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Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Strombegrenzung.
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Zum Betrieb von elektrischen Verbrauchern mit hohen Einschaltströmen an einem elektrischen (Stromversorgungs-)Netz wird ein Leitungsschutzschalter eingesetzt.
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Der Leitungsschutzschalter umfasst insbesondere eine Überstromschutzeinrichtung und wird beispielsweise im Bereich von Niederspannungsnetzen eingesetzt. Er schützt Leitungen vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung in Folge eines zu hohen Stroms. Beispielsweise handelt es sich bei dem Leitungsschutzschalter um ein wiederverwendbares, nicht selbsttätig rückstellendes Sicherungselement. Wie eine Sicherung oder ein Leistungsschalter kann der Leitungsschutzschalter den Stromkreis bei Überlast selbsttätig abschalten.
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Hierbei ist es von Nachteil, dass der Leitungsschutzschalter für hohe Einschaltströme entsprechend großzügig dimensioniert werden und/oder ein träges Auslöseverhalten aufweisen muss. Dies hat zur Folge, dass hierdurch die eigentliche Sicherheitsfunktion des Leitungsschutzschalters abgeschwächt wird: Wenn das Auslöseverhalten des Leitungsschutzschalters entsprechend dem hohen Eingangsstrom ausgelegt ist, löst der Leitungsschutzschalter auch im Fehlerfall erst bei einem Überschreiten dieses hohen Eingangsstroms aus.
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Weiterhin ist es bekannt, Einschaltstrombegrenzer vorzusehen, die den Einschaltstrom durch Vorschalten eines Widerstands reduzieren. Ein solcher Widerstand wird nach einer vorgegebenen Zeitdauer, z. B. 300 ms, per Relaiskontakt überbrückt. Ist eine längere Zeitdauer gefordert, sind zur Einschaltstrombegrenzung Hochleistungswiderstände nötig. Hierbei ist es von Nachteil, dass die Einschaltstrombegrenzung mittels Widerstand die Funktion des nachgeschalteten Verbrauchers beeinträchtigt. Beispielsweise wird der Verbraucher während einer Startphase wegen des Widerstands nicht mit ausreichend Strom versorgt. Bei einem (vorwiegend) kapazitiven Verbraucher sind so beispielsweise nach Ablauf der Startphase die Kondensatoren noch nicht ausreichend stark aufgeladen und/oder Wandler (Konverter, Hoch-, Tiefsteller, etc.) laufen gerade an. Wird nun nach Ablauf der Startphase der den Einschaltstrom begrenzende Widerstand überbrückt und somit die Einschaltstrombegrenzung inaktiv, führt dies zu einem kurzen aber sehr hohen Stromimpuls, den nur deutlich überdimensionierte Bauteile oder Relaiskontakte) unbeschädigt überstehen.
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Bei (vorwiegend) induktiven Verbrauchern ist die vorgegebene Zeitdauer ohnehin meist viel zu kurz, weil der Einschaltstrom bei Transformatoren, Hubmagneten, Motoren, Schützen etc. zumeist eine Dauer von mehreren Sekunden benötigt, um auf den Nennwert abzufallen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Lösung für eine effiziente und kostengünstige Einschaltstrombegrenzung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Strombegrenzung vorgeschlagen
- – mit einem Heißleiter, der in einem Strompfad zu einem Verbraucher angeordnet ist,
- – mit einem Schalter zur Überbrückung des Heißleiters.
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Der Heißleiter ist vorzugsweise in dem Strompfad zwischen einer Energiequelle, z. B. einem Stromversorgungsnetz, und einem Verbraucher angeordnet. Der Heißleiter ist vorzugsweise nach dem Einschalten, also insbesondere nach dem Verbinden des Verbrauchers mit der Energiequelle für eine vorgegebene Zeitdauer aktiv und wird dann überbrückt (d. h. abgeschaltet). Die Überbrückung dauert bevorzugt so lange wie der Verbraucher ohne Trennung von der Energiequelle über diese betrieben wird. Nach der Trennung von der Energiequelle (z. B. mittels eines (Haupt-)Schalters) wird die Überbrückung des Heißleiters beendet, so dass bei einem erneuten Einschalten wieder der Heißleiter für die vorgegebene Zeitdauer aktiv ist und so erneut den Strom während der Einschaltphase begrenzen kann.
