DE102006004558A1

DE102006004558A1 - Sicherheitsschaltvorrichtung und Verfahren zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers

Info

Publication number: DE102006004558A1
Application number: DE200610004558
Authority: DE
Inventors: Hubert Strobel
Original assignee: Pilz GmbH and Co KG
Current assignee: Pilz GmbH and Co KG
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09
Also published as: WO2007085372A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltvorrichtung (10) zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers (20), mit einem Eingang (17) zum Anschließen eines Meldegeräts (18), einer ausgangsseitigen Schalteinrichtung (19) zum sicheren Abschalten des Verbrauchers (20), einer Steuer/Auswerteeinheit (12), die in Abhängigkeit von dem Meldegerät (18) die Schalteinrichtung (19) ansteuert, und mit einem Netzteil (14) zum Bereitstellen einer Betriebsspannung (U<SUB>B</SUB>), wobei das Netzteil (14) aufweist einen Eingang (A1, A2) zum Aufnehmen einer eingangsseitigen Netzspannung (U), einen Ausgang (K1, K2), an dem eine Betriebsspannung (U<SUB>B</SUB>) abgreifbar ist, einen Übertrager (24), dessen Primärwicklung (26) mit dem Eingang (A1, A2) und dessen Sekundärwicklung (28) mit dem Ausgang (K1, K2) gekoppelt ist und der eine Hilfswicklung (30) aufweist, die mit einem magnetischen Fluss des Übertragers (24) gekoppelt ist, einen Schaltregler (IC) zur Regelung eines Stromflusses durch den Übertrager (24) und einen Energiespeicher (C3) zur Versorgung des Schaltreglers (IC) im Dauerbetrieb mit einer stabilisierten Spannung. Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltvorrichtung (10) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C3) mit der Hilfswicklung (30) verbunden ist, um einen in der Hilfswicklung (30) induzierten Strom zum Energiespeicher (C3) zu leiten. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltvorrichtung zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers, mit einem Eingang zum Anschließen eines Meldegeräts, einer ausgangsseitigen Schalteinrichtung zum sicheren Abschalten des Verbrauchers, einer Steuer/Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von dem Meldegerät die Schalteinrichtung ansteuert, und mit einem Netzteil zum Bereitstellen einer Betriebsspannung, wobei das Netzteil aufweist: einen Eingang zum Aufnehmen einer eingangsseitigen Netzspannung, einen Ausgang, an dem eine Betriebsspannung abgreifbar ist, einen Übertrager, dessen Primärwicklung mit dem Eingang und dessen Sekundärwicklung mit dem Ausgang gekoppelt ist und der eine Hilfswicklung aufweist, die mit einem magnetischen Fluss des Übertragers gekoppelt ist, einen Schaltregler zur Regelung eines Stromflusses durch den Übertrager, und einen Energiespeicher zur Versorgung des Schaltreglers im Dauerbetrieb mit einer stabilisierten Spannung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers, mit den Schritten:

– Bereitstellen einer Sicherheitsschaltvorrichtung mit einer ausgangsseitigen Schalteinrichtung zum sicheren Abschalten des Verbrauchers,
– Bereitstellen einer Steuer/Auswerteeinheit,
– Bereitstellen eines Schaltreglers,
– Bereitstellen eines Übertragers mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung,
– Bereitstellen einer Hilfswicklung, die mit dem magnetischen Fluss des Übertragers gekoppelt ist, und
– Bereitstellen eines Energiespeichers,

– die Steuer/Auswerteeinheit die Schalteinrichtung ansteuert,
– der Energiespeicher den Schaltregler im Dauerbetrieb mit einer stabilisierten Spannung versorgt,
– in der Hilfswicklung ein Strom induziert wird, und
– der Schaltregler einen Strom durch die Primärwicklung regelt.

Eine derartige Sicherheitsschaltvorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der DE 102 08 578 A1 bekannt.

Eine Sicherheitsschaltvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede Schaltvorrichtung, die zumindest die Kategorie 3, bevorzugt sogar die Kategorie 4 der europäischen Norm EN 954-1 oder eine vergleichbare Sicherheitsnorm erfüllt. Hierunter fallen insbesondere Schaltgeräte, Sicherheitssteuerungen, sowie Sensor- und Aktuatormodule, die für die Steuerung und Durchführung von sicherheitskritischen Aufgaben im Bereich industrieller Produktionsumgebungen eingesetzt werden.

Dabei sind insbesondere Schaltgeräte bekannt, die die Betriebsstellung eines Not-Aus-Schalters oder einer Schutztür oder beispielsweise den Funktionszustand einer Lichtschranke überwachen und in Abhängigkeit davon eine Maschine oder einen Maschinenbereich abschalten. Ein Versagen derartiger Sicherheitsschaltvorrichtungen kann für Maschinenpersonal lebensgefährliche Folgen haben, weshalb Sicherheitsschaltvorrichtungen nur verwendet werden dürfen, wenn sie durch die zuständigen Auf sichtsbehörden (in Deutschland beispielsweise die Berufsgenossenschaften) zugelassen sind.

