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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Stromkreisüberwachung eines wenigstens einen elektrischen Verbraucher enthaltenden Verbraucherstromkreises, wobei zwei Versorgungsverspannungsanschlüsse über je einen ersten Halbleiterschalter aufweisende Strompfade mit den beiden Verbraucheranschlüssen verbunden sind.
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Eine derartige Vorrichtung dient beispielsweise als Sicherheitsabschaltsystem, um insbesondere energiereiche Anlagekomponenten zu deaktivieren, wenn eine Fehlersituation oder eine Fehlfunktion erkannt wird. In einem solchen Fall wird insbesondere der elektrische Strom bzw. die Versorgungsspannung abgeschaltet und/oder eine Fehlermeldung und/oder eine Fehleranzeige generiert. Die Abtrennung des Verbrauchers kann ein- oder zweikanalig erfolgen. Ein derartiges Sicherheitsabschaltsystem ist beispielsweise aus der
WO 02/095282 A1 bekannt. Um sicherzustellen, dass die Halbleiterschaltelemente im Gefahrenfall auch wirklich in der Lage sind, den Sicherheitsstromkreis zu öffnen, werden diese in bekannter Weise wiederholt kurzzeitig geöffnet und die Auswirkung auf eine Detektionsschaltung überwacht. Dies wird durch Beobachtung der Spannung an der geschalteten Seite realisiert. Das Wiedereinschalten des Verbrauchers erfolgt adaptiv nach eindeutiger Detektion des Abschaltimpulses. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass dieser so lang werden kann, dass die Reaktion der Abschaltung für die Last relevant und damit gegebenenfalls auch funktionsschädlich sein kann. In bekannter Weise wird daher ein zweiter, paralleler Schaltpfad realisiert, der zur Zeit des Prüfimpulses die unterbrochene Versorgung der Last übernimmt. Dies bedeutet jedoch einen erhöhten Aufwand.
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Die
DE 101 54 158 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ansteuerung mindestens einer elektrischen Last und ein Steuergerät. Die elektrische Last umfasst einen ersten Last-Anschluss und einen zweiten Last-Anschluss. Der erste Last-Anschluss ist über einen ersten gesteuerten Schalter mit einem Betriebsspannungspotenzial und der zweite Last-Anschluss ist über einen zweiten gesteuerten Schalter mit einem Bezugsspannungspotenzial verbindbar.
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Die
DE 10 2006 040 737 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen eines Nebenschlusses einer Ventilendstufe, die einen Schalter zum Einstellen des Stromflusses durch eine Spule des Ventils umfasst. Ein Nebenschluss kann in einfacher Weise mittels eines parallel zum Endstufen-Schalter angeordneten Testpfades erkannt werden, der einen Schalter und einen Sensor zum Messen einer elektrischen Größe umfasst.
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Ein aus der
US 5,539,602 bekannter FI-Schutzschalter, der in einem Messzustand betrieben werden kann, umfasst einen Gleichstromkreis mit einer Gleichstromquelle sowie einer Last. Die Gleichstromquelle liefert Gleichstrom an die Last entlang eines Strompfads und empfängt Gleichstrom von der Last entlang eines Rückstromwegs. Der FI-Schutzschalter umfasst einen ersten Widerstand, der in den Versorgungsstrompfad eingeschleift ist, einen zweiten Widerstand, der in den Rückstrompfad eingeschleift ist und einen Unterbrechungsschalter, der in einen der beiden Strompfade eingeschleift ist. Der Unterbrechungsschalter unterbricht den jeweiligen Strompfad als Reaktion auf eine Ansteuerung des Unterbrechungsschalters. Der Unterbrechungsschalter umfasst ferner eine Messeinheit zum Messen von Spannungsabfällen über den ersten und zweiten Widerstand während des Messzustands, die zur Ermittlung eines Messwertes als Ergebnis einer Differenzbildung zwischen den Spannungsabfällen an den beiden Widerständen ausgebildet ist, wobei ein Vergleich des ermittelten Messwerts mit einem vorbestimmten Schwellenwert vorgesehen ist. Die Messeinheit ist derart aufgebaut, dass sie den Unterbrechungsschalter in Abhängigkeit vom ermittelten Messwert ansteuern kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur elektrischen Stromkreisüberwachung zu schaffen, durch die nicht nur die Schaltfähigkeit von zur Schaltung von elektrischen Verbrauchern dienenden Halbleiterschaltern überwacht werden kann, wobei sehr kurze Abschaltintervalle bzw. Stromunterbrechungen möglich sind, ohne dass der Betrieb des Verbrauchers merkbar beeinträchtigt wird, sondern dass zusätzlich noch Querstrommessungen zur Erkennung unzulässiger Querströme ausgeführt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat insbesondere den Vorteil, dass neben der Prüfung bzw. Überwachung der Schaltfähigkeit der Transistoren auch eine Querstrommessung durchgeführt werden kann, um Querschlüsse zu erkennen und zu erfassen. Durch die Strommessung ist es dabei möglich, sehr kurze Schaltzeiten bzw. Ausschaltzeiten der Transistoren für die Messung zu realisieren, ohne dass der Betrieb des oder der elektrischen Verbraucher beeinträchtigt wird.
