. ausgewertet werden.
Bei einer solchen Meldeeinrichtung handelt es sich regelmäßig um eine
Datenverarbeitungsanlage mit einer entsprechenden Software, welche
die in die Meldeeinrichtung einlaufenden Ausgangssignale der erfindungsgemäßen Eingangsschaltung
verarbeitet, speichert und ggf. visualisiert. Von besonderer Bedeutung
ist dabei, dass antivalente Ausgänge
verwirklicht sind, d. h. bei Änderung
des Schaltzustandes des zu überwachenden
Schaltkontaktes ändert
sich nicht lediglich ein einziges Ausgangssignal, sondern beide Ausgangssignale ändern sich
in umgekehrter Weise. Damit lässt
sich die Änderung
des Schaltzustandes zuverlässig
von beispielsweise einem Drahtbruch oder einer losen Klemme oder
auch von einem Defekt der Schaltungsanordnung, z. B. im Falle eines
defekten Optokopplers unterscheiden. Im Ergebnis ist ein zutreffendes
und lückenloses
Informationsabbild des tatsächlichen
Zustandes eines Anlagenteils oder einer Anlage gewährleistet,
da die externen Signalkreise in die Selbstüberwachung der leittechnischen
Systeme einbezogen sind. Durch die Früherkennung von Fehlern, wie
z. B. einen Drahtbruch oder eine lose Klemme, erhöht sich die
Anlagenverfügbarkeit
und die Betriebssicherheit einer Anlage. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
stellt gleichsam einen digitalen 2-Bit-Signalausgang zur Verfügung, welcher
dementsprechend vier verschiedene Ausgangssignalkombinationen erzeugen
kann.
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Diese
Funktionalität
wird insbesondere dadurch erreicht, dass im Rahmen der Erfindung
dem ersten Signalausgang zumindest ein erstes potentialtrennendes
Schaltglied, nämlich
ein erster Optokoppler und dem zweiten Signalausgang zumindest ein
zweites potentialtrennendes Schaltglied, nämlich ein zweiter Optokoppler,
zugeordnet sind. Die Schaltungsanordnung weist zumindest einen eingangsseitigen
Versorgungsanschluss für
eine Eingangsversorgungsspannung und zumindest einen ausgangsseitigen
Versorgungsanschluss für
eine Ausgangsversorgungsspannung auf. Dabei ist die Schaltung derart
ausgelegt, dass die Ausgangsseiten der beiden Optokoppler einerseits
an den jeweiligen Signalausgang angeschlossen und andererseits über jeweils
zumindest einen Widerstand mit dem ausgangsseitigen Versorgungsanschluss
verbunden sind. Sofern durch entsprechende eingangsseitige Ansteuerung
der Optokoppler ausgangsseitig niederohmig ist und folglich ausgangsseitig
durchschaltet, liegt am zugeordneten Signalausgang ein Low-Pegel
an. Wird der Optokoppler ausgangsseitig hochohmig, so fällt an dem
entsprechenden Signalausgang im Wesentlichen die Versorgungsspannung
(z. B. 5 V) ab, so dass der Signalausgang auf ”High” schaltet.
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Ferner
schlägt
die Erfindung vor, dass der eingangsseitige Versorgungsanschluss
mit einem dritten Optokoppler und der Signaleingang mit einem vierten
Optokoppler verbunden sind, wobei der Eingangsstromkreis der beiden Optokoppler über zumindest
einen Widerstand an einen Eingangsstromkreis eines fünften Optokopplers
angeschlossen ist. Der Eingangsstromkreis des dritten und des vierten
Optokopplers sind dabei vorzugsweise über einen ersten Transistorschalter
mit einem sechsten Optokoppler verbunden. Der fünfte Optokoppler kann einen
zweiten Transistorschalter ansteuern, wobei der Transistorschalter
im Durchflusszustand den dem ersten Signalausgang zugeordneten Optokoppler überbrückt. Durch
die beschriebene Kombination der Optokoppler und insbesondere der
beiden Transistorschalter lassen sich in schaltungstechnisch einfacher und
kostengünstiger
Weise die beschriebenen antivalenten Ausgänge erzeugen.