Neben den zentralen Sicherheitsanforderungen, die eine Sicherheitsschaltvorrichtung erfüllen muss, sollen Sicherheitsschaltvorrichtungen länderabhängig einen Betrieb an unterschiedlichen Netzspannungen zu ermöglichen. Um die notwendigen Konfigurationsmaßnahmen zu reduzieren oder zu eliminieren, wurden Weitspannungs-Netzteile entwickelt, die eine gewünschte Betriebsspannung aus verschiedenen Netzspannungen erzeugen können.

Eine derartige Funktion lässt sich vorteilhaft mit einem Schaltregler realisieren, da sich dieser aufgrund seiner internen Regelfunktion an verschiedene Spannungen anpassen kann. Die gewünschte Betriebsspannung wird mit Hilfe eines periodischen Ein- und Ausschaltvorgangs erzeugt, der in Abhängigkeit von der gewünschten Betriebsspannung pulsweitenmoduliert ist.

Aus der eingangs genannten DE 102 05 578 A1 sind die Grundlagen einer Sicherheitsschaltvorrichtung bekannt, wobei sich diese Schrift gezielt mit dem Aspekt eines Weitspannungs-Netzteils befasst. Die darin beschriebene Erfindung verfolgt den Ansatz, mehrere Schaltregler parallel zueinander zu verwenden, um eine gewünschte Betriebsspannung bei einer Vielzahl von möglichen Eingangsspannungen zu erzeugen.

In Abhängigkeit von der gegebenen Eingangsspannung wird dann jeweils zumindest einer der Schaltregler aktiviert. Dieser Schaltregler bestimmt den Stromfluss durch den Übertrager und regelt in bekannter Weise die Betriebsspannung. Nichtaktivierte Schaltregler sind währenddessen funktionslos.

Für allgemeine Informationen über die Integration eines Schaltreglers in einem Schaltkreis wird auf das Datenblatt "CoolSET-F2 Datasheet", Version 2.3 vom 10. August 2005 der Infineon Technologies AG, München, Deutschland verwiesen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Sicherheitsschaltvorrichtung zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, bei dem die Ausschaltverzögerung reduziert ist. Darüber hinaus soll auch die Einschaltverzögerung reduziert werden. Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Schwankungen, die sich bei der Ausschaltverzögerung aufgrund von verschiedenen Lasten am Ausgang der Sicherheitsschaltvorrichtung und/oder aufgrund der unterschiedlichen Eingangsspannungen eines Weitbereichsnetzteils ergeben können, zu verringern.

Die Aufgabe wird durch eine Sicherheitsschaltvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der der Energiespeicher mit der Hilfswicklung verbunden ist, um einen in der Hilfswicklung induzierten Strom zum Energiespeicher zu leiten.

Ferner wird die Aufgabe durch ein eingangs genanntes Verfahren gelöst, bei dem der Energiespeicher mittels des in der Hilfswicklung induzierten Stroms aufgeladen wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein schnelles Ein- und/oder Ausschalten der ausgangsseitigen Schalteinrichtung dadurch bewirken oder unterstützen lässt, indem die vom Netzteil bereitgestellte Betriebsspannung beim Einschalten schnell aufgebaut wird bzw. beim Ausschalten schnell zusammenbricht. Außerdem wurde erkannt, dass die Pufferkapazität, der zur Glättung der gleichgerichteten Netzspannung nach dem Gleichrichter verwendet wird, einen maßgeblichen Einfluss auf die sicherheitskritische Ausschaltverzögerung hat.

Die Betriebsspannung des Netzteils bricht in der Regel erst dann zusammen, wenn die Spannung über der Pufferkapazität weit genug abgefallen ist. Da der Energiespeicher, der die Versorgung des Schaltreglers im Dauerbetrieb mit einer stabilisierten Spannung sicherstellt, nun aber nicht mehr an der Primärwicklung hängt, sondern erfindungsgemäß über die Hilfswicklung gespeist wird, kann die Spannung in der Sekundärwicklung und damit die Betriebsspannung beim Abschalten schnell zusammenbrechen, auch wenn der Energiespeicher immer noch geladen ist.

Das schnellere Zusammenbrechen der Betriebsspannung ermöglicht eine schnellere Reaktion der ausgangsseitigen Schalteinrichtung und damit insgesamt ein schnelleres sicheres Abschalten des elektrischen Verbrauchers. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Energiespeichers, wird es auch möglich, die Pufferkapazität deutlich zu verkleinern und die Einschaltverzögerung zu verringern. Außerdem ergibt sich eine konstantere, das heißt vorhersagbare, Ausschaltverzögerung, da die Auswirkungen durch den Pufferkondensator vernachlässigbar werden.

