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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die deutsche Patentschrift
DE 10 2007 041 972 B3 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern eines Schalterantriebs eines elektrischen Schalters mit einer Steuereinrichtung, die geeignet ist, ein an einem Binäreingang der Vorrichtung eingansseitig anliegendes, mit einer externen Betriebsspannung erzeugtes Eingangssignal auszuwerten und die Steuerung des Schalterantriebs in Abhängigkeit von dem eingangsseitig anliegenden Eingangssignal vorzunehmen.
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Aus der
DE 3731469 A1 ist ein elektromotorischer Steuerantrieb bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der beschriebenen Art anzugeben, die besonders universell einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Referenzspannungsschaltung aufweist, die geeignet ist, mit der externen Betriebsspannung eine interne Referenzspannung zu erzeugen, die Vorrichtung eine Vorverarbeitungseinrichtung aufweist, die geeignet ist, mit dem am Binäreingang anliegenden Eingangssignal ein Binärsignal zu erzeugen, dessen logischer Pegel von der Höhe des Eingangssignals und der Höhe der Referenzspannung abhängt, und die Steuereinrichtung der Vorrichtung mittelbar oder unmittelbar mit der Vorverarbeitungseinrichtung in Verbindung steht und das Binärsignal der Vorverarbeitungseinrichtung auswertet.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass diese für sehr unterschiedliche externe Betriebsspannungen verwendet werden kann. Im Unterschied zu vorbekannten Vorrichtungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nämlich in der Lage, eingangsseitig anliegende Eingangssignale in Abhängigkeit von der Betriebsspannung, mit der diese Eingangssignale gebildet worden sind, auszuwerten. Hierfür ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine von der externen Spannung abhängige interne Referenzspannung zu erzeugen und die an dem Binäreingang bzw. den Binäreingängen anliegenden Eingangssignale unter Heranziehung der internen Referenzspannung auszuwerten. Im Unterschied zu den vorbekannten Vorrichtungen ist es somit möglich, die Vorrichtung für unterschiedlichste Eingangssignale zu verwenden, da es nämlich möglich ist, eine interne Referenzspannung zu bilden und heranzuziehen, die der zu erwartenden Höhe der eingangsseitig anliegenden Eingangssignale Rechnung trägt.
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Die interne Referenzspannung ist vorzugsweise kleiner als die externe Betriebsspannung. Besonders bevorzugt wird die interne Referenzspannung derart erzeugt, dass sie – von einem etwaigen Offset (Spannungsversatzwert) abgesehen – zu der externen Betriebsspannung proportional ist, es gilt also vorzugsweise:
Ui ~ Uextern – Uoffset,
wobei Ui die interne Referenzspannung, Uextern die externe Betriebsspannung und Uoffset den etwaigen Offset bezeichnen. Uoffset kann beispielsweise gleich Null sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ein Schaltelement aufweist, das einen Stromfluss vom Binäreingang durch die Vorverarbeitungseinrichtung in Abhängigkeit von der Höhe des Eingangssignals und der Höhe der Referenzspannung zulässt oder unterbindet, und der logische Pegel des Binärsignals vom Stromfluss durch die Vorverarbeitungseinrichtung abhängt.
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Beispielsweise kann das Schaltelement einen Stromfluss vom Binäreingang durch die Vorverarbeitungseinrichtung zulassen, wenn die Differenz zwischen der Höhe des Eingangssignals und der Höhe der Referenzspannung einen vorgegebenen Mindestwert über- oder alternativ unterschreitet.
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Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Vorverarbeitungseinrichtung mit einem Eingangsanschluss an den Binäreingang und mit einem Ausgangsanschluss an das Schaltelement angeschlossen ist.
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Bevorzugt weist die Vorverarbeitungseinrichtung einen Optokoppler auf, der ausgangsseitig das Binärsignal erzeugt, wobei der logische Pegel des Binärsignals vom Stromfluss durch die Vorverarbeitungseinrichtung abhängt. Ein Optokoppler ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Potentialtrennung.