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Dazu bilden die beiden ersten Halbleiterschalter in den beiden Strompfaden gleichzeitig die Hochstromshunts bilden, so dass auf separate Hochstromshunts verzichtet werden kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.
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In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung als zwischen die Versorgungsspannung und den wenigstens einen externen elektrischen Verbraucher geschaltetes elektrisches Gerät ausgebildet, in dem ein parallel zum wenigstens einem externen Verbraucher geschalteter interner Verbraucher enthalten ist. Hierdurch ist eine Prüfung der Schaltfähigkeit der Transistoren und eine Querstrommessung bei nicht angeschlossenem oder separat abgeschalteten externen Verbraucher möglich.
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Zur Steuerung der beiden ersten Halbleiterschalter in den beiden Strompfaden sowie der beiden zweiten Halbleiterschalter in den Parallelzweigen ist in vorteilhafter Weise eine mit den Stromerfassungsmitteln verbundene elektronische Steuereinrichtung vorgesehen, die bevorzugt als Microcontroller ausgebildet ist oder mindestens einen solchen enthält.
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Um die Messungen sowohl bei niedrigen, wie auch hohen Fehlerströmen durchführen zu können, besitzt die Steuereinrichtung zweckmäßigerweise Steuermittel zur Messbereichsumschaltung durch Öffnen der ersten Halbleiterschalter bei Erfassung eines Stroms durch die Hochstromshunts, der unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Werts liegt.
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Zur besonders einfachen Querstromüberwachung und Erkennung von Querschlüssen besitzt die Steuereinrichtung weiterhin Vergleichsmittel zum Vergleich der Strommesswerte in den beiden Strompfaden und/oder Parallelzweigen sowie bei Erkennung einer Abweichung aktivierbare Melde- und/oder Anzeigemittel.
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Eine besonders vorteilhafte Art, die Abschaltfähigkeit aller Transistoren zyklisch zu testen und auch hochohmige Querschlüsse an hochohmiger Last zu detektieren, wird dadurch erreicht, dass die Steuereinrichtung Steuermittel zum wiederholten kurzzeitig gleichzeitigen Abschalten der beiden ersten Halbleiterschalter und jeweils eines der beiden zweiten Halbleitschalter und Messen des Stroms im jeweils nicht abgeschalteten Parallelzweig besitzt. Das Abschalten der zweiten Halbleiterschalter kann jeweils abwechselnd und zyklisch erfolgen. Dabei ist als kurze Abschaltzeit eine den Betrieb des elektrischen Verbrauchers oder der elektrischen Verbraucher nicht beeinträchtigende Zeit vorgesehen.
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Die Steuereinrichtung ist auch zweckmäßigerweise mit einer externen Überwachungs- und Steuereinrichtung über ein Bussystem oder drahtlos verbunden, um Meldungen zu übertragen oder Parametrierungen vorzunehmen.
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Die Steuereinrichtung besitzt auch zweckmäßigerweise Abschaltmittel zur Abschaltung aller Halbleiterschalter bei einer Fehlererkennung oder Grenzwertüberschreitung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Das einzige Ausführungsbeispiel zeigt eine schaltungsmäßige Ausgestaltung der Vorrichtung zur elektrischen Stromkreisüberwachung.