Vorteilhafterweise wird der Energiespeicher als Kondensator mit einer Kapazität zwischen 5 μF und 500 μF, bevorzugt zwischen 10 μF und 100 μF, insbesondere zwischen 15 μF und 50 μF gewählt. Dabei ist es die vorrangige Aufgabe des Energiespeichers, die Versorgungsspannung des Schaltreglers zu stabilisieren, beispielsweise wenn sich die momentane Netzspannung als Wechselspannung in der Nähe des Nulldurchgangs befindet. Es ist zwar möglich, aber für die Umsetzung der Erfindung nicht unbedingt erforderlich, dass der Energiespeicher allein den Schaltregler mit Energie versorgt.

Es sei darauf hingewiesen, dass es nicht länger erforderlich ist, die Pufferkapazität als Elektrolytkondensator auszuführen. Vorteilhafterweise wird nun ein kleiner Kondensator, beispielsweise ein Folien- oder Vielschichtkondensator, verwendet. Er sollte andererseits aber so groß sein, dass eine Spannungswelligkeit aufgrund der Schaltreglerfrequenz ausreichend unterdrückt wird.

Die genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Energiespeicher so dimensioniert, dass zur Versorgung des Schaltreglers im Dauerbetrieb mit einer stabilisierten Spannung kein weiteres energiespeicherndes Element erforderlich ist.

Die Erfindung macht es möglich, dass für die stabilisierte Spannungsversorgung des Schaltreglers nur der Energiespeicher benötigt wird. Dadurch wird die Einschaltverzögerung besonders klein. Da der Energiespeicher aus der Hilfswicklung gespeist wird, stellen sich bei einer entsprechend großen Dimensionierung des Energiespeichers keine Nachteile ein. Insbesondere bleibt die lediglich geringe Ausschaltverzögerung erhalten und besonders einfach bestimmbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Energiespeicher über eine Diode mit einem Versorgungsspannungseingang des Schaltreglers verbunden.

Dabei ist die Diode so orientiert, dass sie in der Richtung vom Versorgungsspannungseingang zum Energiespeicher sperrt. So kann sichergestellt werden, dass der Energiespeicher den Versorgungsspannungseingang hinsichtlich der anliegenden Spannung stabilisieren kann, dass aber keine Energie vom Versorgungsspannungseingang abgezogen wird, um den Energiespeicher zu laden. Insbesondere wenn der Versorgungsspannungseingang mit der Primärwicklung verbunden ist, beispielsweise über einen Widerstand, wird ein direkter Stromfluss von der Primärseite bzw. von der gleichgerichteten Netzspannung zum Energiespeicher unterdrückt.

Dies hat den Vorteil, dass beim Einschalten der Sicherheitsschaltvorrichtung nicht erst das Laden des Energiespeichers abgewartet werden muss, bevor am Versorgungsspannungseingang eine ausreichende Spannung anliegt. Da der Energiespeicher gewissermaßen zeitlich verzögert über die Hilfswicklung geladen wird, ist der Schaltregler nach dem Einschalten der Netzspannung nahezu unmittelbar betriebsbereit. Dadurch wird die Einschaltverzögerung weiter verringert.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Versorgungsspannungseingang außerdem mit einem Hilfsenergiespeicher gekoppelt, wobei der Hilfsenergiespeicher gerade so dimensioniert ist, den Schaltregler während einer Startphase mit Energie zu versorgen, bis der Energiespeicher die stabilisierte Spannung bereitstellt.

Sobald der Schaltregler aktiv ist und den Stromfluss durch die Primärwicklung freischaltet, fließt initial ein sehr großer Strom in die Primärwicklung. Wenn der Versorgungsspannungseingang des Schaltreglers mit der gleichgerichteten Netzspannung verbunden ist, führt dieser initiale Strom zu einem Spannungsabfall am Versorgungsspannungseingang. In Abhängigkeit von der Dimensionierung der Schaltung und ggf. weiterer Maßnahmen besteht die Möglichkeit, dass die Versorgungsspannung zu weit absinkt und der Schaltregler abschaltet. Daher kann es vorteilhaft sein, den genannten Hilfsenergiespeicher vorzusehen, der in der kurzen Anlaufphase die Spannungsversorgung des Schaltreglers sicherstellt.

Der Hilfsenergiespeicher kann dabei sehr klein gewählt werden, insbesondere muss bei seiner Dimensionierung nicht die später erforderliche stabilisierte Spannungsversorgung berücksichtigt werden, da diese vom Energiespeicher übernommen wird. Vorteilhafterweise wird der Hilfsenergiespeicher als Kondensator mit einer Kapazität zwischen 50 nF und 5000 nF, bevorzugt zwischen 150 nF und 1500 nF, insbesondere zwischen 250 nF und 750 nF gewählt. Dadurch bleibt die Einschaltverzögerung auch weiterhin gering.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der Energiespeicher und der Hilfsenergiespeicher derart angeordnet, dass zum Einschalten des Schaltreglers keine Energie aus dem Energiespeicher benötigt wird.