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Störeinflüsse, die
durch Potentialanhebung der Signalspannung hervorgerufen werden
können,
werden durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
unterdrückt.
Darüber
hinaus werden Störeinflüsse unterdrückt, die
durch transiente Überspannungen
erzeugt werden. Schließlich
werden auch solche Störeinflüsse unterdrückt, die
z. B. durch kapazitive Kopplung parallel verlegter Leitungen hervorgerufen
werden können. Das
Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Schaltung liegt dabei typischerweise
in einem Bereich zwischen 300 bis 500 μs.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden
im Folgenden anhand der Figuren erläutert, die ein Ausführungsbeispiel
darstellen. Es zeigen
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1 ein
Meldesystem mit einer vorgeschalteten erfindungsgemäßen Eingangsschaltung
in einem schematischen Blockschaltbild,
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2 die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ohne nachgeschaltetes Meldesystem,
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3 schematisch
den Signalverlauf in Abhängigkeit
von der Zeit und für
verschiedene Schaltzustände,
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4 einen
Ausschnitt aus der Schaltung gemäß 2 mit
angedeutetem Strompfad in einer Phase I nach Aufschalten der Versorgungsspannung,
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5 die
Schaltungsanordnung nach 4 in einer Phase II ca. 1 μs nach Phase
I,
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6 die
Schaltung nach 5 in einer Phase III nach Schließen des
Signalkontaktes S1 und
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7 das
Verhalten der Hybridschaltung bei von der Nennspannung abweichenden
Spannungen.
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In 1 ist
zunächst
in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Eingangsschaltung 1 für eine lediglich
angedeutete Meldeeinrichtung 2 zur Überwachung von Schaltzuständen einer
Vielzahl von Schaltkontakten S1, z. B. in Schaltanlagen dargestellt.
Eine solche erfindungsgemäße Eingangsschaltung 1 ist
als Eingangsmodul in Form einer Hybridschaltung gefertigt und beispielsweise
in das Meldesystem einsteckbar bzw. an das Meldesystem ansteckbar
oder auch in das Meldesystem integriert. Das Meldesystem selbst
kann beispielsweise eine Datenverarbeitungsanlage aufweisen, die
die zu überwachenden
Signale bzw. Meldungen weiterverarbeitet.
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Es
ist erkennbar, dass die Eingangsschaltungsanordnung 1 eingangsseitig
Anschlüsse
P1 und P5 für eine
Versorgungsspannung UE aufweist. Dabei können die
mehreren Anschlüsse
P1 und P5 gemäß 1 einer
gemeinsamen Spannungsversorgung zugeordnet sein. Dabei wird im Ausführungsbeispiel
eine erdfreie Spannung UE von 0–250 V,
z. B. etwa 220 VDC angelegt. An die ausgangsseitigen Versorgungsanschlüsse P12
bzw. P9 wird eine Ausgangsversorgungsspannung UA von
etwa 5 VDC bzw. GND angelegt. Ferner weist jede Hybridschaltung 1 eingangsseitig
einen Signaleingang P6 auf an welchen eine lediglich angedeutete
Signalleitung 3 angeschlossen wird. In die Signalleitung
ist der zu überwachende
Schaltkontakt S1 integriert. Diesem einen Signaleingang P6 sind
zwei Signalausgänge
P10 und P11 zugeordnet, wobei der Signalausgang P11 ein Ausgangssignal
Q1 und der Signalausgang P10 ein Ausgangssignal Q2 erzeugt, und
zwar in Abhängigkeit
von dem Eingangssignal und folglich in Abhängigkeit von dem Schaltzustand
des Schalters S1. Ferner ist bereits in 1 angedeutet,
dass der zu überwachende
Schaltkontakt S1 mit einem Parallelwiderstand RS überbrückt ist,
so dass in den Signaleingang P6 bei geschlossenem Schaltkontakt
S1 ein Signalstrom ISig und bei geöffnetem
Schaltkontakt S1 ein Ruhestrom IRuhe fließt.
