DE102011083680B4 - Circuit breaker, circuit arrangement and method for regulating a voltage in a circuit breaker - Google Patents
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Abstract
Leistungsschalter mit einem Schaltkontakt und einer magnetischen Auslöseeinheit mit zwei Anschlüssen (10a, 10b), wobei die Auslöseeinheit bei Anlegen einer Spannung an die Anschlüsse (10a, 10b) den Schaltkontakt öffnet, und mit einem ersten Kondensator (16) zum Bereitstellen dieser Spannung und mit einem Signaleingang (20) zum Bewirken des Anliegens der durch den ersten Kondensator (16) bereitgestellten Spannung an den Anschlüssen (10a, 10b), und mit einer Elektronikeinheit zum Senden eines Signals an den Signaleingang (20), wobei die Elektronikeinheit mit einem zweiten Kondensator (44) gekoppelt ist, der zum Bereitstellen einer konstanten Gleichspannung für die Elektronikeinheit dient und vermittels eines Stromwandlers über einen Gleichrichter (32) und eine Diode (43) geladen wird, und mit einer Regeleinheit, die auf die an einem Abgriff (42a) an dem Gleichrichter abgreifbare Spannung (P_FET) regelt, wobei dieser Abgriff (42a) über eine Diode (46) in der Regeleinheit und eine RC-Kombination aus einem Widerstand (48) und einem Kondensator (50) mit Masse (GND) gekoppelt ist,dadurch gekennzeichnet, dass ein Regeleinheitsabgriff (60) zwischen der Diode (46) und der RC-Kombination (48, 50) über eine Koppeldiode (64) mit dem ersten Kondensator (16) gekoppelt ist.Circuit breaker with a switching contact and a magnetic tripping unit with two terminals (10a, 10b), the tripping unit opening the switching contact when a voltage is applied to the terminals (10a, 10b), and with a first capacitor (16) for providing this voltage and with a signal input (20) for causing the voltage provided by the first capacitor (16) to be applied to the terminals (10a, 10b), and having an electronics unit for sending a signal to the signal input (20), the electronics unit having a second capacitor (44), which is used to provide a constant DC voltage for the electronics unit and is charged by means of a current converter via a rectifier (32) and a diode (43), and with a control unit which responds to the one at a tap (42a). the rectifier controls the voltage (P_FET) that can be tapped, this tap (42a) via a diode (46) in the control unit and an RC combination Nation is coupled from a resistor (48) and a capacitor (50) to ground (GND), characterized in that a control unit tap (60) between the diode (46) and the RC combination (48, 50) via a coupling diode ( 64) is coupled to the first capacitor (16).
Description
Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Regeln der für eine Elektronikeinheit eines Leistungsschalters bereitgestellten Spannung mittels einer Regeleinheit.The invention relates to a circuit breaker according to the preamble of patent claim 1 and a circuit arrangement according to the preamble of patent claim 4. It also relates to a method for controlling the voltage provided for an electronic unit of a circuit breaker by means of a control unit.
Die Erfindung knüpft an die Schaltung für ein Netzteil zur Erzeugung einer Gleichspannung aus der
Bezüglich des zweiten Kondensators kann man eine Regeleinheit vorsehen, die für das Anliegen einer im Rahmen eines vorbestimmten Intervalls konstanten Spannung an ihm sorgt. Für den ersten Kondensator gibt es eine solche Regeleinheit nicht. Der erste Kondensator ist in herkömmlichen Leistungsschaltern zwar ebenfalls in irgendeiner Form mit der Induktionsspule und dem Gleichrichter gekoppelt, bleibt aber von der Regelung der Spannung am zweiten Kondensator unbeeinflusst. Bei einem Auslösen der Auslöseeinheit fällt somit die Spannung am ersten Kondensator stark ab, wird aber nach Beendigung des Auslösens nicht wieder ausreichend schnell hergestellt. So ist in den aktuellen Kompaktleistungsschaltern keine zusätzliche Überwachung der Auslösespannung vorgesehen.With regard to the second capacitor, a regulation unit can be provided which ensures that a constant voltage is applied to it within a predetermined interval. There is no such control unit for the first capacitor. Although the first capacitor is also coupled in some way to the induction coil and the rectifier in conventional circuit breakers, it remains unaffected by the regulation of the voltage across the second capacitor. When the tripping unit is tripped, the voltage across the first capacitor drops sharply, but is not restored quickly enough after the tripping has ended. In the current molded case circuit breakers, no additional monitoring of the tripping voltage is provided.