Diese Ausgestaltung macht es möglich, dass der Schaltregler aktiv wird, sobald der Hilfsenergiespeicher ausreichend geladen ist, ohne dass es auf den Ladezustand des Energiespeichers an kommt. Dies bedeutet, dass in der Startphase des Schaltreglers zwar ein Strom vom Energiespeicher zum Schaltregler fließen kann, dieser Strom aber lediglich unterstützend wirken würde. Der Schaltregler wird auch ohne einen Strom aus dem Energiespeicher aktiv.

In einer weiteren Ausgestaltung ist parallel zur Sekundärwicklung eine Lastkapazität angeordnet, die über ein Schaltelement mit der Sekundärwicklung verbunden und von der Sekundärwicklung getrennt werden kann.

Die Lastkapazität wird verwendet, um den Ausgang des Netzteils auf die Charakteristik der Last abzustimmen, die mit der Sekundärwicklung verbunden ist. Da diese Lastkapazität regelmäßig eher groß gewählt ist, beispielsweise zwischen 50 μF und 500 μF, hat die Lastkapazität einen erheblichen Einfluss auf die Ein- und Ausschaltcharakteristik des Netzteils.

Der Einsatz des Schaltelements führt nun dazu, dass die Lastkapazität mit der Sekundärwicklung verbunden bzw. von ihr getrennt werden kann. Ist die Lastkapazität von der Sekundärwicklung getrennt, so hat sie keinen bzw. keinen nennenswerten Einfluss auf das Ein- und Ausschalten des Netzteils. Sobald sich die Betriebsspannung an der Sekundärseite des Netzteils stabilisiert hat, kann dann die Lastkapazität zugeschaltet werden.

Mit oder ohne Verwendung des Schaltelements wird bevorzugt die Ausschaltverzögerung hauptsächlich mittels der Lastkapazität bestimmt. Eine quadratische Abhängigkeit der Verzögerung aufgrund wechselnder Eingangsspannungen (E = 1/2·C·U^2), die sich bei der bekannten Pufferkapazität ergeben würde, ist wegen der stabilisierten Ausgangsspannung, an der die Lastkapazität hängt, nicht mehr gegeben. Aufgrund der verringerten Größe der Pufferkapazität, hat die Abhängigkeit von der Eingangsspannung nur noch geringe, insbesondere vernachlässigbare, Auswirkungen.

In einer weiteren Ausgestaltung kann mindestens ein Pol des Ausgangs über ein Schaltelement mit der Sekundärwicklung verbunden und von der Sekundärwicklung getrennt werden.

Dadurch lässt sich das Ein- und Ausschalten des Netzteils bzw. der Sicherheitsschaltvorrichtung im Wesentlichen unabhängig von der Last gestalten, die am Ausgang der Sicherheitsschaltvorrichtung angeschlossen ist. Die Last wird dann zugeschaltet, wenn sich die Betriebsspannung stabilisiert hat.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Schaltelement dafür ausgelegt, bei Über- oder Unterschreiten einer Spannungsschwelle zu schalten.

Bei dieser Ausführungsform ist keine externe Steuerung des Schaltelements erforderlich. Vielmehr überwacht das Schaltelement die Spannung auf der Sekundärseite und schaltet die Lastkapazität und/oder den Pol des Ausgangs an die Sekundärwicklung, sobald auf der Sekundärseite eine ausreichend große Spannung generiert wird. In diesem Zusammenhang kann das Schaltelement insbesondere vorteilhaft als Halbleiterschalter ausgeführt sein.

In einer weiteren Ausgestaltung steuert der Schaltregler den Übertrager als Sperrwandler an.