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Hierbei sei angemerkt, dass die erwähnte Zeit bestimmt sein kann durch eine ermittelte Zeitdauer oder durch eine Zeitdauer bis ein Messwert einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Der Messwert kann z. B. einen Strom, eine Spannung oder eine Temperatur sein bzw. auf einer solchen Größe beruhen.
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So ist es möglich, dass die Zeit(dauer) mittels einer (analogen oder digitalen) Komponente bestimmt wird. Beispielsweise kann ein Zähler oder ein Zeitglied vorgesehen sein, um die vorgegebene Zeitdauer abzuwarten und bspw. unabhängig von weiteren Messwerten kann nach Ablauf dieser Zeitdauer der Heißleiter überbrückt werden. Alternativ (oder zusätzlich) ist es möglich, dass ein Messwert ermittelt wird und dieser Messwert mit dem vorgegebenen Schwellwert (z. B. mittels eines Komparators oder mittels einer digitalen Schaltung) verglichen wird; erreicht der Messwert mindestens den Schwellwert, so wird der Schalter aktiviert und der Heißleiter überbrückt (inaktiv geschaltet).
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Eine Weiterbildung ist es, dass der Schalter nach einer vorgegebenen Zeitdauer nach dem Anlegen einer Versorgungsspannung aktivierbar ist.
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Insbesondere kann das Anlegen der Versorgungsspannung oder eine Verbindung mit einer Energiequelle detektiert werden und nach einer vorgegebenen Zeitdauer oder bei Eintritt einer vorgebbaren Bedingung der Schalter aktiviert und somit der Heißleiter überbrückt werden.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass der Schalter parallel zu dem Heißleiter angeordnet ist.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass eine Serienschaltung umfassend den Heißleiter und eine Sicherung parallel zu dem Schalter angeordnet ist.
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Somit kann die Sicherung zusammen mit dem Heißleiter von dem Schalter überbrückt werden. Alternativ kann nur der Heißleiter von dem Schalter überbrückt werden.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die Sicherung eine thermische Sicherung ist.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist eine Schwellwert-Schaltung vorgesehen, anhand derer der Schalter aktivierbar ist.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Schwellwert-Schaltung das Anlegen der Versorgungsspannung detektiert und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer den Schalter aktiviert.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass die vorgegebene Zeitdauer anhand eines Zeitglieds bestimmbar ist.
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Beispielsweise kann die Schwellwert-Schaltung ein Zeitglied (z. B. einen Zähler) aufweisen, anhand dessen eine vorgegebene Zeitdauer bestimmbar ist.
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Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Schwellwert-Schaltung bei Eintritt einer vorgegebenen Bedingung den Schalter aktiviert.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die vorgegebene Bedingung mindestens eine der folgenden Optionen umfasst:
- – dass ein Messwert einen Schwellwert erreicht oder überschreitet;
- – dass eine Versorgungsspannung anliegt.
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Bei dem Messwert kann es sich um einen Strom oder eine Spannung handeln, der bzw. die von der Schwellwert-Schaltung ermittelt wird. Beispielsweise kann es sich um einen Strom handeln, der durch den Heißleiter fließt oder es kann sich um eine Spannung vor, nach oder an dem Heißleiter handeln. Erreicht oder überschreitet der Messwert den Schwellwert, so kann der Schalter geschlossen und der Heißleiter überbrückt werden.
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Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der Schalter ein Arbeitskontakt eines Relais ist, der über eine Spule des Relais aktivierbar ist.
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Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Schalter ein elektronischer Schalter, insbesondere ein Transistor oder ein Mosfet ist.
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Bei dem elektronischen Schalter handelt es sich z. B. um einen elektronisch ansteuerbaren Schalter, insbesondere um eine Schaltfunktion, die über ein Steuersignal wahrnehmbar ist. Beispielsweise kann auch ein Vergleichssignal (Ergebnis eines Komparators) oder ein Signal eines logischen Schaltkreises (z. B. Gatters) zur Überbrückung des Heißleiters (ggf. in Serienschaltung mit der Sicherung) bestimmt und eingesetzt werden.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Einschaltstrombegrenzung, bei dem ein einen Heißleiter enthaltender Strompfad überbrückt wird sobald eine vorgegebene Bedingung eintritt.