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Die
Schaltungsanordnung ist dabei so ausgelegt, dass die Signalausgänge P10,
P11 als antivalente Ausgänge
geschaltet sind, d. h. bei geöffnetem
Schaltkontakt erzeugt der Signalausgang P11 als Ausgangssignal Q1
ein Signal ”High” (H), während der
zweite Signalausgang P10 als Ausgangssignal Q2 ein Signal ”Low” (L) erzeugt.
Wird nun der Schalter S1 geschlossen, so ändert sich sowohl das Signal
Q1 als auch das Signal Q2. Am Signalausgang P11 liegt dann ein Signal ”Low” an, während am
Signalausgang P10 ein Signal Q2” High” anliegt.
Kommt es beispielsweise im Bereich der verhältnismäßig langen Eingangsleitung
3 zwischen
dem Schaltkontakt S1 und dem Signaleingang P6 zu einem Drahtbruch
o. dgl. Störung,
so setzt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
diesen Drahtbruch nicht etwa mit einem geöffneten Schaltkontakt S1 gleich.
Vielmehr unterscheidet sich dieser Zustand, da nun auch kein Ruhestrom
mehr fließt,
so dass sowohl am Ausgang P11 als auch am Ausgang P10 jeweils ein
Signal ”High” anliegt.
Kommt es schließlich
zu einem Defekt der Hybridschaltung, beispielsweise zum Ausfall
eines Optokopplers, so liegt an beiden Ausgängen P11 und P10 jeweils ein
Signal ”Low” an, so
dass auch dieser Zustand erkannt wird. Insgesamt lassen sich durch die
antivalenten Ausgänge
einem Signaleingang vier unterschiedliche Informationszustände am Signalausgang
im Sinne eines ”2-Bit-Ausgangs” zuordnen.
Im Ausführungsbeispiel
sind das folgende Zustände:
| | Q1 | Q2 |
| Signalkontakt
offen Signalleitung ok | H | L |
| Signalkontakt
geschlossen Signalleitung ok | L | H |
| Signalleitung
unterbrochen (Schaltung ok) | H | H |
| Schaltung
defekt | L | L |
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H
meint üblicherweise
in etwa 5 V. L meint üblicherweise
in etwa 0 V. Aufbau und Funktionsweise der erfindungsgemäßen Eingangsschaltung
gibt der schematische Schaltplan in 2 wieder.
Die Begrenzung der Hybridschaltung 1 ist strichpunktiert
angedeutet. Eingangsseitig sind die Versorgungsanschlüsse P1 und P5
erkennbar sowie der Signaleingang P6. Ausgangsseitig sind die Versorgungsanschlüsse P9 und
P12 erkennbar sowie die Signalausgänge P11 und P10. Darüber hinaus
ist ein Messausgang P2 vorgesehen, an dem insbesondere im Rahmen
eines Tests der durch den Eingangsstrom hervorgerufene Spannungsfall über dem Widerstand
R13 gemessen werden kann. Dem ersten Signalausgang P11 ist ein erster
Optokoppler U3 zugeordnet, während
dem zweiten Signalausgang P10 ein zweiter Optokoppler U4 zugeordnet
ist. Der Ausgangspin 4 der beiden Optokoppler U3, U4 ist
dabei jeweils einerseits an dem entsprechenden Signalausgang P11 bzw.
P10 und andererseits über
einen Widerstand R7 bzw. R8 an dem Versorgungsanschluss P12 angeschlossen,
an den eine Gleichspannung 5 VDC angelegt ist. Der jeweils
andere Ausgangspin 3 der Optokoppler U3, U4 ist direkt
oder indirekt mit dem anderen Versorgungsanschluss P9 verbunden,
der auf Erdpotential (GND) liegt. Insofern ist ersichtlich, dass
an den Signalausgängen
P11 und P10 jeweils entweder eine Spannung von etwa 5 V oder etwa
0 V anliegt, je nachdem, ob der Ausgangsstromkreis 3–4 des
jeweiligen Optokopplers niederohmig oder hochohmig geschaltet ist.