Das Sperrwandlerprinzip ist für Schaltnetzteile an sich hinreichend bekannt. Im Vergleich zum Durchflusswandler besitzt der Sperrwandler im Hinblick auf den Sicherheitsaspekt den Vorteil, dass die am Ausgang erzeugte Betriebsspannung null wird, wenn auf der Primärseite eine Störung oder ein Funktionsfehler auftritt. Außerdem sind die auf der Sekundärseite angeschlossenen Geräte galvanisch von einer Fehlerstelle auf der Primärseite getrennt. Das Netzteil und damit die Sicherheitsschaltvorrichtung geht somit bei einem Fehler auf der Netzspannungsseite automatisch in einen sicheren Zustand.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung,
2 eine detailliertere Ansicht der Sicherheitsschaltvorrichtung mit einem Schaltbild des Netzteils,
3 eine alternative Ausführungsform der Sekundärseite gemäß der 2, und
4 einen modularen Aufbau auf der Sekundärseite eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils.
In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltvorrichtung in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Die Sicherheitsschaltvorrichtung 10 weist eine Steuer/Auswerteeinheit 12 und ein Netzteil 14 auf. Das Netzteil 14 wird über die Netzspannungsklemmen A1, A2 von einer Spannungsquelle 16 mit einer Netzspannung U versorgt. Bei der Netzspannung U kann es sich sowohl um eine Gleich- als auch um eine Wechselspannung handeln. An die Sicherheitsschaltvorrichtung 10 angeschlossen ist über einen Eingang 17 ein Meldegerät 18, beispielsweise ein Not-Aus-Schalter oder eine Lichtschranke, und über eine ausgangsseitige Schalteinrichtung 19 ein elektrischer Verbraucher 20.
Bei dem Verbraucher 20 handelt es sich beispielsweise um eine automatisiert arbeitende Maschine. Die Ansteuerung des Verbrauchers 20 geschieht dabei in der Regel über einen Sicherheitskreis. Schließt die Sicherheitsschaltvorrichtung 10 den Sicherheitskreis, kann der Verbraucher 20 eine bestimmte Tätigkeit, z.B. ein Pressen von Blechen, durchführen. Unterbricht die Sicherheitsschaltvorrichtung 10 den Sicherheitskreis, so stoppt der Verbraucher 20 und/oder wird stromlos geschaltet. Nach einem solchen Zustand gibt die Sicherheitsschaltvorrichtung 10 den Verbraucher 20 erst wieder frei, wenn alle erforderlichen Sicherheitsbedingungen erfüllt sind.
In 2 zeigt das Schaltbild einen Teil der Sicherheitsschaltvorrichtung 10. Um die Erläuterung der Erfindung nicht zu erschweren, werden nachfolgend lediglich die Elemente gezeigt und beschrieben, die zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind. Für allgemeine Anforderungen und spezifische Details bei der Implementierung einer Sicherheitsschaltvorrichtung wird auf das Buch „Maschinensicherheit" von Winfried Gräf, Hüthig Buch Verlag GmbH, Heidelberg, Deutschland, ISBN 3-7785-2633-2 verwiesen.
Die Erläuterung der gezeigten Schaltung beginnt bei den Eingangsklemmen E1, E2. Hier liegt eine gleichgerichtete Spannung U₌ an, die vom Gleichrichter 22 aus der Netzspannung U generiert wird. Parallel zu den Eingangsklemmen E1, E2 ist eine Pufferkapazität C1 mittels gestrichelter Linien eingezeichnet. Die gestrichelten Linien zeigen an, dass die Pufferkapazität C1 optional ist. Sie kann beispielsweise als kleine Kapazität zur Filterung von hochfrequenten Anteilen ausgeführt werden, wird aber nicht zwingend für einen stabilen Betrieb des Netzteils 14 benötigt. Über einen Widerstand R1 ist ein Schaltregler IC mit der Eingangsklemme E1 verbunden. Parallel zum Schaltregler IC sind eine Zenerdiode D1 und ein Hilfsenergiespeicher C2 angeordnet.
Das Netzteil 14 weist einen Übertrager 24 mit einer Primärwicklung 26, einer Sekundärwicklung 28 sowie einer Hilfswicklung 30 auf, wobei die Hilfswicklung 30 hier mit dem magnetischen Fluss der Sekundärwicklung 28 gekoppelt ist und einen dazu synchronen Spannungsverlauf hat. Zur Absicherung der Primärwicklung 26 sind eine Zenerdiode D2 und einer Diode D3 gegeneinander und parallel zur Primärwicklung 26 geschaltet.
Ein in der Hilfswicklung 30 induzierter Strom fließt über den Widerstand R2 und die Diode D4 zum Knoten 32. Je nach den aktuellen Spannungsverhältnissen fließt der Strom dann entweder in den Energiespeicher C3 und/oder über die Diode D5 zum Knoten 34.
Der Schaltregler IC weist einen Anschluss 36 auf, der zur Spannungsüberwachung auf der Sekundärseite 38 des Netzteils 14 mit dem Anschluss 40 gekoppelt ist. Diese Rückkopplung bewirkt, dass bei zu hoher Spannung am Anschluss 40 der Strom durch die Primärwicklung 26 auf der Primärseite 42 verringert wird, bzw. wenn die Spannung am Anschluss 40 zu niedrig ist, der Strom durch die Primärwicklung 26 erhöht wird.
