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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung für einen Überspannungsschutz elektronischer Baugruppen.
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Für die Approbation von 24 VDC Baugruppen, die in der Automatisierungstechnik und insbesondere in der Sicherheitstechnik Verwendung finden, sind gemäß DIN EN 60950-1 Kapitel 2.2.2 zunehmend strengere Anforderungen an die Festigkeit gegen Überspannungen zu erfüllen.
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Ein entsprechend geeigneter Schutz vor Überspannungen, die über die 24 VDC Versorgungsanschlüsse in eine elektronische Baugruppe einkoppeln können, kann zum Beispiel durch ein Relais im Versorgungsstrompfad bereitgestellt werden, mit dem eine nachgeschaltete, zu schützende elektronische Baugruppe von den Versorgungsanschlüssen getrennt werden kann, sobald an den Versorgungsanschlüssen eine Überspannung auftritt.
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Innerhalb eines zulässigen Versorgungsspannungsbereichs zieht das Relais an, so dass eine nachfolgende Baugruppe mit Spannung versorgt wird. Der Ruhestrom zum Durchschalten des Relais wird über eine Schaltung aus dem Versorgungsstrompfad gewonnen.
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Eine solche Schaltung kann z.B. eine selbstrückstellende Sicherung und eine Überspannungsschutzdiode umfassen, die im Zusammenwirken einen Überspannungsdetektor bilden. Die Überspannungsschutzdiode ist parallel zur Relaisspule angeordnet, wobei die Ansprechspannung dieser Diode auf die maximal zulässige Versorgungsspannung ausgelegt ist. Die Sicherung bildet zusammen mit der Diode und der Relaisspule eine Reihenschaltung. Im Falle einer Überspannung wird durch den hohen Strom, der durch die durchgeschaltete Überspannungsschutzdiode fließt, die selbstrückstellende Sicherung ausgelöst. Das Relais wird von der Versorgung getrennt und fällt dem Ruhestromprinzip zufolge in seine Ruhelage zurück und unterbricht den Stromfluss in Richtung der nachgeschalteten elektronischen Baugruppe.
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Nachteilig am Stand der Technik ist, dass zum zuverlässigen Auslösen ein ausreichend hoher Strom durch die Sicherung fließen muss. Ein entsprechend hoher Stromfluss setzt einen niederohmigen Charakter der Überspannung voraus. Hochohmige Überspannungen können hingegen nicht zuverlässig erkannt werden, da ein Widerstand innerhalb des Versorgungskreises den Strom zum Auslösen der Sicherung derart begrenzen kann, dass die Auslöseschwelle der Sicherung nicht überschritten wird.
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Die US-Patentanmeldung
US 2004/0184208 A1 betrifft eine Stromschutzvorrichtung zum Überwachen und Schützen einer elektrischen Stromquelle und einer Last, welche eine Stromüberwachungsschaltung zum Überwachen der Stromquelle und zum Senden eines Signals an eine zentrale Verarbeitungseinheit umfasst. Eine Stromfehlererkennungsschaltung erkennt ein Überspannungssignal und ein Unterspannungssignal sendet dieses an die zentrale Verarbeitungseinheit, während eine Lastfehlererkennungsschaltung ein Überstromsignal und ein Überleistungssignal erkennt und an die zentrale Verarbeitungseinheit sendet. Die Leistungsschutzvorrichtung umfasst auch eine Einschaltverzögerungs-Steuerschaltung zum Verzögern der Leistungszufuhr zu der Last.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 36 00 735 A1 offenbart eine Leiterplattenanordnung mit mindestens einer darauf angeordneten Schaltung. Bei der Leiterplattenanordnung sollen Ein- und/oder Ausgänge von elektrostatisch gefährdeten Schaltungen mit möglichst geringem Aufwand gegen Entladungen statischer Energie geschützt werden. Dazu werden Widerstände und Funkenstrecken zwischen Teilleitern verwendet. Die geometrischen Abmessungen der Leiterelemente und Widerstände sind so bemessen, dass sie eine größere Überschlagsspannung als die Funkenstrecke aufweisen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für einen Überspannungsschutz bereitzustellen, mit der auch hochohmige Überspannungen zuverlässig ermittelt und abgeschaltet werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung eine Schaltungsvorrichtung für einen Überspannungsschutz elektronischer Baugruppen vor, die wenigstens eine Schalteinrichtung, einen Spannungswandler, einen Spannungseingang und einen Spannungsausgang umfasst, wobei der Spannungseingang und der Spannungsausgang über die wenigstens eine Schalteinrichtung schaltbar miteinander verbunden sind.