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Die Referenzspannungsschaltung weist vorzugsweise einen Spannungsteiler, beispielsweise einen ohmschen Spannungsteiler, auf.
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Der Spannungsteiler kann beispielsweise einen Teileranschluss aufweisen, an dem die Referenzspannung anliegt, und der Teileranschluss und der Ausgangsanschluss der Vorverarbeitungseinrichtung können an das Schaltelement angeschlossen sein.
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Das Schaltelement ist vorzugsweise ein Transistor oder weist einen Transistor zumindest auch auf. Bei dem Transistor kann es sich um einen bipolaren Transistor handeln. Der Teileranschluss ist vorzugsweise an den Basisanschluss des Transistors und der Ausgangsanschluss der Vorverarbeitungseinrichtung vorzugsweise an den Emitteranschluss angeschlossen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Steuern eines Schalterantriebs eines elektrischen Schalters, wobei ein an einem Binäreingang eingangsseitig anliegendes, mit einer externen Betriebsspannung erzeugtes Eingangssignal ausgewertet und die Steuerung des Schalterantriebs in Abhängigkeit von dem eingangsseitig anliegenden Eingangssignal vorgenommen wird.
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Erfindungsgemäß ist diesbezüglich vorgesehen, dass mit der externen Betriebsspannung eine interne Referenzspannung erzeugt wird, mit dem am Binäreingang anliegenden Eingangssignal ein Binärsignal erzeugt wird, dessen logischer Pegel von der Höhe des Eingangssignals und der Höhe der Referenzspannung abhängt, und das Binärsignal ausgewertet wird.
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Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen, da die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens denen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Wesentlichen entsprechen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
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1 ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Steuern eines Schalterantriebs eines elektrischen Schalters,
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2 ein Ausführungsbeispiel für ein Binäreingangsmodul für die Vorrichtung gemäß 1 und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Binäreingangsmodul für die Vorrichtung gemäß 1.
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In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 4 zum Steuern eines Schalterantriebes M eines nicht weiter dargestellten elektrischen Schalters. Die Vorrichtung 4 umfasst Anschlüsse A1 bis A5 sowie eine vorzugsweise als Halbleiterschaltung ausgebildete H-Brückenschaltung 9 und eine Steuereinrichtung 10 sowie verschiedene vorzugsweise als Halbleiterschaltungen ausgebildete Steuerungsmodule 11 bis 12 zur Ansteuerung und Abfrage von analogen Verriegelungen (Steuerungsmodul 11) und/oder binären Rückmeldungen (Steuerungsmodul 12).
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Die Vorrichtung 4 umfasst außerdem ein Binäreingangsmodul 13, das an Binäreingänge 6a, 6b und 6c der Vorrichtung 4 angeschlossen ist. Die Binäreingänge 6a, 6b und 6c sind beispielsweise über Schalter S1, S2 und S3 mit einer externen Betriebsspannung beaufschlagt, bei der es sich beispielsweise um eine Steuerkreisspannung Usk für einen Steuerkreis SK der Vorrichtung 4, um eine Lastkreisspannung Ulk für einen Lastkreis LK der Vorrichtung 4 oder um eine andere vorgegebene Spannung handeln kann. Im nachfolgenden wird beispielhaft davon ausgegangen, dass es sich bei der externen Betriebsspannung um die Steuerkreisspannung Usk für den Steuerkreis SK handelt.
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Zum Ein- und Ausschalten der Steuerkreisspannung Usk für den Steuerkreis SK und der Lastkreisspannung Ulk für den Lastkreis LK sind Schaltelemente 14 bzw. 15 vorgesehen. Bei den Schaltelementen 14, 15 handelt es sich vorzugsweise um Relaiskontakte, die mittelbar oder unmittelbar von der Steuereinrichtung 10 angesteuert werden.
