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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, welche
beispielsweise zum Aktivieren von durch Steuerungen steuerbaren
Komponenten eingesetzt werden kann.
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Industrielle
fehlersichere Steuerungen weisen oft digitale Ausgänge auf,
die zum Einschalten bzw. Ausschalten von bestimmten Komponenten, wie
beispielsweise Ventilen oder Schützen,
vorgesehen sind. Dabei ist es oft erforderlich, Schaltverstärker, beispielsweise
Koppelrelais, einzusetzen, die zum einen eine galvanische Trennung
der verschiedenen Spannungen an der Steuerung und an einer Last
wie beispielsweise einem Ventil realisieren und zum anderen eine
Leistungsanpassung durchführen. Dies
ist insbesondere dann notwendig, wenn ein Steuerungsausgang beispielsweise
einen Strom mit 200 mA schaltet, der Laststrom jedoch beispielsweise
2 A benötigt.
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In
fehlersicheren Steuerungen ist es erforderlich, dass die vorgenannten
Schaltverstärker
bestimmte Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit und der elektrischen
Eigenschaften erfüllen.
Hierzu ist es insbesondere notwendig, dass die Schaltverstärker gegenüber Prüfimpulsen,
die ein Ausgang der fehlersicheren Steuerung zu Testzwecken aussenden
kann, unempfindlich sind.
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In 3a sind derartige Prüfimpulse dargestellt. Dabei
zeigt 3a eine Folge von Hochpegelimpulsen
(”High”) mit einer
Dauer von tPuls und einem Pulsabstand von
tPause, während dessen ein Ausgang der
fehlersicheren Steuerung ein Niederpegel-Signal (”Low”) führt.
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3b zeigt Niederpegelimpulse mit einer jeweiligen
Dauer von tPause und einem zeitlichen Abstand
von tPuls, während dessen ein Ausgang der
fehlersicheren Steuerung ein Hochpegelsignal (high) führt.
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Darüber hinaus
muss sichergestellt werden, dass ein Betriebsstrom des Schaltverstärkers sowohl im
Einschaltmoment als auch im Dauerbetrieb sich innerhalb eines Intervalls
mit Imin ≤ IBetrieb ≤ Imax innerhalb eines bestimmten Bereichs befindet,
wobei mit Imin eine Mindeststromaufnahme
des Schaltverstärkers
und mit Imax eine maximale Stromaufnahme
des Schaltverstärkers
bezeichnet sind.
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Die
Einhaltung der vorstehend genannten Grenzen ist notwendig, da eine
fehlersichere Steuerung einen Zustand der an einen fehlersicheren
Ausgang angeschlossenen Last überwacht.
So können beispielsweise
für Imin ≤ IBetrieb ein Leistungsbruch und bei IBetrieb ≤ Imax eine Überlastung
eines Steuerungsausgangs ausgeschlossen werden. Die Parameter Imin, Imax, tPuls und tPause sind
herstellerabhängig,
so dass verschiedene Lasten an die einzelnen fehlersicheren Steuerungen
angepasst werden müssen. Darüber hinaus
kommen die vorstehend genannten Prüfimpulse ungefiltert an den
in einem Schaltverstärker
enthaltenen Bauelementen an, was beispielsweise im Falle eines Relais
zu einer Verkürzung
dessen Lebensdauer führen
kann.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
für die
vorgenannten Anwendungen zu schaffen, welche gleichzeitig einen
Eingangsstrom auf einen vorbestimmten Stromwert, welcher kleiner
als Imax ist, begrenzt sowie Testimpulse
eines beispielsweise fehlersicheren Ausgangs, welche an einen Eingang
der Schaltungsanordnung gelangen, ausfiltert.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die vorgenannte Aufgabe
durch das Vorsehen eines Speicherelementes, welches beispielsweise ein
kapazitives Verhalten und damit eine Filtercharakteristik aufweisen
kann, sowie eines Schwellwertschaltelementes, welches in Abhängigkeit
von einem Ladezustand des Speicherelementes einer Aktivierung oder
eine Deaktivierung eines Ausgangs durchführt, gelöst werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann für
beliebige Lasten mit einem Grundstrom, welcher geringer als ein
maximaler Ausgangsstrom Imax eines fehlersicheren
Ausgangs ist, an einen fehlersicheren Ausgang einer Steuerung angepasst
werden. Erfindungsgemäß kann der
Schalter jedoch auch höhere
Eingangsströme
als Imax aushalten, so dass bei einer Überschreitung
des maximalen Stromwertes die Schaltungsfunktionalität weiterhin gewährt bleibt.