Die amerikanische Offenlegungsschrift
Die amerikanischen Offenlegungsschrift
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine größere Zuverlässigkeit eines Leistungsschalters der eingangs beschriebenen Gattung zu sorgen.It is an object of the present invention to provide greater reliability for a circuit breaker of the type described in the opening paragraph.
Die Aufgabe wird in einem Aspekt durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, in einem anderen Aspekt durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 4 und schließlich durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 gelöst.The object is achieved in one aspect by a circuit breaker having the features according to patent claim 1, in another aspect by a circuit arrangement having the features according to patent claim 4 and finally by a method according to patent claim 7.
Bei der Erfindung weist der Leistungsschalter eine Regeleinheit auf, die auf die an dem zweiten Kondensator anliegende Spannung regelt. Der zweite Kondensator ist in der Regeleinheit über eine Diode mit einer RC-Kombination gekoppelt, zum Beispiel über eine Diode und eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator mit Masse gekoppelt. Ein Regeleinheitsabgriff zwischen der Diode und der Schaltung mit dem Kondensator (also im Beispiel der Reihenschaltung) ist nun erfindungsgemäß über eine Koppeldiode mit dem ersten Kondensator gekoppelt.In the case of the invention, the circuit breaker has a control unit which controls the voltage present at the second capacitor. The second capacitor is coupled to an RC combination via a diode in the control unit, for example coupled to ground via a diode and a series combination of a resistor and a capacitor. A control unit tap between the diode and the circuit with the capacitor (ie in the example of the series circuit) is now inventively coupled to the first capacitor via a coupling diode.
Wir haben es vorliegend also mit zwei Dioden zu tun. Die Koppeldiode ist, wenn sie in Durchlassrichtung zwischen dem Abgriff und dem ersten Kondensator geschaltet ist, in der Lage, Ladung aus der RC-Kombination (insbesondere des darin enthaltenen Kondensators) in den ersten Kondensator fließen zu lassen. Durch die Koppeldiode wird bei der genannten Verschaltung die Schaltung aus der
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, der Ausführungsform mit der Regeleinheit, ist vorgesehen, dass der Abgriff einerseits über eine Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand und andererseits auch über eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen mit Masse gekoppelt ist, wobei ein weiterer Abgriff zwischen den Widerständen mit einem ersten Eingang eines Komparators gekoppelt ist, an dessen zweitem Eingang ein konstantes Potenzial anliegt, und dessen Ausgang mit dem Steuereingang bzw. dem Gate eines Transistors gekoppelt ist, über den die Induktionsspulen (Eisenkernwandler) kurzschließbar sind. Durch diese Maßnahme wird eine stabil laufende Regeleinheit geschaffen, wie sie an sich bekannt ist.In a preferred embodiment, the embodiment with the control unit, it is provided that the tap is coupled to ground on the one hand via a series connection of capacitor and resistor and on the other hand also via a series connection of two resistors, with a further tap between the resistors having a first input of a comparator, at whose second input there is a constant potential, and whose output is coupled to the control input or the gate of a transistor, via which the induction coils (iron core converters) can be short-circuited. This measure creates a stably running control unit, as is known per se.
