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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Anschließen an einen fehlersicheren Ausgang einer Steuerung, 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 Leitungsbruch 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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Die
WO 01/13396/A1 offenbart eine Beschaltung für ein elektromagnetisches Schaltgerät, die ein Durchschaltelement aufweist, das einen Energiespeicher nur dann auf eine Antriebsspule durchschaltet, wenn der Energiespeicher mit einem Energiegehalt beaufschlagt ist, der für ein Betätigen einer Kontaktanordnung ausreicht.
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Die
DE 299 09 901 U1 zeigt eine elektronische Antriebssteuerung für einen Schätzantrieb mit einem Schwellwertschalter.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Anschließen an einen fehlersicheren Ausgang einer Steuerung 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 eine 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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An einen Ausgangsanschluss des aktivierbaren Schaltelementes ist 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 weiteren Schaltungsanordnung; und
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3 Prüfsignalverläufe gemäß Stand der Technik.
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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.