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Nach dem Einschalten des oder der Schaltelemente 14, 15 wird das zugehörige Schaltrelais beispielsweise über eine Hilfswicklung gehalten (= Selbsthaltung). Die Abschaltung erfolgt dann über die Steuereinrichtung 10 anhand eines Steuersignals. Beispielsweise schaltet sich die Vorrichtung 4 ca. 1,5 s nach Abarbeitung des letzten Befehls automatisch ab, wenn kein neuer Befehl ansteht.
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Zur Überwachung der Spannungsversorgung der H-Brückenschaltung 9 und der Schaltelemente 14 und 15 kann ein Überwachungsmodul 16 vorgesehen sein, das mit den Schaltelementen 14 und 15 verbunden ist. Bei Vorliegen eines Funktionsausfalls oder einer Fehlfunktion kann die Versorgung der H-Brückenschaltung 9, insbesondere der Ansteuerelemente, und das Schaltelement 14 für den Lastschaltkreis LK von dem Überwachungsmodul 16 abgeschaltet werden.
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Darüber hinaus können mittels der Steuereinrichtung 10 weitere Betriebs- und/oder Sicherheitsfunktionen realisiert und zur Ansteuerung bzw. Schalten des Schalterantriebes M oder von anderen Elementen, wie Anzeigeelementen oder Ansteuerelementen, genutzt werden. Nachfolgend werden einige Beispiele für frei programmierbare Betriebs- und/oder Sicherheitsfunktionen beschrieben.
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So kann beispielsweise der Schalterantrieb M bei Erreichen einer Endstellung einer der Betriebsmittel, z. B. des Dreistellungs-Trennschalters mit den Endstellungen ”Trenner ein”, ”AUS”, ”Erder ein”, gebremst werden. Dabei sind die Nachlaufzeit des Schalterantriebes M und die Bremszeiten frei programmierbar. Nach Ablauf der vorgegebenen Bremszeit und Freigabe für den Handbetrieb wird der Motorkreis automatisch geöffnet und für den Handbetrieb freigegeben. Darüber hinaus kann die Vorrichtung 4 bei Umschaltung des Schalterantriebs auf Handbetrieb verriegeln.
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Mittels der elektronischen Steuerung können identifizierte Fehler, wie beispielsweise falsche Drehrichtung des Schalterantriebes M, Fehlfunktion der Mechanik des Schalterantriebs, Lastspannung fehlt oder keine Rückmeldung vom Hilfsschalter, visualisiert werden. Hierzu können mittels der Steuereinrichtung 10 Anzeigeelemente angesteuert werden. Je nach Art der Ansteuerung können die Anzeigeelemente dauerhaft oder blinkend leuchten. Dabei können zur Anzeige von verschiedenen Störungsgraden die Anzeigeelemente mit verschieden getaktetem Blinklicht, z. B. mit Tf = 0.5 s oder Tf = 2 s angesteuert werden.
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Des Weiteren können die Rückmelde- und Überwachungszeiten von Schaltvorgängen frei programmiert werden. Ferner kann bei blockiertem Schalterantrieb M der Motorstrom zeitlich begrenzt werden. Darüber hinaus können weitere geeignete Steuerungs- und/oder Meldungsfunktionen für den Betrieb und die Sicherheit des Schalterantriebs M mittels der Steuereinrichtung 10 realisiert werden.
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Je nach Art der Spannungsversorgung, Gleich- oder Wechselspannung, sind zwischen der H-Brückenschaltung 9 und dem jeweiligen zu versorgenden Kreis – Steuerkreis SK und Lastkreis LK – zugehörige Spannungswandler 17, 18, insbesondere AC/DC- oder DC/DC-Wandler, vorgesehen. Zur galvanischen Trennung des Steuerkreises SK und des Lastkreises LK und der internen Spannungskreise der Vorrichtung 4 können beispielsweise Optokoppler 19 eingesetzt werden.