Die Sekundärseite 38 zeigt eine Diode D6 und eine Kapazität C4, die parallel zur Sekundärwicklung 28 angeordnet ist. Ferner ist ein Transistor T1 gezeigt, dessen Gate G mit einer Zenerdiode D7 verbunden ist. Parallel zur Sekundärwicklung 28 ist ferner eine Lastkapazität C5 angeordnet, deren negativer Anschluss aber durch den Transistor T1 von der Sekundärwicklung 28 abgekoppelt werden kann. Schließlich sind auch die Betriebsspannungsklemmen K1, K2 dargestellt, zwischen denen einen Betriebsspannung U_B anliegt. Vorzugsweise liegt die Betriebsspannung U_B zwischen 18 V und 26 V, insbesondere zwischen 20 V und 24 V.
Es soll nun nachfolgend die Funktion der gezeigten Schaltung erläutert werden. Sobald die Spannung U₌ anliegt, fließt ein Strom über den Widerstand R1 zum Knoten 34. Da der Schaltregler IC noch nicht aktiv ist, fließt kein Strom durch die Primärwicklung 26. Die Pufferkapazität C1 ist sehr klein gewählt, so dass sie nahezu unmittelbar geladen ist und die Weitergabe der Spannung U₌ nur unwesentlich verzögert. Mit dem Strom, der zum Knoten 34 fließt, wird der Hilfsenergiespeicher C2 geladen. Da auch er sehr klein gewählt ist, liegt am Versorgungsspannungseingang 44 des Schaltreglers IC schnell die benötigte Versorgungsspannung an.
In diesem Zustand wird der Schaltregler IC nun aktiv und gibt einen Stromfluss durch die Primärwicklung 26 frei. Der Versorgungsstrom des Schaltreglers IC, welcher bisher sehr klein war (insbesondere ca. 0,2 mA), steigt jetzt an (insbesondere auf ca. 6 mA). Jetzt versorgt der Hilfsenergiespeicher C2 den Schaltregler IC mit der erforderlichen Leistung. Die Spannung an C2 sinkt wieder ab, da der Entladestrom größer (insbesondere viel größer) ist, als der Ladestrom.
Der Stromfluss durch die Primärwicklung 26 bewirkt zum einen, dass ein Strom in der Hilfswicklung 30 induziert wird, der über den Widerstand R2 und die Diode D4 zum Energiespeicher C3 fließt und diesen auflädt. Sobald der Sperrwandlerbetrieb einsetzt, ergibt sich zum anderen ein Stromfluss auf der Sekundärseite 38 in die Kapazität C4.
Der Hilfsenergiespeicher C2 ist so dimensioniert, dass er den Schaltregler IC so lange versorgt, bis der Energiespeicher C3 im Zusammenspiel mit dem Stromfluss über den Widerstand R1 die Leistungsversorgung des Schaltreglers IC sicherstellt. Der Energiespeicher C3 ist erforderlich, um die Nulldurchgänge der Netzspannung U zu puffern. Andernfalls müsste der Schaltregler nach jedem Nulldurchgang wieder neu starten, so dass sich die Ausgangsspannung nicht einstellen würde.
Wenn die Spannung an der Kapazität C4 eine bestimmte Spannungsschwelle überschreitet, bricht die Zenerdiode D7 durch und der Transistor T1 wird zwischen Source S und Drain D durchgeschaltet. Damit wird die Lastkapazität C5 an die Sekundärwicklung 28 angekoppelt. Die Sicherheitsschaltvorrichtung 10 ist damit betriebsbereit. Als Transistor T1 wird vorteilhafterweise eine Type mit eingebautem Kurzschlussschutz verwendet, insbesondere ein MOSFET. Damit kann auch die übrige Schaltung abgesichert werden. Die Kapazität C4 kann klein gewählt werden und ist aus EMV-Gründen vorgesehen, während die Lastkapazität C5 eher groß gewählt wird (je nach Verbraucher 20).
Es ist wichtig festzuhalten, dass die gezeigte Schaltung nur eine sehr geringe Einschaltverzögerung hat, da bei dem gezeigten Aufbau die Pufferkapazität C1 und der Hilfsenergiespeicher C2 sehr klein gewählt werden können.
Ähnlich vorteilhaft verhält sich die Schaltung beim Ausschalten. Sobald die Netzspannung U abgeschaltet wird, bricht die Spannung U₌ an den Eingangsklemmen E1, E2 zusammen. Da die Pufferkapazität C1 sehr klein ist, ist auch diese nahezu unmittelbar entladen. Dies führt wiederum dazu, dass der Stromfluss durch die Primärwicklung 26 aufhört. Das Fehlen des Stromflusses auf der Primärseite 42 hat dann in bekannter Weise den Abfall der Spannung auf der Sekundärseite 38 zur Folge. Eine Ladung im Energiespeicher C3 ist unschädlich, da der Energiespeicher C3 mit der Hilfswicklung 30 verbunden ist und zudem aufgrund seines Spannungspegels den Stromfluss durch die Primärwicklung 26 nicht stützen kann.