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Ferner
zeigt 2, dass der eingangsseitige Versorgungsanschluss
P5, an den z. B. +220 VDC angeschlossen sind, über einen Widerstand R11 mit
einem dritten Optokoppler U5 verbunden ist, während der Signaleingang P6
mit einem vierten Optokoppler U6 verbunden ist. Die Eingangsstromkreise 1-2 der
beiden Optokoppler U5 bzw. U6 sind über Widerstände R1 und R12 mit dem Eingang
eines fünften
Optokopplers U2 verbunden. Ferner sind die Eingangsstromkreise 1–2 des
dritten Optokopplers U5 und des vierten Optokopplers U6 über einen
ersten Transistor V1 mit einem sechsten Optokoppler U1 verbunden.
Der fünfte
Optokoppler U2 steuert wiederum einen zweiten Transistor V2, wobei
hier von Bedeutung ist, dass dieser Transistor V2 im Durchflusszustand
den Optokoppler U3, der dem ersten Signalausgang P11 zugeordnet
ist, überbrückt.
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Die
Funktion der Schaltung soll anhand der 2 und darüber hinaus
anhand der 4, 5 und 6 erläutert werden.
Die 4, 5 und 6 zeigen
dabei jeweils einen (eingangsseitigen) Ausschnitt aus der Schaltung
nach 2 in jeweils verschiedenen Funktionszuständen.
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Die
an die Versorgungsanschlüsse
P5 und P1 angeschlossene Versorgungsspannung beträgt im Ausführungsbeispiel
220 VDC (plus 10%/–20%).
An die ausgangsseitigen Versorgungsanschlüsse P9 und P12 ist eine Spannung
von 5 VDC gegenüber
Masse angeschlossen. Gemäß 2 und 4 ist
im Ausgangsschaltzustand der Kontakt S1 geöffnet und durch den Widerstand
RS überbrückt. Die
Leiterschleife des Signalweges ist geschlossen, d. h. ein Drahtbruch
liegt nicht vor. Dazu ist in einem Testaufbau der in 2 angedeutete Schalter
S2 integriert, der im Zuge des Öffnens
einen Drahtbruch simulieren kann. Ferner ist angedeutet, dass eingangsseitig
ein weiterer Brückenpunkt
P4 vorgesehen ist, der über
eine Brücke
B mit dem Signaleingang P6 verbindbar ist. Eine solche Brücke ist
zunächst
nicht vorgesehen.
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In
diesem ersten Ausgangsschaltzustand mit geöffnetem Schalter S1 fließt zunächst vom
Versorgungsanschluss ein Strom IV über folgendem
Strompfad durch den Schaltkreis. Von dem Versorgungsanschluss P5
fließt
der Strom IV über R11, über U5(1/2),
dann über
R1 und R12 durch U2(1/2) zu U4(1/2),
weiter durch R5 über
R13 durch die Sicherung F1 zu dem negativ gepolten zweiten Versorgungsanschluss
P1. Durch den eingangsseitigen Stromfluss durch U5 wird U5 ausgangsseitig,
d. h. an den Pins 3/4 niederohmig, so dass
ein Teilstrom über
U2(1/2) fließt.
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Der
Signalstrom, der bei geöffnetem
Schalter als Ruhestrom IRuhe ausgebildet
ist, fließt
vom Pluspol zum Minuspol über
folgenden Strompfad durch den Schaltkreis: Vom Signaleingang P6 über U6(1/2) und im weiteren Verlauf über R1 und
R12 wie bereits für
den Versorgungsstrom IV beschrieben. U2(3/4) ist niederohmig und steuert V2 an.