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In der 1 lässt sich erkennen, dass das Binäreingangsmodul 13 eine Referenzspannungsschaltung 50 aufweist, die geeignet ist, eine zu der externen Betriebsspannung proportionale interne Referenzspannung Ui zu erzeugen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird als externe Betriebsspannung die Steuerkreisspannung Usk verwendet, so dass also an der Referenzspannungsschaltung 50 als externe Betriebsspannung die Steuerkreisspannung Usk anliegt.
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Das Binäreingangsmodul 13 weist darüber hinaus ein Schaltelement 60 auf, an dem die interne Referenzspannung Ui der Referenzspannungsschaltung 50 anliegt.
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An das Schaltelement 60 sind drei Vorverarbeitungseinrichtungen angeschlossen, die in der 1 mit den Bezugszeichen 70, 71 und 72 gekennzeichnet sind. Die drei Vorverarbeitungseinrichtungen 70, 71 und 72 sind mit den drei Binäreingängen 6a, 6b und 6c der Vorrichtung 4 verbunden und sind somit über die Schalter S1, S2 und S3 an die Steuerkreisspannung Usk angeschlossen.
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Darüber hinaus lässt sich in der 1 erkennen, dass die drei Vorverarbeitungseinrichtungen 70, 71 und 72 über Binärleitungen an die Steuereinrichtung 10 der Vorrichtung 4 angeschlossen sind.
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In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für das Binäreingangsmodul 13 gemäß 1 näher im Detail gezeigt. Man erkennt, dass an der Referenzspannungsschaltung 50 des Binäreingangsmoduls 13 die Steuerkreisspannung Usk anliegt. Die Referenzspannungsschaltung 50 umfasst eine Diode 51, eine Kapazität 52 sowie einen Spannungsteiler 53, der einen Teileranschluss 54 bildet. An dem Teileranschluss 54 fällt die interne Referenzspannung Ui ab, die zu der Steuerkreisspannung Usk (bei Vernachlässigung des Spannungsabfalls über der Diode 51) proportional ist. Der Spannungsteiler 53 wird durch zwei Ohmsche Widerstände R1 und R2 gebildet.
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Der Referenzspannungsschaltung 50 nachgeordnet ist ein Schaltelement SE, das durch einen bipolaren pnp-Transistor gebildet ist. Das Schaltelement SE ist mit seinem Basisanschluss an den Teileranschluss 54 des Spannungsteilers 53 der Referenzspannungsschaltung 50 angeschlossen.
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In der 2 lässt sich erkennen, dass an den Emitteranschluss des Schaltelements SE ein Vorwiderstand Rv angeschlossen ist, der mit der Steuerkreisspannung Usk beaufschlagt ist und eine Strombegrenzung für die Emitterkollektorstrecke des Schaltelements SE bildet.
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An den Emitteranschluss des Schaltelements SE sind die drei Vorverarbeitungseinrichtungen 70, 71 und 72 angeschlossen, die beispielsweise baugleich ausgeführt sein können. Nachfolgend wird daher lediglich die in der 2 linke Vorverarbeitungseinrichtung 70 näher im Detail beschrieben. Die beiden anderen Vorverarbeitungseinrichtungen 71 und 72 sind baugleich.
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Man erkennt in der 2, dass die Vorverarbeitungseinrichtung 70 einen Eingangsanschluss 70e aufweist, der an den Binäreingang 6a der Vorrichtung 4 und damit an den Schalter S1 angeschlossen ist. Der Eingangsanschluss 70e steht mit einer Diode 100 in Verbindung, an die eine Konstantstromquelle 105 angeschlossen ist. Die Konstantstromquelle 105 ist über einen Optokoppler 110 an einen Ausgangsanschluss 70a der Vorverarbeitungseinrichtung 70 angeschlossen. Dieser Ausgangsanschluss 70a steht mit dem Emitteranschluss des Schaltelements SE in Verbindung.