Bevorzugt ist bei der Regeleinheit, gegebenenfalls nach Patentanspruch 2, auch vorgesehen, dass der Abgriff zwischen der RC-Kombination und der (ersten) Diode über eine weitere Koppeldiode mit dem zweiten Kondensator gekoppelt ist. Auf diese Weise ist ein Rückfluss von Ladung aus der Regeleinheit in den zweiten Kondensator in bestimmtem Maße ermöglicht, wenn die Koppeldiode in Durchlassrichtung von dem Abgriff zum zweiten Kondensator geschaltet ist; diese Maßnahme ist vorteilhaft, damit sehr schnell auf kurzfristige Schwankungen reagiert werden kann; auch hier ist es vorteilhaft, wenn die Entladezeit der RC-Kombination (sehr viel) kleiner als die Periodendauer des Primärstroms im Stromwandler ist.It is preferably also provided in the control unit, optionally according to patent claim 2, that the tap between the RC combination and the (first) diode is coupled to the second capacitor via a further coupling diode. In this way, a return flow of charge from the control unit into the second capacitor is made possible to a certain extent when the coupling diode is connected in the forward direction from the tap to the second capacitor; this measure is advantageous so that short-term fluctuations can be reacted to very quickly; Here, too, it is advantageous if the discharge time of the RC combination is (much) shorter than the period of the primary current in the current transformer.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung betrifft diejenigen Bauteile des erfindungsgemäßen Leistungsschalters, die auf einer Leiterplatte angeordnet sein können. Dem gemäß weist sie Anschlüsse für das Anschließen einer magnetischen Auslöseeinheit und einen diesen Anschlüssen zugeordneten ersten Kondensator auf, wobei hier der Mikrokontroller anschließbar wäre, und sie weist einen diesem Spannungsabgriff zugeordneten zweiten Kondensator auf. Außerdem umfasst sie die Regeleinheit auf der Leiterplatte. Erfindungsgemäß ist somit der Abgriffspunkt für den Stromwandler beziehungsweise den diesem nachgeordneten Gleichrichter über eine Diode und eine Koppeldiode mit dem ersten Kondensator gekoppelt, damit sich der Kondensator der RC-Kombination in den ersten Kondensator entladen kann.The circuit arrangement according to the invention relates to those components of the circuit breaker according to the invention that can be arranged on a printed circuit board. Accordingly, it has connections for connecting a magnetic tripping unit and a first capacitor assigned to these connections, in which case the microcontroller could be connected here, and it has a second capacitor assigned to this voltage tap. It also includes the control unit on the printed circuit board. According to the invention, the tapping point for the current converter or the rectifier arranged downstream of it is therefore coupled to the first capacitor via a diode and a coupling diode so that the capacitor of the RC combination can discharge into the first capacitor.
Auch die weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind die zum erfindungsgemäßen Leistungsschalter genannten.The other preferred embodiments are also those mentioned for the circuit breaker according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln der für eine Elektronikeinheit eines Leistungsschalters bereitgestellten Spannung mittels einer Regeleinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit auch dazu genutzt wird, die an einem Kondensator anliegende Spannung zu regeln, der zum Bereitstellen von elektrischem Strom für eine magnetische Auslöseeinheit des Leistungsschalters dient.The inventive method for controlling the voltage provided for an electronic unit of a circuit breaker by means a control unit is characterized in that the control unit is also used to control the voltage applied to a capacitor, which is used to provide electric current for a magnetic trip unit of the circuit breaker.
Hier wird durch das Verfahren wiedergegeben, dass ein und dieselbe Regeleinheit für gleich zwei Ziele genutzt werden kann, nämlich zum einen für das Regeln auf die Spannung des Kondensators zum Bereitstellen der Gleichspannung für die Elektronikeinheit einerseits und für das Regeln des weiteren Kondensators im Auslösekreis andererseits.Here, the method shows that one and the same control unit can be used for two purposes, namely for controlling the voltage of the capacitor for providing the DC voltage for the electronic unit on the one hand and for controlling the additional capacitor in the tripping circuit on the other.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in der die einzige