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Die Schaltungsvorrichtung umfasst ferner eine Messschaltung zum Erfassen einer Spannung am Spannungseingang und eine Steuerungseinrichtung. Die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, die wenigstens eine Schalteinrichtung in Abhängigkeit der mit der Messschaltung erfassten Spannung derart anzusteuern, dass bei einer Überspannung am Spannungseingang der Spannungsausgang mittels der wenigstens einen Schalteinrichtung vom Spannungseingang getrennt wird.
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Die Steuerungseinrichtung ist über einen Spannungswandler derart mit dem Spannungseingang verbunden, dass auch bei einer Überspannung eine Spannungsversorgung für die Steuerungseinrichtung gewährleistet ist.
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Ein wesentlicher Vorteil einer Schaltungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist, dass die Steuerungseinrichtung hinter einem Spannungswandler geschützt angeordnet ist, der einen weiten Eingangsspannungsbereich besitzt. Der maximal zulässige Eingangsspannungsbereich des Wandlers beträgt ein Mehrfaches einer maximal zulässigen Versorgungsspannung einer zu schützenden elektronischen Baugruppe.
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Im Überspannungsfall, d.h. wenn der zulässige Bereich für die Versorgungsspannung überschritten ist, wird somit weiterhin eine Funktionsfähigkeit der Schaltungsvorrichtung für einen Überspannungsschutz elektronischer Baugruppen gewährleistet.
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Die Spannungsfestigkeit der Schaltungsvorrichtung, d.h. der Spannungsbereich, indem ein Überspannungsschutz zuverlässig bereitsteht, ist nur durch den Eingangsspannungsbereich des Spannungswandlers nach oben begrenzt.
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Die Messschaltung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung kann einen Messstrompfad mit wenigstens einem Messkanal besitzen, wobei jedem Messkanal bevorzugt jeweils ein Pegelschalter zugeordnet sein kann.
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Die Pegelschalter sind bevorzugt dazu ausgebildet, das Überschreiten eines vorbestimmten Spannungspegels zu erkennen und über eine zugeordnete Signalleitung an die Steuerungseinrichtung zu signalisieren.
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Jedem Messkanal kann ein Schaltelement zugeordnet sein, das von der Steuerungseinrichtung ansteuerbar ist und das zum Testen der Messschaltung ausgebildet ist.
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Der Pegelschalter kann beispielsweise einen Komparator umfassen, der mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist. Alternativ kann der Pegelschalter einen Transistor umfassen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann der Pegelschalter einen ersten Optokoppler und das Schaltelement einen zweiten Optokoppler umfassen.
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Die Optokoppler ermöglichen eine galvanische Trennung zwischen der Messschaltung und der mit dieser in Verbindung stehenden Steuerungseinrichtung. Des Weiteren wird der Pegelschalter im Wesentlichen durch eine Leuchtdiode des ersten Optokopplers gebildet, so dass ein zusätzlicher Komparator nicht erforderlich ist.
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Der Messstrompfad kann einen Messkanal besitzen, der eine Reihenschaltung aus einer Z-Diode, einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand umfasst. Der erste Optokoppler ist bevorzugt zum zweiten Widerstand parallel geschaltet.
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Die Z-Diode ist im Messkanal vorzugsweise in Sperrrichtung geschaltet, so dass für einen Stromfluss durch den Messstrompfad ein vorbestimmter Spannungswert überschritten werden muss. Der erste und zweite Widerstand bilden einen Spannungsteiler, der derart dimensioniert ist, dass beim Erreichen einer Überspannung an der Leuchtdiode eine zum Durchschalten ausreichende Vorwärtsspannung anliegt.
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Der zweite Optokoppler ist zur Z-Diode bevorzugt parallel geschaltet, so dass diese, durch die Steuerungsvorrichtung, z.B. mittels eines Testsignals angesteuert, zum Testen der Messschaltung überbrückbar ist.
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Mit dem Überbrücken der Z-Diode wird die durch die Dimensionierung des Messkanals vorgegebene Schaltschwelle abgesenkt, so dass der Pegelschalter bzw. der erste Optokoppler auch bei einer zulässigen Versorgungsspannung an den Spannungseingängen auslösen kann. Im Falle einer funktionsfähigen Messschaltung empfängt die Steuerungseinrichtung auf das ausgesendete Testsignal ein resultierendes Feedback-Signal.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann der Messstrompfad eine Anzahl aus wenigstens zwei in Reihe geschalteter Messkanäle umfassen. Jeder Messkanal umfasst bevorzugt eine Reihenschaltung aus einer Z-Diode, einen ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand. Der erste Optokoppler eines jeweiligen Messkanals ist jeweils bevorzugt zum zweiten Widerstand des Messkanals parallel geschaltet.