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Insbesondere wird der Heißleiter überbrückt durch einen Schalter, der parallel zu dem Heißleiter angeordnet ist und den Heißleiter somit kurzschließen kann.
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Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass die vorgegebene Bedingung umfasst
- – einen Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer und/oder
- – ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwerts durch einen ermittelten Messwert.
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Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels einer Vorrichtung mit einer Lichtquelle umfassend die Schaltung wie hierin beschrieben.
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Bei der Vorrichtung kann es sich um eine Leuchte, ein Leuchtmodul oder ein Leuchtsystem handeln. Insbesondere kann die Schaltung Teil eines Betriebsgeräts für eine Lichtquelle, Leuchte oder Leuchtmodul sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung für einen nachgeschalteten Verbraucher.
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Es wird eine Einschaltstrombegrenzung mit einem Heißleiter (NTC) vorgeschlagen. Der Heißleiter ist in einem Strompfad bzw. in einer Leitung zwischen einem Verbraucher und einem Stromversorgungsnetz angeordnet. Optional ist der Heißleiter in Reihe mit einer Sicherung (z. B. einer thermischen Sicherung) angeordnet. Weiterhin ist es eine Option, dass der Heißleiter z. B. nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer überbrückt (und inaktiv geschaltet) wird. So kann sichergestellt werden, dass der Heißleiter während einer Einschaltphase aktiv ist und vorübergehend einen hohen Strom zum Aufladen nachgeschalteter Verbraucher bereitstellt. Nach der Einschaltphase kann der Heißleiter dauerhaft überbrückt werden, solange bis das Gerät umfassend die hier beschriebene Einschaltstrombegrenzung von dem Stromversorgungsnetz getrennt wird (dann kann z. B. ein Relais öffnen und die Überbrückung des Heißleiters beenden).
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1 zeigt eine schematische Schaltung 100 zur Einschaltstrombegrenzung für einen nachgeschalteten Verbraucher 101.
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Die Schaltung 100 ist über zwei Anschlüsse L und N mit einem Stromversorgungsnetz oder mit einer sonstigen elektrischen Energieversorgung verbunden. Optional kann zwischen der elektrischen Energieversorgung und den Anschlüssen L und N der Einschaltstrombegrenzung noch eine weitere Komponente (z. B. ein Netzfilter o. ä.) angeordnet sein.
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Der Anschluss L ist über eine Sicherung 102 mit einem Knoten 109 und über einen Schalter 105 mit einem Ausgang 107 der Schaltung 100 verbunden.
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Der Knoten 109 ist mit einer Schwellwert-Schaltung 104 verbunden. Weiterhin ist der Knoten 109 über einen Heißleiter 103 mit dem Ausgang 107 verbunden.
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Der Schalter 105 kann als ein elektronischer Schalter (Transistor, Mosfet, o. ä.) ausgeführt sein, der von der Schwellwert-Schaltung 104 angesteuert wird. Im Beispiel gemäß 1 ist der Schalter 105 als Teil eines Relais (Arbeitskontakte des Relais) ausgeführt, wobei eine Spule 106 des Relais von der Schwellwert-Schaltung 104 angesteuert wird.
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Der Verbraucher 101 ist mit dem Anschluss 107 und mit einem Anschluss 108 der Schaltung 100 verbunden, wobei der Anschluss 108 weiterhin mit dem Anschluss N sowie der Schwellwert-Schaltung 104 verbunden ist.
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Wird die Schaltung 100 mit der Energieversorgung (über die Anschlüsse L und N) verbunden, ist der Schalter 105 noch geöffnet, die Schwellwert-Schaltung 104 detektiert eine Spannung der Energieversorgung und startet ein Zeitglied mit der Zeitdauer Δt oder vergleicht einen gemessenen Strom oder eine gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert (der Schwellwert wird in diesem Fall nach der Zeitdauer Δt erreicht). Beispielsweise kann die Schwellwert-Schaltung 104 hierfür ein Zeitglied, einen Zähler, einen Komparator oder eine sonstige Auswerteeinheit aufweisen. Beispielsweise kann von der Schwellwert-Schaltung eine Spannung an dem Knoten 109 gemessen oder ausgewertet werden. Optional ist es möglich, dass ein Strom, der durch den Heißleiter 103 fließt, bestimmt wird (z. B. mittels eines nicht dargestellten Widerstands, über dem ein Spannungsabfall bestimmt wird). Die Messung kann kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitpunkten erfolgen. Insbesondere kann die Schwellwert-Schaltung 104 hierfür digitale oder analoge Bauteile aufweisen.