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In der 2 lässt sich darüber hinaus erkennen, dass der Optokoppler 110 einen Signalausgang 70s der Vorverarbeitungseinrichtung 70 bildet, an den eine Binärleitung 701 angeschlossen ist und der über diese Binärleitung 701 ein Binärsignal B70 zur Steuereinrichtung 10 übersendet.
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Die beiden anderen Vorverarbeitungseinrichtungen 71 und 72 sind – wie bereits erwähnt – identisch ausgestaltet. Auch sie weisen jeweils eine Diode 100, eine Konstantstromquelle 105 sowie einen Optokoppler 110 auf. Darüber hinaus sind sie jeweils mit einem Eingangsanschluss 71e bzw. 72e und einem Ausgangsanschluss 71a bzw. 72a ausgestattet, der an den Emitteranschluss des Schaltelements SE angeschlossen ist.
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Die Binärsignale, die von den beiden Vorverarbeitungseinrichtungen 71 und 72 erzeugt werden, sind in der 2 mit den Bezugszeichen B71 und B72 gekennzeichnet. Diese Binärsignale B71 und B72 gelangen über Binärleitungen 711 und 721 zu der Steuereinrichtung 10.
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Die Funktionsweise des Binäreingangsmoduls 13 soll nun beispielhaft anhand der Vorverarbeitungseinrichtung 70 näher im Detail erläutert werden:
Ist der Schalter S1 – wie in der 2 gezeigt – geöffnet, so liegt an dem Eingangsanschluss 70e der Vorverarbeitungseinrichtung 70 keine Spannung an. In diesem Fall wird kein Strom durch den Optokoppler 110 fließen können, so dass der Optokoppler 110 als Binärsignal B70 eine logische ”0” über die Binärleitung 701 zu der Steuereinrichtung 10 schicken wird.
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Ist hingegen der Schalter S1 geschlossen, so liegt an dem Eingangsanschluss 70e der Vorverarbeitungseinrichtung 70 die Steuerkreisspannung Usk an, so dass das Schaltelement SE durchgeschaltet werden wird und der Optokoppler als Binärsignal B70 eine logische ”1” über die Binärleitung 701 zu der Steuereinrichtung 10 senden wird.
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Ein Durchschalten des Schaltelements SE kommt dabei nur in Betracht, wenn die Emitterbasisstrecke des Schaltelements SE mit einer ausreichend hohen Flussspannung beaufschlagt wird. Dies ist stets dann der Fall, wenn die am Emitter des Schaltelements SE anliegende Spannung Ue ca. 0,7 V größer sein wird als die interne Referenzspannung Ui, die an dem Teileranschluss 54 des Spannungsteilers 53 anliegt. Mit anderen Worten wird es zu einem Stromfluss vom Binäreingang 6a der Vorrichtung 4 durch die Vorverarbeitungseinrichtung 70 und zu einem Durchschalten des Schaltelements SE nur dann kommen, wenn die Differenz zwischen der Höhe des am Eingangsanschluss 70e anliegenden Spannungssignals und der Höhe der internen Referenzspannung Ui einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet, der sich näherungsweise wie folgt rechnet: Umin = Ui + Ueb + U70, wobei Umin den Mindestwert, Ui die interne Referenzspannung, Ueb die Emitterbasisspannung des Schaltelements SE und U70 den Spannungsabfall über der Vorverarbeitungseinrichtung 70 bezeichnen.
