DE102007041166A1

DE102007041166A1 - Elektrisches Gerät und Platine für elektrisches Gerät

Info

Publication number: DE102007041166A1
Application number: DE102007041166A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Danner; Thomas Dipl.-Ing. Fleischmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Zur galvanischen Trennung in Leistungsüberwachungsgeräten, die für ein Niederspannungsnetz gedacht sind, und die Schutzklasse II erfüllt werden muss, d. h. ein erster Teil des Leistungsüberwachungsgerätes, in dem elektrische Daten erfasst werden, bei dem typischerweise Spannungen von 690 V anliegen, muss von dem zweiten Teil, zu dem die erfassten Daten gesandt werden, um dort verarbeitet und gegebenenfalls angezeigt zu werden, so getrennt werden, dass eine Bedienperson den zweiten Teil gefahrlos berühren kann. Erfindungsgemäß werden erster und zweiter Teil durch einen Lichtwellenleiter (20) miteinander gekoppelt. Ein optischer Sender (18) und/oder Empfänger, der zum ersten Teil gehört, sendet die Daten über diesen Lichtwellenleiter (20) zu einem optischen Empfänger (22) und/oder Sender, der zum zweiten Teil gehört. Die Idee kann insbesondere auf einer Platine (10) verwirklicht werden, wobei Teilbereiche (12 und 14) der Platine jeweils zu unterschiedlichen Teilen des Gerätes gehören und durch eine Isolationsbarriere (16) voneinander getrennt sind, die durch den Lichtwellenleiter (20) überbrückt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein solches Gerät hat somit einen ersten Teil und einen zweiten Teil. In dem ersten Teil werden elektrische Daten erfasst, und diese werden dann zu dem zweiten Teil gesandt und dort empfangen.
Die Erfindung betrifft Anwendungen, bei denen das elektrische Gerät bestimmten Schutzbestimmungen unterfällt, bei denen besonders hohe Isolationsspannungen zwischen einem ersten und zweiten Teil eines elektrischen Gerätes durch Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden müssen. Beispielsweise kann das elektrische Gerät ein Leistungsüberwachungsgerät (Power Monitoring Device) sein, das ein Niederspannungsnetz, also ein Netz mit der Spannung kleiner als 1000 V, überwacht. Auf einer Anschlussseite, die zu dem ersten Teil dazugehört, werden bei einem solchen Leistungsüberwachungsgerät Eingangsspannungen von ca. 690 V abgegriffen. Andererseits hat das Leistungsüberwachungsgerät eine Benutzerseite, die von Benutzern berührt wird, zum Beispiel mit Druckknöpfen und sonstigen Bedienelementen bzw. Schnittstellen. Diese Benutzerseite gehört somit zum zweiten Teil des elektrischen Gerätes. Der Benutzer muss gegen elektrischen Schlag geschützt sein. Bei üblichen Leistungsüberwachungsgeräten werden Kunststoffgehäuse verwendet. Dadurch unterfällt das Leistungsüberwachungsgerät der Schutzklasse II. Bei einem Leistungsüberwachungsgerät mit einer Messkategorie KAT III, einer Eingangsspannung von ca. 690 V und einer Schutzklasse II bedeutet dies, dass in dem Gerät zwischen dem ersten und dem zweiten Teil besonders hohe Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden müssen, um die Isolationsspannung (laut Norm) zu gewährleisten. Die Norm sieht in diesem Zusammenhang ca. 10 kV vor.
Bei elektrischen Geräten der gattungsgemäßen Art, bei denen Eingangsspannungen von deutlich weniger als 690 V verwendet werden und damit die anzuwendende Isolationsspannung deutlich geringer ausfällt, genügen zur galvanischen Trennung des zweiten Teils vom ersten Teil Optokoppler. Diese können bei dieser geringen Isolationsspannung die Datenrate (von zum Beispiel mehr als 5 Megabit) übertragen. Bei Eingangsspannungen von 690 V genügen einzelne Optokoppler nicht mehr, um sowohl die hohe Datenrate, als auch die hohe Isolationsspannung zu realisieren. Es ist denkbar, mehrere Optokoppler zu kaskadieren, um zu diesem Wert zu kommen. Dies ist jedoch aufwendig und umständlich.
Mit der galvanischen Entkopplung zweier unterschiedlicher Geräte befasst sich die DE 91 16 243 U1 . Damit die unterschiedlichen Geräte miteinander kommunizieren können, wird ein Lichtwellenleiter verwendet.