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Der Einschaltstrom fließt durch die thermische Sicherung 102 und den Heißleiter 103, wobei der Heißleiter 103 durch den Stromfluss erwärmt wird. Mit steigender Temperatur des Heißleiters 103 nimmt sein ohmscher Widerstand ab. Ist die Zeitdauer Δt abgelaufen, steuert die Schwellwert-Schaltung 104 die Spule 106 des Relais an und schließt den Schalter 105 (z. B. ausgeführt als Arbeitskontakte des Relais). Damit sind der Heißleiter 103 sowie die thermische Sicherung 102 überbrückt, die Einschaltphase (bzw. Dauer der Einschaltstrombegrenzung) ist abgeschlossen. Vorzugsweise bleibt der Schalter 105 so lange geschlossen bis die Schaltung 100 nicht mehr mit der Netzspannung verbunden ist (beispielsweise bis das Gerät über einen Hauptschalter ausgeschaltet wird).
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Die thermische Sicherung 102 dient zur Absicherung des Verbrauchers 101 für den Fall, dass der Schalter 105 defekt ist oder nicht rechtzeitig geschlossen wird. So unterbricht die thermische Sicherung 102 den Strom ehe der Heißleiter 103 (oder der Verbraucher 101) überlastet wird.
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Die Zeitdauer Δt kann durch die Wahl eines geeigneten Heißleiters 103 entsprechend groß gewählt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass die Zeitdauer Δt mehrere Sekunden beträgt. Durch Wahl oder Einstellung der Charakteristik des Heißleiters 103 kann die Einschaltstrombegrenzung dem Verbraucher 101 entsprechend angepasst werden.
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Beispielsweise kann für einen kapazitiven Verbraucher der Heißleiter 103 eine steile Charakteristik aufweisen. So nimmt der ohmsche Widerstand des Heißleiters 103 in diesem Fall mit steigender Temperatur stark ab. Vorzugsweise kann der ohmsche Widerstand des Heißleiters so gewählt werden, dass bei einer Zeitdauer Δt < ls die Kondensatoren des kapazitiven Verbrauchers (nahezu vollständig) aufgeladen sind. Damit kann nach Ablauf der Zeitdauer Δt ein in dem Verbraucher vorgesehener Wandler oder Konverter starten ohne dabei die Schaltung 100 zu überlasten.
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Weist der Verbraucher hauptsächlich Induktivitäten auf, kann entsprechend eine flache Charakteristik des Heißleiters 103 gewählt werden. In diesem Fall sinkt der ohmsche Widerstand langsam mit steigender Temperatur, die Zeitdauer Δt kann entsprechend lang gewählt werden.
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Weitere Vorteile:
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Die vorgestellte Lösung kann flexibel z. B. für kapazitive Verbraucher, induktive Verbraucher oder Verbraucher mit Kaltleiter-Verhalten (z. B. Glühwendel) eingesetzt werden, indem die Charakteristik des Heißleiters in Kombination mit der Zeitdauer Δt eingestellt bzw. vorgegeben wird.
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Dies ermöglicht den Einsatz eines Leitungsschutzschalters, dessen Verhalten (nahezu) ausschließlich von der Summe der Nennströme bestimmt ist. Damit ist es nicht länger notwendig, den Leitungsschutzschalter stärker als für die Schutzfunktion nötig zu dimensionieren. So können Kosten für die Ausführung des Leitungsschutzschalters eingespart werden als auch sind im Fehlerfall die Schaltung sowie der angeschlossene Verbraucher entsprechend der Auslegung des Leitungsschutzschalters effizient geschützt.
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Bezugszeichenliste
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- L, N
- Anschlüsse der Energieversorgung
- 100
- Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung
- 101
- Verbraucher
- 102
- thermische Sicherung
- 103
- Heißleiter
- 104
- Schwellwert-Schaltung
- 105
- Schalter (Arbeitskontakte des Relais)
- 106
- Spule (des Relais)
- 107
- Ausgang
- 108
- Ausgang
- 109
- Knoten