V2 ist dadurch niederohmig und überbrückt den
Strompfad über
U3(1/2) und R3. Damit ist U3(4/3) hochohmig
und schaltet den Signalausgang P11 auf ein Ausgangssignal Q1 mit
H-Pegel. U4(4/3) ist niederohmig und schaltet
dadurch den Signalausgang P10 auf ein Ausgangssignal Q2 mit L-Pegel.
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Wird
nun der Signalkontakt S1 geschlossen, so fließt nicht mehr der verhältnismäßig geringe
Ruhestrom IRuhe, sondern der Signalstrom
ISig in den Signaleingang P6. Dieser Signalstrom
verursacht an R1 und R12 einen Spannungsfall. Dadurch wird V1(C/E) niederohmig und steuert U1(1/2) an.
Im weiteren Verlauf fließt
der Signalstrom über
R4 und V2(C/E) über R13 und F1 zum Minuspol
P1. Der Signalstrom wird dabei im Wesentlichen durch den verhältnismäßig geringen
Widerstand R4 von beispielsweise 3 kΩ bestimmt. Nach der Schaltzeit
des Optokopplers U1 wird U1(3/4) niederohmig
und überbrückt den
Strompfad U2(1/2) sowie U4(1/2).
U4(3/4) wird hochohmig und schaltet das
Ausgangssignal Q2 am Signalausgang P10 auf H-Pegel um. U2(3/4) wird hochohmig und somit wird V2 nicht
mehr angesteuert. Dadurch wird der Strom I umgeleitet über U3(1/2) und R3, so dass der Strom danach im
Wesentlichen durch R3 bestimmt wird, wobei der Widerstand R3 deutlich
größer als
der Widerstand R4 ist. Im Ausführungsbeispiel
ist R3 etwa 100 mal so groß wie
R4 und folglich ca. 300 kΩ. Der
Vorgang nach Zuschalten S1 bis zum Umschalten auf den Strompfad über R3 dauert
ca. 250 μs
bis 400 μs.
Er verursacht für
diese Zeit ein Stromspitze von ca. 65 mA. Nach dem Umschalten des
Stromes I über
R3 fließt
für die
Zeit, in der S1 geschlossen ist, ein Strom von ca. 2,5 bis 3 mA.
Im Übrigen
wird der Optokoppler U4 ausgangsseitig niederohmig und das Ausgangssignal
Q1 schaltet von H-Pegel auf L-Pegel. Von besonderer Bedeutung ist,
dass R3 deutlich größer als
R4 ist, z. B. den 50–1000-fachen
Wert, vorzugsweise den 50–200-fachen
Wert, insbesondere den 100-fachen Wert aufweist.
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In
den 4, 5 und 6 sind die
entsprechenden Strompfade für
die Phasen I, II, III bereichsweise durch die verstärkten Linien
angedeutet.
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Das
Signalverhalten der erfindungsgemäßen Schaltung lässt sich
auch anhand von 3 erkennen. Im oberen Bereich
sind die verschiedenen Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen.
Die Ströme
sind ebenfalls in Abhängigkeit
von der Zeit und folglich in Abhängigkeit
von den verschiedenen Schaltzuständen
angedeutet.
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Die
Eingangsspannung beträgt
beispielsweise je nach Ausführungsform
60 V, 110 V oder 220 VDC. Der Ruhestrom beträgt bei 60 V etwa 2 mA, bei
100 V etwa 1 mA und bei 220 V etwa 0,9 mA. Während des Schaltens des Geberkontaktes
S1 liegen die Ströme
bei 60 bis 65 mA. Nach Beendigung des Schaltvorganges liegen die
Ströme
zwischen 2 mA und 5 mA. Bei 60 V fließt ein Strom von etwa 5 mA,
bei 110 V ein Strom von 2,8 mA und bei 220 V ein Strom von etwa
2,5 mA. Die Isolation gegen nachgeschaltete Betriebsmittel beträgt 2,5 KV
bei 50 Hz über
eine Minute bzw. 5 KV bei einem Stoß von 1,2 μs Flankensteilheit und 50 μs Halbwertszeit.