Vorliegend geht es darum, dass sogenannte gefährliche Berührungsspannungen in dem ersten Teil des Gerätes auftreten, zum Beispiel in einem Teil der Platine, die zu dem elektrischen Gerät gehört, und in dem zweiten Teil des elektrischen Gerätes, zum Beispiel auf dem anderen Teil der Platine dürfen diese gefährlichen Berührungsspannungen gerade nicht auftreten, damit eine Benutzerperson vor elektrischem Schlag geschützt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Gerät der eingangsgenannten Gattung dahingehend weiterzubilden, dass der erste und zweite Teil zuverlässig galvanisch isoliert sind, wobei die Lösung der Aufgabe auch auf elektrische Geräte anwendbar sein soll, an denen Spannungen von 690 V anliegen, wie dies bei Leistungsüberwachungsgeräten der Fall ist. Die galvanische Isolierung soll nicht das Austauschen großer Datenmengen zwischen den beiden Teilen (zum Beispiel von mehr als 5 Megabit) verhindern.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der erste Teil des Gerätes einen optischen Sender und/oder Empfänger und der zweite Teil des Gerätes einen optischen Empfänger und/oder Sender umfasst, wobei Sender und Empfänger über einen Lichtwellenleiter miteinander gekoppelt sind. Die Aufgabe wird auch durch eine Platine mit einem ersten und einem zweiten Bereich gelöst, die durch eine in oder auf der Platine ausgebildete Isolationsbarriere voneinander getrennt sind, wobei auf dem ersten Bereich ein optischer Sender und/oder Empfänger und auf dem zweiten Bereich ein optischer Empfänger und/oder Sender angeordnet ist, die über einen die Isolationsbarriere überbrückenden Lichtwellenleiter miteinander verbunden sind.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Lichtwellenleiter im Inneren eines elektrischen Gerätes einsetzbar ist, um zwei verschiedene Teile galvanisch zu isolieren. Die im ersten Teil erfassten elektrischen Daten müssen dann durch den optischen Sender in Lichtsignale umgewandelt werden. Umgekehrt muss der optische Empfänger im zweiten Teil des Gerätes die Lichtsignale wieder in elektrische Signale zurückwandeln.
Der Aufgabe entsprechend ist das elektrische Gerät insbesondere ein Leistungsüberwachungsgerät. Dies bedeutet, dass es zumindest in einer von mehreren Funktionalitäten als Messgerät arbeitet.
Der zweite Teil ist insbesondere hierbei zum Verarbeiten und/oder Anzeigen der von dem optischen Empfänger empfangenen Daten ausgelegt.
Die erfindungsgemäße Platine findet bevorzugt Verwendung in dem elektrischen Gerät, wobei der erste Bereich der erfindungsgemäßen Platine zum ersten Teil des elektrischen Gerätes gehört und dementsprechend der zweite Bereich der Platine zum zweiten Teil des elektrischen Gerätes gehört.
Eine galvanische Trennung findet natürlich dann nicht statt, wenn der Lichtwellenleiter mit elektrisch leitendem Material versehen ist. Daher ist der Lichtwellenleiter bevorzugt elektrisch nicht leitend. Insbesondere muss darauf geachtet werden, dass kein solcher Lichtwellenleiter ausgewählt wird, dessen Isolation elektrisch leitende Färbemittel umfasst.
Ein besonders kostengünstiger Lichtwellenleiter besteht aus Kunststoff (sogenannter POF: Plastic Optical Fibre).
Wie bereits erwähnt ist die Erfindung besonders sinnvoll, wenn mehr als 5 Megabit pro Sekunde übertragen werden. Dies bedeutet, dass der optische Sender, der Lichtwellenleiter und der Empfänger dann zur Übertragung dieser Datenmenge ausgelegt sein sollten.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die FIG. eine in dem erfindungsgemäßen elektrischen Gerät verwendete erfindungsgemäße Platine zeigt.
Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Platine umfasst zwei unterschiedliche Bereiche, nämlich einen ersten Bereich 12 und einen zweiten Bereich 14. Die Platine 10 soll in einem Leistungsüberwachungsgerät eingesetzt werden. Ein Leistungsüberwachungsgerät erfasst Daten in elektrischer Form, wertet diese aus und zeigt sie auf einer Anzeige an. Beim Erfassen der Daten treten Spannungen auf, die man als gefährliche Berührungsspannung klassifiziert. Auf der Anzeigeseite, d. h. im Einflussbereich einer Bedienperson des Gerätes, dürfen solche gefährlichen Berührungsspannungen nicht auftreten. Somit ist der Bereich 12 für das Erfassen der Daten zuständig und der Bereich 14 für das Verarbeiten und Anzeigen der Daten. Der Bereich 12 und der Bereich 14 sind galvanisch getrennt, und zwar durch eine Isolationsbarriere 16, die entweder auf der Oberfläche der Platine ausgebildet ist, oder die Teil des Platinenkörpers ist. Nun müssen trotz der Isolationsbarriere 16 relativ viele Daten (mehr als 5 Megabit pro Sekunde) von dem ersten Bereich 12 zu dem zweiten Bereich 14 übertragen werden. Hierzu ist auf dem Bereich 12 ein optischer Sender 18 angeordnet, der die elektrisch erfassten Daten in Lichtsig nale kodiert, die über einen Lichtwellenleiter 20 zu einem optischen Empfänger 22 auf dem zweiten Bereich 14 gesandt werden. Der Lichtwellenleiter 20 ist elektrisch nicht leitend, sodass trotz der mechanischen Verbindung der beiden Bereiche 12 und 14 über den Lichtwellenleiter 20 keine die galvanische Trennung durch die Isolationsbarriere aufhebende elektrische Verbindung geschaffen ist.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Platine 10 können die gesetzlichen Bestimmungen für die Schutzklasse II erfüllt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 9116243 U1 [0004]