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Bei dem in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel enthält ein elektrisches Gerät 10 zur Stromkreisüberwachung zwei Strompfade 11, 12, in denen jeweils die Schaltstrecke eines Transistors 13, 14 geschaltet ist. Die beiden Strompfade 11, 12 sind einerseits an zwei Versorgungsspannungsanschlüssen 15, 16 einer im Übrigen nicht dargestellten Versorgungsspannungsquelle und andererseits über zwei Verbraucheranschlüsse 17, 18 an einen externen Verbraucher 19 angeschlossen, wobei es sich prinzipiell auch um mehrere Verbraucher handeln kann, die auch nicht-ohmsche Verbraucher sein können (z. B. kapazitive und/oder induktive und/oder ohmsche Verbraucher).
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Parallel zu den Schaltstrecken der beiden Transistoren 13, 14 ist jeweils ein Parallelzweig 20, 21 geschaltet, der jeweils aus der Reihenschaltung eines weiteren Transistors 22, 23 mit einem Niederstromshunt 24, 25 besteht. Die an den Niederstromshunts 24, 25 abgegriffenen Spannungen werden jeweils einem Stromshuntsensor 26, 27 zugeführt, der am Ausgang ein stromabhängiges Signal erzeugt und dieses einer elektrischen Steuereinrichtung 28 zuführt. Diese elektronische Steuereinrichtung 28 steuert auch die beiden ersten Transistoren 13, 14 und die beiden zweiten Transistoren 22, 23 jeweils über einen Treiber 29 bis 32. Diese Treiber 29 bis 32 können prinzipiell auch in der elektronischen Steuereinrichtung 28 integriert sein. Im Übrigen enthält die elektronische Steuereinrichtung 28 mindestens einen Microcontroller 33 oder ist als solcher ausgebildet. Parallel zum externen Verbraucher 19 ist im elektrischen Gerät 10 ein interner Verbraucher 34 geschaltet, der nicht zwingend ein ohmscher Verbraucher sein muss.
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Die elektronische Steuereinrichtung 28 kann über ein Bussystem 35 mit einer nicht dargestellten externen Überwachungs- oder Steuereinrichtung kommunizieren, insbesondere Fehlermeldungen und Statusmeldungen abgeben und/oder externe Steuersignale, Parametriersignale oder Programmiersignale empfangen. Eine solche Kommunikation kann prinzipiell auch drahtlos erfolgen, beispielsweise über Funk, Bluetooth oder optisch, magnetisch, induktiv oder dergleichen.
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Die ersten Transistoren 13, 14 sowie zweiten Transistoren 22, 23 sind in der Figur als Leistungs-MOSFETs dargestellt. Prinzipiell können jedoch auch andere Transistoren oder andere Schaltelemente eingesetzt werden. Weiterhin wird der Innenwiderstand der beiden ersten Transistoren 13, 14 auch gleichzeitig als Hochstromshunts verwendet. Alternativ hierzu könnten auch separate Hochstromshunts in Reihe zu den Transistoren 13, 14 geschaltet sein, wobei dann die Parallelzweige 20, 21 parallel zu diesen Hochstromshunts geschaltet sein müssten.
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Die dargestellte und beschriebene Schaltung bzw. das entsprechende Gerät 10 dient zur kombinierten Strom- und Querstrommessung mit Bereichsumschaltung im Lastzweig einer Schaltstufe sowie zur Prüfung der Abschaltfähigkeit der Transistoren 13, 14 bzw. 22, 23. Die Prüfung der Abschaltfähigkeit der Transistoren erfolgt durch kurzzeitiges Abschalten eines oder mehrerer dieser Transistoren in geeigneter Kombination und gleichzeitige Strommessung. Fließt im abgeschalteten Zustand kein Strom, dann war die Abschaltung erfolgreich bzw. der entsprechende Transistor, der abgeschaltet hat, arbeitet korrekt. Diese Messung muss auch ohne extern angeschlossenen Verbraucher 19 funktionieren, wozu am Ausgang des Geräts 10 eine interne Last bzw. ein interner Verbraucher 34 als definierte Grundlast angeschlossen ist, wobei dann ein definierter Stromfluss bewertet wird.