Darüber
hinaus wird erfindungsgemäß gleichzeitig
sichergestellt, dass ein Mindeststrom, welcher größer als
ein vorbestimmter Mindestwert Imin ist,
durch die Schaltung fließen
kann.
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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Strombegrenzungselement,
einem aktivierbaren Schaltelement, das dem Strombegrenzungselement
nachgeschaltet ist, einem Speicherelement, welches durch zumindest
einen Teil eines Ausgangsstroms des Strombegrenzungselementes aufladbar
ist, und einem Schwellwertschaltelement, das ausgebildet ist, das
aktivierbare Schaltelement bei Vorliegen eines vorbestimmten Ladezustandes des
Speicherelementes zu aktivieren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst das Speicherelement eine integrale, insbesondere eine kapazitive
Charakteristik.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst das Speicherelement einen Kondensator.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst das Schwellwertschaltelement einen Komparator zum Vergleichen
eines von dem Ladezustand abhängigen Wertes
mit einem Schwellwert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst das Schwellwertschaltelement einen Spannungsteiler zum Einstellen
eines Schwellwertes.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der vorbestimmte Ladezustand durch eine durch das Speicherelement
bereitstellbare Spannung repräsentiert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist das Schwellwertschaltelement ausgebildet, das aktivierbare Schaltelement
bei Unterschreiten des vorbestimmten Ladezustandes des Speicherelementes
zu deaktivieren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist das Speicherelement zwischen einem Knoten, welcher zwischen
dem Strombegrenzungselement und dem aktivierbaren Schaltelement
angeordnet ist, und einem Referenzpotentialanschluss, insbesondere
einem Masseanschluss, angeordnet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist an einen Ausgangsanschluss des aktivierbaren Schaltelementes
ein elektrischer Verbraucher anschließbar.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist das Strombegrenzungselement ausgebildet, einen Eingangsstrom
der Schaltungsanordnung auf einen vorbestimmten Maximalwert zu begrenzen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Steuerungssystem mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
welche angeordnet ist, eine gesteuerte Komponente, insbesondere
ein Ventil oder eine Schütztür oder ein
Relais, welche dem aktivierbaren Schaltelement nachschaltbar ist,
einzuschalten oder auszuschalten.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung;
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2 ein
Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung; und
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3 Prüfsignalverläufe.
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Die
in 1 dargestellte Schaltungsanordnung umfasst ein
Eingangsanschlusspaar mit den Anschlüssen A1 und A2, an die beispielsweise
die in 3 gezeigten Testimpulse anlegbar sind. Dem Anschluss
A1 ist ein Strombegrenzungselement 103 nachgeschaltet,
wobei ein Ausgang des Strombegrenzungselementes 103 mit
einem aktivierbaren Schaltelement 104, beispielsweise einem
Schaltglied, und einem Eingang eines Funktionsblocks 105 verbunden
ist. Ein weiterer Anschluss des Funktionsblocks 105 ist
mit einem Masseanschluss 107 gekoppelt.
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Ein
Steuerausgang 109 des Funktionsbauelementes 105 ist
mit einem Steuereingang des aktivierbaren Schaltelementes 104 verbunden.
Ein Ausgang des aktivierbaren Schaltelementes 104 ist mit einem
Ausgangsanschluss 111 der Schaltungsanordnung verbunden,
welche einen weiteren Ausgangsanschluss 113 aufweist, der
mit dem Eingangsanschluss A2 gekoppelt ist. An das Klemmenpaar 111, 113 ist
beispielsweise ein elektrischer Verbraucher, beispielsweise ein
Relais 115 anschliessbar, wobei über das Anschlusspaar 111, 113 eine
gefilterte Ausgangsspannung bereitgestellt wird.
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Das
Funktionsbauelement 105 ist vorgesehen, das aktivierbare
Schaltelement 104 bei Erreichen einer Schaltschwelle eines
Ladezustandes eines darin angeordneten Energiespeichers zu schalten.