Claims

Elektrisches Gerät mit einem ersten Teil (12), in dem elektrisch Daten erfasst werden, wobei insbesondere gefährliche Berührungsspannungen auftreten, und mit einem zweiten Teil, wobei die erfassten Daten zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil austauschbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (12) des Gerätes einen optischen Sender (18) und/oder Empfänger und der zweite Teil (14) des Gerätes einen optischen Empfänger (22) und/oder Sender umfasst, wobei Sender (18) und/oder Empfänger einerseits und Empfänger (22) und/oder Sender andererseits über einen Lichtwellenleiter (20) miteinander gekoppelt sind.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, das eine Funktionalität als Messgerät hat.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 2, das ein Leitungsüberwachungsgerät ist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Teil zum Bearbeiten und/oder Anzeigen der Daten ausgelegt ist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (12) und der zweite Teil (14) gemeinsam eine Platine mit einem ersten Bereich (12) und einem zweiten Bereich (14) umfassen, wobei die beiden Bereiche (12, 14) voneinander galvanisch getrennt sind, sodass der Lichtwellenleiter (20) die einzige Verbindung zwischen den beiden Teilen (12, 14) darstellt.
Elektrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (20) elektrisch nichtleitend ist und insbesondere in einer Isolation von elektrisch leitenden Färbemitteln frei ist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (20) ein Kunststofflichtwellenleiter ist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder optische Sender (18), der Lichtwellenleiter (20) und jeder optische Empfänger (22) zur Übertragung von mehr als 5 MB/s ausgelegt sind.
Platine (10), mit einem ersten Bereich (12) und einem zweiten Bereich (14), die durch eine in der Platine (10) oder auf der Platinenoberfläche ausgebildete Isolationsbarriere (16) voneinander getrennt sind, wobei auf dem ersten Bereich (12) ein optischer Sender und/oder Empfänger (18) und auf dem zweiten Bereich (14) ein optischer Empfänger und/oder Sender (22) angeordnet sind, die über einen die Isolationbarriere (16) überbrückenden Lichtwellenleiter (20) miteinander verbunden sind.