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Im normalen Betrieb werden beide Kanäle, also beide Strompfade 11, 12 symmetrisch geschaltet, wobei zum Einschalten der Last alle Transistoren 13, 14, 22, 23 eingeschaltet werden. Der Laststrom wird direkt am als Hochstromshunt dienenden Innenwiderstand der Transistoren 13, 14 abgegriffen und über die Niederstromshunts 24, 25 in Verbindung mit den Stromshuntsensoren 26, 27 gemessen.
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Wird nun anhand der Ausgangssignale der Stromshuntsensoren 26, 27 erkannt, dass der Laststrom für den Hochstrommessbereich zu gering ist, so werden die beiden ersten Transistoren 13, 14 abgeschaltet bzw. gesperrt, so dass der Laststrom nur noch über die zweiten Transistoren 22, 23 und die Niederstromshunts 24, 25 fließt und entsprechend an diesen letzteren abgegriffen wird. Für beide Messungen gilt: Wenn die beiden Strommesswerte der Stromshuntsensoren 26, 27 voneinander abweichen, insbesondere signifikant voneinander abweichen, so ist der zur Last hinfließende Strom nicht gleich dem rückfließenden Strom, so dass ein einen Fehlerstrom verursachender Querschluss vorliegen muss.
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Die Abschaltfähigkeit aller Transistoren 13, 14, 22, 23 wird zyklisch getestet. Dazu werden entweder die Transistoren 13, 14, 22 oder die Transistoren 13, 14, 23 in wiederholter Weise kurzzeitig abgeschaltet. Wenn die Schalter ordnungsgemäß arbeiten, so führt dies zu einer Unterbrechung des Stromflusses, jeweils gemessen im Niederstromzweig bzw. Parallelzweig 20 bzw. 21 des jeweils anderen Kanals. Die Abschaltung der Transistoren erfolgt jeweils so kurzzeitig, dass der Betrieb des externen Verbrauchers 19 nicht beeinträchtigt wird.
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Die Detektion hochohmiger Querschlüsse bei niederohmiger Last kann erfindungsgemäß ebenfalls dynamisch durch kurzzeitiges Abschalten eines Kanals erkannt werden, also durch Abschalten entweder der Transistoren 13, 14, 22 oder der Transistoren 13, 14, 23. Die Last wird also abwechselnd kurzzeitig plus- oder minusseitig abgeschaltet und der Strom im nicht abgeschalteten Kanal im dortigen Parallelzweig 20 bis 21 gemessen. Wenn dieser Stromfluss nicht in allen Schaltkombinationen 0 ist, so liegt ein fehlerhafter Querschluss vor.
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Die Steuereingänge der Treiber 29 bis 32 oder der Transistoren 13, 14, 22, 23 können auch optoentkoppelt ausgeführt werden, um eine potentialfreie Ansteuerung zu gewährleisten.
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Das Steuerprogramm für die Messzyklen ist in der Steuereinrichtung 28 bzw. im Microcontroller 33 enthalten. Wird ein fehlerhaftes Abschalten eines der Transistoren 13, 14, 22, 23 oder ein Querschluss erkannt, so wird ein Fehler- bzw. Meldesignal erzeugt, das beispielsweise an die externe Steuer- oder Überwachungseinrichtung gemeldet wird. Dort oder am elektrischen Gerät 10 wird dann eine akustische und/oder optische Warnmeldung oder Anzeige erzeugt, wobei auch eine Fehlerspeicherung realisiert sein kann. Gleichzeitig werden je nach Schwere des Fehlerfalls alle Transistoren 13, 14, 22, 23 abgeschaltet.
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Während der als Hochstromshunt eingesetzte Innenwiderstand der ersten Transistoren 13, 14 einige Milliohm beträgt, wird ein Widerstandswert für die Niederstromshunts 24, 25 von einigen Ohm bis KOhm gewählt. Die sehr kurze Abschaltzeit der Transistoren, beispielsweise zur Messung der Abschaltfähigkeit beträgt beispielsweise 3 μs, wobei schon bei einer so kurzen Zeit die Messung erfolgreich durchgeführt werden kann, während die Funktionsfähigkeit des externen Verbrauchers 19 noch nicht beeinträchtigt wird.