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Das
Funktionsbauelement 105 kann als Energiespeicher beispielsweise
einen Kondensator aufweisen, welcher über eine Strombegrenzung mittels des
Strombegrenzungselementes 103, welches einen Eingangsstrom
der Schaltung gemäß IBegrenzung ≤ Imax begrenzt, die nötige Energie zum Aktivieren
eines an die Schaltung anschließbaren
Verbrauchers integriert. Das Funktionsbauelement 105 umfasst
ferner einen dem Energiespeicher angegliederten Schwellwertschalter
bzw. ein Schwellwertschaltelement, welches bei Erreichen eines definierten
bzw. vorbestimmten Ladezustandes des Energiespeichers mittels eines
Schaltgliedes, beispielsweise eines Transistors wie eines Bipolar-Transistors
oder eines FET-Transistors, einen an die Schaltung anschließbaren Verbraucher
einschaltet. Über
eine niederohmige Verbindung von dem Energiespeicher über das Schaltglied
bis zum Verbraucher hin ist dieser in der Lage, kurzfristig einen
hohen Einschaltstrom zu beziehen, ohne mit diesem beispielsweise
einen fehlersicheren Ausgang einer Steuerung zu belasten.
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Der
Energiespeicher in Verbindung mit dem Schwellwertschalter sorgt
ferner dafür,
dass die von einem fehlersicheren Ausgang der Steuerung ausgehenden
Testimpulse, welche an die Klemmen A1 und A2 anlegbar sind, nicht
an den Verbraucher weitergereicht werden. Eine Mindestlast wird
hierbei entweder durch einen an die Schaltung anschließbaren Verbraucher
gewährleistet
oder sie kann mit zu dem Verbraucher parallel schaltbaren Widerständen erreicht
werden.
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2 zeigt
ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Strombegrenzungselement 201, welchem ein aktivierbares Schaltelement 203 und
ein Speicherelement 205 nachgeschaltet sind. Die Schaltungsanordnung
umfasst ferner ein Schwellwertschaltelement 207, welches
das aktivierbare Schaltelement 203, beispielsweise einen
Schalter, bei Vorliegen eines vorbestimmten Ladezustandes des Speicherelementes 205,
beispielsweise eines Kondensators, aktiviert. Die Elemente 205 und 207 sind
Elemente eines Funktionsbausteines, wie er beispielsweise in 1 dargestellt
ist. Die Elemente 201 und 203 entsprechen den
Elementen 103 und 104 aus 1.
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Das
Speicherelement 205 kann beispielsweise in Form eines Pufferkondensators
ausgebildet sein, welcher über
eine mittels eines Transistors, eines Shunts und einer Referenzspannungsquelle
aufgebaute Strombegrenzung 201 aufgeladen wird. Das Strombegrenzungselement 201 ist
beispielsweise auf 100 mA eingestellt, wobei andere Werte wie beispielsweise
80 mA oder 110 mA möglich
sind. Parallel zu dem Speicherelement 205 kann ein Widerstand geschaltet werden,
welcher als eine Grundlast dient und das Speicherelement langsam
entlädt,
damit dieses nicht durch die positiven Testimpulse eines Low-Signals,
welches beispielsweise in 3 dargestellt
ist, eines fehlersicheren Ausgangs aufgeladen wird.
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Das
Schwellwertschaltelement 207 kann beispielsweise einen
Komparator aufweisen, um den vorbestimmten Ladezustand beispielsweise
in Form einer Spannung mit einem Schwellwert zu vergleichen. Das
Schwellwertschaltelement 207 kann ferner einen Spannungsteiler
aufweisen, welcher beispielsweise auf 80% einer Eingangsspannung
eingestellt ist, um den Schwellwert bereitzustellen. Durch eine optionale
Rückkopplung
eines Ausganges auf einen nicht invertierenden Eingang des Komparators
kann ferner eine Hysterese erreicht werden.
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Erreicht
eine Spannung des Speicherelementes, beispielsweise des Pufferkondensators,
beispielsweise 80% der Eingangsspannung, so schaltet der Komparator
mit seinem Ausgang beispielsweise eine Transistorstufe ein, so dass
ein Pfad von dem Speicherelement 205 zu einem Verbraucher
wie beispielsweise einem Sicherheitsrelais über einen Transistor in einem
Lastpfad freigegeben werden kann. Der Transistor realisiert beispielsweise
das aktivierbare Schaltelement 203. Bei Ausschalten des
fehlersicheren Ausganges der Steuerung sinkt die Spannung an dem
Speicherelement 205, beispielsweise einem Kondensator,
unter den vorstehend genannten Schwellwert. Der Komparator schaltet
daraufhin das aktivierbare Schaltelement 203 ab, welches
beispielsweise mittels einer Transistorstufe realisiert werden kann,
so dass ein Signalpfad von dem Speicherelement 205 zu dem
Verbraucher, beispielsweise einem Sicherheitsrelais, getrennt werden
kann, wodurch ein schnelles und sicheres Abschalten ermöglicht wird.