Insgesamt bedeutet dies, dass bei einem Abschalten der Netzspannung U auch die Betriebsspannung U_B an den Betriebsspannungsklemmen K1, K2 schnell zusammenbricht. Die Sicherheitsschaltvorrichtung 10 kann daher sehr schnell das sichere Abschalten des Verbrauchers 20 bewirken.
3 zeigt eine alternative Ausführung der Sekundärseite 38 des Netzteils 14. Dabei wurden hier zwei wesentliche Änderungen gleichzeitig vorgenommen. Zum einen ist die Lastkapazität C5 nunmehr direkt mit der Sekundärwicklung 28 verbunden. Zum anderen ist der Transistor T1 nunmehr als p-Kanal-MOSFET ausgeführt und unterbricht die Verbindung zur Betriebsspannungsklemme K1. Wenn eine ausreichend große Spannung vorliegt, wird der Transistor T1 durchgeschaltet und die Betriebsspannungsklemme K1 mit der Sekundärwicklung 28 verbunden.
Es soll an dieser Stelle auf eine Besonderheit der gezeigten Schaltung hingewiesen werden. Dafür sei der Fall angenommen, dass der Hilfsenergiespeicher C2 die für den Betrieb des Schaltreglers IC benötigte Mindestspannung unterschreitet, bevor die Versorgung über die Hilfswicklung 30 bzw. den Energiespeicher C3 erfolgen kann. Eine Ursache soll in der großen Kapazität der Parallelschaltung von C4 und C5 gesehen werden. In diesem Fall findet folgender Ablauf statt:
Es stellt sich zunächst, wie zuvor beschrieben, ein Stromfluss durch die Primärwicklung 26 ein, der auch einen Ladestrom in die Kapazität C4 und die Lastkapazität C5 bewirkt. Sinkt die Spannung am Hilfsenergiespeicher C2 nun unter die genannte Mindestspannung, so wird der Stromregler IC inaktiv. Dies führt dazu, dass die Primärwicklung 26 keinen Strom mehr führt und der Hilfsenergiespeicher C2 erneut geladen wird. Sobald die erforderliche Versorgungsspannung am Versorgungsspannungseingang 44 wieder anliegt, wird der Schaltregler IC nochmals aktiv. Dies führt erneut zu einem Stromfluss durch die Primärwicklung 26 und damit zu einem Ladestrom in die Kapazität C4 und in die Lastkapazität C5.
Dieser Prozess kann sich so oft wiederholen, bis die Kapazität C4 und die Lastkapazität C5 soweit geladen sind, dass eine ausreichende Aufladung des Energiespeicher C3 erfolgen kann, bevor der Hilfsenergiespeicher C2 die Mindestspannung unterschreitet. Die Abfolge dieser einzelnen Schritte findet sehr schnell statt, so dass sich selbst in dieser Betriebsart immer noch eine geringe Einschaltverzögerung ergibt.
4 zeigt eine besonders vorteilhafte modulare Bauweise, die sich mittels der Erfindung realisieren lässt. Dabei sind nun an der Sekundärseite 38 des Netzteils 14 ein Not-Aus-Schalter 46, eine Spannungsüberwachungseinrichtung 48 und eine Last 50 (z.B. ein Relais) angeordnet. Ferner sind eingezeichnet erste Spannungseingänge VH, zweite Spannungseingänge VL, Signaleingänge SI und Signalausgänge SO. Die Spannungsversorgung der Vorrichtungen 46, 48, 50 wird mittels der ersten und zweiten Spannungseingänge VH, VL realisiert. Das funktionale Zusammenspiel gestaltet sich dabei wie folgt:
Grundlegende Voraussetzung dafür, dass die Last 50 geschaltet werden kann, ist, dass der Notausschalter 46 nicht betätigt wurde. Nur in diesem Fall übermittelt der Not-Aus-Schalter 46 von seinem Signalausgang SO ein Freigabesignal an den Signaleingang SI der Spannungsüberwachungsvorrichtung 48.
Die Spannungsüberwachungsvorrichtung 48 überwacht die sekundärseitige Spannung und erzeugt erst dann an ihrem Signalausgang SO ein Freigabesignal, wenn ein bestimmter Spannungspegel erreicht oder überschritten ist. In Abhängigkeit von der Implementierung kann die Spannungsüberwachungseinrichtung 48 auch zur Überwachung einer Zeitdauer ausgelegt sein und ggf. allein nach Ablauf einer Zeitdauer ein Freigabesignal erzeugen. Die Last 50 wird schließlich geschaltet, sobald sie an ihrem Signaleingang SI ein Freigabesignal empfängt. Sobald entweder der Not-Aus-Schalter 46 oder die Spannungsüberwachungsvorrichtung 48 einen unsicheren Zustand erkennen, wird die Last 50 abgeschaltet.
Anhand dieses Ausführungsbeispiels ist gut zu erkennen, dass die Erfindung auch eine sehr vorteilhafte modulare Bauweise ermöglicht.
Allgemein, und nicht notwendigerweise auf das gezeigte Ausführungsbeispiel bezogen, wird der Verbraucher nach dem Einschalten des Netzteils bevorzugt verzögert oder spannungsüberwacht zugeschaltet. Außerdem weist das Netzteil vorzugsweise einen Weitbereichseingang auf. Ferner wird bevorzugt durch die Wahl der Lastkapazität die Ausschaltverzögerung unabhängig von der Eingangsspannung eingestellt.