Ein Leistungsschalter soll vorliegend eine magnetische Auslöseeinheit für das Öffnen eines Schaltkontakts aufweisen, einen so genannten „Maglatch“. Der Maglatch wird über Anschlüsse 10a, 10b mit der Schaltungsanordnung gekoppelt. Die Anschlüsse 10a und 10b sind intern über eine Diode 12 miteinander gekoppelt. Der Anschluss 10a ist über eine Diode 14 mit einem Kondensator 16 derart gekoppelt, dass die Durchlassrichtung der Diode 14 ein Entladen des Kondensators 16 zum Anschluss 10a hin ermöglicht. Das Entladen erfolgt insbesondere dann, wenn ein Transistor 18, der als MOSFET ausgebildet ist, auf Durchlass geschaltet wird, also den Anschluss 10b mit der Masse „GND“ kurzschließt. Dies ist dann der Fall, wenn über einen Anschluss 20 ein entsprechendes Steuersignal an das Gate G des Transistors 18 angelegt wird. Widerstände 22, 24, 26 und der Kondensator 28 dienen der Stabilität der Schaltung.In the present case, a circuit breaker should have a magnetic tripping unit for opening a switching contact, a so-called “maglatch”. The maglatch is coupled to the circuit arrangement via
Das Signal am Eingang 20 wird in dem Leistungsschalter durch einen Mikrokontroller (der in der
Ein Abgriffspunkt 56 zwischen den beiden Widerständen 52 und 54 wird einem ersten Eingang E1 eines Komparators K zugeführt, dessen zweiter Eingang E2 mit einem Potenzial von 2,5 V gekoppelt ist. Der Ausgang A des Komparators K wird dem Gate G eines MOSFET-Transistors 58 zugeführt, der gegebenenfalls einen Kurzschluss zwischen dem Abgriffspunkt 42a und Masse „GND“ bewirkt.A
Vorliegend beträgt beispielsweise der Wert des Widerstands 52 47 kΩ und der Wert des Widerstands 54 13 kΩ. Dann liegt am Abgriffspunkt 56 genau dann ein Potenzial von größer als 2,5 V an, wenn das Potenzial P_FET zu weit über 12 V liegt, so dass ein Kurzschließen des Transistors 58 bewirkt wird und das Potenzial P_FET wieder verringert wird, indem der Kondensator 44 entladen wird, bis die Spannung von 12 V wieder den richtigen Wert erreicht. Umgekehrt steigt die Spannung am Kondensator 44 aufgrund der Zufuhr von Ladung aus dem Stromwandler dann beständig wieder an.In the present case, for example, the value of the resistor 52 is 47 kΩ and the value of the
Der Kondensator 50 soll vorliegend eine Kapazität von 470 nF haben, der Widerstand 48 einen Widerstandswert von 10 Ω. Die Entladezeit des Kondensators 50 ist daher wesentlich geringer als die des Kondensators 44, der eine Kapazität im Bereich von µF hat, zum Beispiel von 47 µF.In the present case, the
Auch der Kondensator 16 hat eine eher höhere Kapazität von beispielsweise 100 µF.The
Die Regelung auf das Potential P FET und damit indirekt die Spannung am Kondensator 44 wird nun vorliegend auch dazu genutzt, die Spannung am Kondensator 16 zu stabilisieren. Zu diesem Zweck ist der Abgriffspunkt 42a über eine Diode 59 mit dem positiven Pol des Kondensators 16 gekoppelt. Zu diesem Zweck ist ferner auch der Abgriffspunkt 60 zwischen der Diode 46 und der RC-Kombination, vorliegend der Reihenschaltung aus dem Widerstand 48 und dem Kondensator 50, über einen weiteren Widerstand 62 und eine Koppeldiode 64 mit dem positiven Pol des Kondensators 16 gekoppelt, so dass ein Entladestrom aus dem Kondensator 50 eine Schwankung in der Spannung am Kondensator 16 über das Netzteil ausgleichen kann. Das schnelle Entladen des Kondensators 50 über das angesteuerte Maglatch dient insbesondere zum schnellen Verringern der Spannung am Eingang E1 des Komparators K. Dadurch wird das Netzteil schneller in den Nachladezustand versetzt. Die Dioden 64 bzw. 66 haben den Zweck, bei einem schnellen Spannungsabfall (schneller als die Entladezeit des Kondensators 50 über die Widerstände 48, 52 und 54) an den Kondensatoren 44 und 16 die Entladezeit des Kondensators 50 zu verkürzen. Somit unterschreitet das Potential 56 das Referenzpotential P2V5 schneller und der Komparator K schaltet schneller in den Nachlademodus. Der Transistor 58 ist in diesem Zustand nicht leitend. Somit erfolgt eine Nachladung der Kondensatoren 44 und 16.The regulation to the potential P FET and thus indirectly the voltage across the
Neben der Koppeldiode 64 kann optional auch eine weitere Koppeldiode 66 vorgesehen sein, die den Abgriffspunkt 60 wieder mit dem Kondensator 44 bzw. dem Abgriffspunkt 42b koppelt. Auf diese Weise ist ein Rückfließen von Ladung aus dem Kondensator 50 in den Kondensator 44 ermöglicht, was insbesondere bei kurzfristigen Schwankungen in der Spannung am Kondensator 44 hilfreich ist, um für die weitgehende Konstanz der Spannung von 12 V am Abgriffspunkt 42b zu sorgen.In addition to the
Der an sich bekannte Auslösekreis mit dem ersten Kondensator 16 wird daher durch die Koppeldiode 64 mit der Regeleinheit aus den Elementen 46, 48, 50, 52, 54, K, und 58 gekoppelt und durch die Diode 59 unmittelbar mit dem Abgriffspunkt 42a gekoppelt, so dass zumindest indirekt neben der Regelung auf das Potenzial P FET auch auf die Spannung am Kondensator 16 geregelt wird.The trigger circuit, which is known per se, with the
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