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Das Binäreingangsmodul 13 verarbeitet ein an den Binäreingängen 6a, 6b und 6c eingangsseitig anliegendes Eingangssignal also in Abhängigkeit der internen Referenzspannung Ui, die zu einer externen Betriebsspannung – hier der Steuerkreisspannung Usk – annähernd proportional ist, mit der wiederum das eingangsseitig anliegende Eingangssignal gebildet worden ist. Dies ermöglicht es dem Binäreingangsmodul 13, Steuerkreisspannungen innerhalb eines relativ großen Spannungsintervalls korrekt zu verarbeiten: So kann das in der 2 gezeigte Binäreingangsmodul 13 Eingangssignale, die mit einer externen Betriebsspannung zwischen 20 V und 200 V gebildet worden sind, richtig verarbeiten. Liegt beispielsweise eine große externe Betriebsspannung an, so ist die für die Bildung des Binärsignals B70 relevante interne Referenzspannung Ui entsprechend hoch, wohingegen bei Verwendung einer kleinen externen Betriebsspannung bzw. einer kleinen Steuerkreisspannung Usk auch die interne Referenzspannung Ui dementsprechend klein sein wird. Die zur Bildung des Binärsignals B70 bis B72 verwendete interne Referenzspannung Ui ist zu der externen Betriebsspannung, die zur Bildung der eingangsseitig anliegenden Eingangssignale herangezogen wird, stets näherungsweise proportional.
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Die Vorrichtung gemäß 2 ist ”high aktiv” (hoch-aktiv), dies bedeutet, dass bei Anliegen einer positiven Spannung an den Binäreingängen 6a, 6b und 6c stets ein Binärsignal B70, B71 bzw. B72 mit einer logischen ”1” erzeugt werden wird.
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Die 3 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel für ein Binäreingangsmodul 13, das ”low aktiv” (niedrig-aktiv) ist. Dies bedeutet, dass bei geöffneten Schaltern S1, S2 und S3, also bei fehlendem Stromfluss durch die entsprechende Vorverarbeitungseinrichtung 70, 71 und 72, ein Binärsignal B70, B71 bzw. B72 mit einer logischen ”1” erzeugt werden wird. Der Aufbau gemäß 3 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau gemäß 2, wobei folgende schaltungstechnische Veränderungen vorgenommen worden sind:
- (a) Als externe Betriebsspannung für die drei Schalter S1, S2 und S3 wird nicht der Plusanschluss der Steuerkreisspannung Usk, sondern der Minusanschluss der Steuerkreisspannung Usk verwendet.
- (b) Die Dioden 100 sowie die Optokoppler 110 in den Vorverarbeitungseinrichtungen 70, 71 und 72 sind mit inverser Verpolung angeschlossen.
- (c) Anstelle eines pnp-Transistors wird ein npn-Transistor verwendet, dessen Emitteranschluss über einen Vorwiderstand Rv mit dem Minusanschluss der Steuerkreisspannung Usk verbunden ist.
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Im Übrigen, insbesondere auch mit Blick auf die Funktionsweise, entspricht die Schaltung gemäß 3 der Schaltung gemäß 2.
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Bezugszeichenliste
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- 4
- Vorrichtung
- 6a–6c
- Binäreingänge
- 9
- H-Brückenschaltung
- 10
- Steuereinrichtung
- 11
- Steuerungsmodul
- 12
- Steuerungsmodul
- 13
- Binäreingangsmodul
- 14
- Schaltelement
- 15
- Schaltelement
- 16
- Überwachungsmodul
- 17
- Spannungswandler
- 18
- Spannungswandler
- 19
- Optokoppler
- 50
- Referenzspannungsschaltung
- 51
- Diode
- 52
- Kapazität
- 53
- Spannungsteiler
- 54
- Teileranschluss
- 60
- Schaltelement
- 70–72
- Vorverarbeitungseinrichtung
- 70a–72a
- Ausgangsanschluss
- 70e–72e
- Eingangsanschluss
- 701–721
- Binärleitung
- 70s
- Signalausgang
- 100
- Diode
- 105
- Konstantstromquelle
- 110
- Optokoppler
- A1–A5
- Anschluss
- B70–B72
- Binärsignale
- LK
- Lastkreis
- M
- Schalterantrieb
- R1, R2
- Ohmsche Widerstände
- Rv
- Vorwiderstand
- SE
- Schaltelement
- SK
- Steuerkreis
- S1–S3
- Schalter
- Ue
- Spannung
- Ui
- Referenzspannung
- Ulk
- Lastkreisspannung
- Usk
- Steuerkreisspannung