Claims

Sicherheitsschaltvorrichtung (10) zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers (20), mit einem Eingang (17) zum Anschließen eines Meldegeräts (18), einer ausgangsseitigen Schalteinrichtung (19) zum sicheren Abschalten des Verbrauchers (20), einer Steuer/Auswerteeinheit (12), die in Abhängigkeit von dem Meldegerät (18) die Schalteinrichtung (19) ansteuert, und mit einem Netzteil (14) zum Bereitstellen einer Betriebsspannung (U_B), wobei das Netzteil (14) aufweist: – einen Eingang (A1, A2) zum Aufnehmen einer eingangsseitigen Netzspannung (U), – einen Ausgang (K1, K2), an dem die Betriebsspannung (U_B) abgreifbar ist, – einen Übertrager (24), dessen Primärwicklung (26) mit dem Eingang (A1, A2) und dessen Sekundärwicklung (28) mit dem Ausgang (K1, K2) gekoppelt ist und der eine Hilfswicklung (30) aufweist, die mit einem magnetischen Fluss des Übertragers (24) gekoppelt ist, – einen Schaltregler (IC) zur Regelung eines Stromflusses durch den Übertrager (24), und – einen Energiespeicher (C3) zur Versorgung des Schaltreglers (IC) im Dauerbetrieb mit einer stabilisierten Spannung, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C3) mit der Hilfswicklung (30) verbunden ist, um einen in der Hilfswicklung (30) induzierten Strom zum Energiespeicher (C3) zu leiten.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C3) so dimensioniert ist, dass zur Versorgung des Schaltreglers (IC) im Dauerbetrieb mit einer stabilisierten Spannung kein weiteres energiespeicherndes Element erforderlich ist.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C3) über eine Diode (D5) mit einem Versorgungsspannungseingang (44) des Schaltreglers (IC) verbunden ist.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsspannungseingang (44) außerdem mit einem Hilfsenergiespeicher (C2) gekoppelt ist, wobei der Hilfsenergiespeicher (C2) gerade so dimensioniert ist, den Schaltregler (IC) während einer Startphase mit Energie zu versorgen, bis der Energiespeicher (C3) die stabilisierte Spannung bereitstellt.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C3) und der Hilfsenergiespeicher (C2) derart angeordnet sind, dass zum Einschalten des Schaltreglers (IC) keine Energie aus dem Energiespeicher (C3) benötigt wird.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Sekundärwicklung (28) eine Lastkapazität (C5) angeordnet ist, die über ein Schaltelement (T1) mit der Sekundärwicklung (28) verbunden und von der Sekundärwicklung (28) getrennt werden kann.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Pol (K1) des Ausgangs (K1, K2) über ein Schaltelement (T1) mit der Sekundärwicklung (28) verbunden und von der Sekundärwicklung (28) getrennt werden kann.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T1) dafür ausgelegt ist, bei Über- oder Unterschreiten einer Spannungsschwelle zu schalten.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltregler (IC) den Übertrager (24) als Sperrwandler ansteuert.
Sicherheitsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lastkapazität (C5) angeordnet ist, mit der eine Ausschaltverzögerung unabhängig von der Höhe der Netzspannung (U) festgelegt werden kann.
Verfahren zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers (20), mit den Schritten: – Bereitstellen einer Sicherheitsschaltvorrichtung (10) mit einer ausgangsseitigen Schalteinrichtung (19) zum sicheren Abschalten des Verbrauchers (20), – Bereitstellen einer Steuer/Auswerteeinheit (12), – Bereitstellen eines Schaltreglers (IC), – Bereitstellen eines Übertragers (24) mit einer Primärwicklung (26) und einer Sekundärwicklung (28), – Bereitstellen einer Hilfswicklung (30), die mit dem magnetischen Fluss des Übertragers (24) gekoppelt ist, und – Bereitstellen eines Energiespeichers (C3), wobei – die Steuer/Auswerteeinheit (12) die Schalteinrichtung (19) ansteuert, – der Energiespeicher (C3) den Schaltregler (IC) im Dauerbetrieb mit einer stabilisierten Spannung versorgt, – in der Hilfswicklung (30) ein Strom induziert wird, und – der Schaltregler (IC) einen Strom durch die Primärwicklung (26) regelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C3) mittels des in der Hilfswicklung (30) induzierten Stroms aufgeladen wird.