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Ferner
ist in 2 erkennbar, dass die Möglichkeit besteht, die Eingangsanschlüsse P6 und
P4 mit Hilfe einer Brücke
B zu überbrücken, nämlich dann,
wenn bei den Gegebenheiten keine Möglichkeit besteht, den Signalkontakt
S1 mit Hilfe eines Widerstandes RS zu überbrücken. Dann kann die Schaltung
dennoch verwendet werden, wobei jedoch auf die Überwachung der externen Signalschleife
verzichtet werden muss. Dieses kann bei Einsatz der Hybridschaltung
in älteren
Anlagen notwendig sein, wenn man den Widerstand RS über den
Geberkontakt nicht nachrüsten
kann oder will. Durch Überbrückung der
Anschlüsse
P6 und P4 wird verhindert, dass die Schaltung bei geöffnetem
Signalkontakt eine Unterbrechung der Signalschleife erkennt. Es
wird folglich eine geschlossene Signalschleife simuliert. Dabei
wird der Widerstand RS auf dem Hybriden durch R6 nachgebildet. Die übrige Funktionalität bleibt
voll erhalten.
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Wird
die Schaltung in einem Messaufbau betrieben, so kann, wie erläutert, in
die Leitung ein zweiter Schalter S2 zur Simulation eines Drahtbruchs
integriert werden. An die Pins P11, P10 und ggf. P2 werden Messgeräte, z. B.
ein Mehrkanaloszilloskop, angeschlossen.
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Das
beschriebene Verhalten der kurzzeitigen vergleichsweise kleinen
Eingangsimpedanz soll Störungen
unterdrücken,
die z. B. durch lange parallel geführte Leitungen (z. B. viele
Adern in einem Kabel) über
eine kapazitive Kopplung hervorgerufen werden können. Bei einer Koppelkapazität von ≤ 220 nF soll
es nicht zum Ansprechen bzw. Mitkoppeln eines weiteren Signaleingangs
kommen. 220 nF entspricht ca. 1 km paralleler Adern der bei EVU
verwendeten Kabel. Im Test kann dieses mit Hilfe eines entsprechenden
Kondensators getestet werden. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang
die Pegellage beider Ausgänge
nach ca. 500 μs von
Signalbeginn an gerechnet. Die Entprellzeit der nachgeschalteten
Elektronik wird auf ca. 1 ms eingestellt bzw. parametriert.
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Schließlich zeigt 7 das
Verhalten der Schaltung bei Eingangsspannungen, die von der vorgesehenen
Nennspannung von z. B. 220 V abweichen. Es ist die Eingangsspannung
U im Verhältnis
zur Nennspannung UN und das entsprechende Verhalten der Schaltung
aufgetragen. Der markierte Bereich X entspricht dem Zustand ”immer logisch
1”. Der
markierte Bereich Y entspricht dem Zustand ”logisch 1 oder logisch 0” und der
markierte Bereich Z entspricht dem Zustand ”immer logisch 0”. Das bedeutet,
dass sich die Schaltung bei Unterspannung bis zu 20% so wie beschrieben
verhält,
jedoch entsprechend kleinere Eingangsströme und ein etwas breiter verformter
Impuls gegeben sind. Bei Überspannungen
bis zu 10% verhält
sich die Schaltung ebenfalls wie beschrieben, jedoch mit entsprechend
größeren Eingangsströmen und
einem etwas schmaleren Impuls. Bei Spannungen unterhalb 65% der
Nennspannung und aufgeschaltetem Signal ist für den Eingang immer logisch
0 zu erkennen. D. h. die Ausgänge
müssen
sich so verhalten, als liege kein Signal am Eingang an. Bei Spannungen über 80%
der Nennspannung und bis zu etwa 110% oder auch 120% der Nennspannung sowie
aufgeschaltetem Signal ist für
den Eingang immer logisch 1 zu erkennen. D. h. die Ausgänge müssen sich
entsprechend signalbegleitend verhalten. Zwischen diesen Werten
ist der Zustand entweder logisch 0 oder logisch 1.