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Der zweite Optokoppler kann zum zugeordneten Messkanal parallel geschaltet sein, so dass der jeweilige Messkanal zum Testen der Messschaltung überbrückbar ist.
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Die Messschaltung kann in einer alternativen Ausführung der Erfindung einen Spannungsteiler und einen Digital/AnalogWandler zum Messen und Digitalisieren einer Spannung am Spannungseingang umfassen. Die Steuerungseinrichtung kann eine Einrichtung zum Vergleichen des digitalisierten Spannungswerts mit einem zulässigen Grenzwert umfassen.
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Die Erfindung umfasst auch ein Überspannungsschutzmodul, das eine der zuvor beschriebenen Schaltungsvorrichtungen umfasst, dass zum Anschließen einer nachgeschalteten elektronische Baugruppe geeignet ist. Ein solches Modul ist insbesondere zur Nachrüstung eines Überspannungsschutzes für bestehende Baugruppen geeignet. Der Spannungsausgang der Schaltungsvorrichtung ist bevorzugt mit einem Eingang einer zu schützenden elektronischen Baugruppe verbindbar. Der Spannungseingang ist an eine Versorgungsspannungsquelle anschließbar.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung kann auch als ein Bestandteil einer elektronischen Baugruppe verwendet werden, wobei diese bevorzugt unmittelbar am Eingang einer solchen Baugruppe anzuordnen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- 1: ein Blockschaltbild einer Schaltungsvorrichtung für einen Überspannungsschutz elektronischer Baugruppen;
- 2: eine testbare Messschaltung zur Detektion von Überspannungen am Spannungseingang einer Schaltungsvorrichtung gemäß 1;
- 3: eine testbare Messschaltung zur Messen einer am Spannungseingang anliegenden Spannung;
- 4: eine alternative Messschaltung zur Detektion von Überspannungen am Spannungseingang der Schaltungsvorrichtung gemäß 1;
- 5: eine erste bevorzugte Ausführung einer Messschaltung zur Detektion von Überspannungen am Spannungseingang, mit einem testbaren Pegelschalter und einer galvanische Trennung zur Steuerungseinrichtung;
- 6: eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Messschaltung zur Detektion von Überspannungen.
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Die 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung, mit der elektronische Baugruppen vor Überspannungen geschützt werden können, die ggf. über ihre Versorgungsspannungseingänge einkoppeln können.
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Die elektronischen Baugruppen in der Automatisierungs- bzw. Sicherheitstechnik sind in der Regel auf eine Nennspannung von 24 VDC ausgelegt, wobei ein Versorgungsspannungsbereich zwischen 18 VDC und 32 VDC (inklusive Welligkeiten und aller Toleranzen) in der Regel zulässig ist.
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Wird der obere Grenzwert (z.B. 32 VDC) eines zulässigen Versorgungsspannungsbereichs überschritten, so liegt eine Überspannung vor, die ggf. auch zu einer Zerstörung einer nachgeschalteten elektronischen Baugruppe führen kann.
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Die in der 1 dargestellte Schaltungsvorrichtung weist eingangsseitig zwei Spannungsanschlüsse, und zwar einen Spannungseingang 1 und einen Bezugspotentialanschluss 3, auf, an die eine Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen werden kann. Zwischen diesen Spannungsanschlüssen kann zum Beispiel eine Nennspannung von 24 VDC bereitgestellt werden, wobei der Bezugspotentialanschluss 3 das Bezugspotential (GND) führt. Die Schaltungsvorrichtung umfasst ausgangsseitig wiederum zwei weitere Spannungsanschlüsse, und zwar einen Spannungsausgang 2 und einen Bezugspotentialanschluss 4, an die eine jeweilige gegen Überspannungen zu schützende elektronische Baugruppe anschließbar ist.
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Der ausgangsseitige Bezugspotentialanschluss 4 ist beispielhaft mit dem eingangsseitigen Bezugspotentialanschluss 3 fest verbunden, während der Spannungsausgang 2 im dargestellten Beispiel zweckmäßig über zwei in Reihe geschaltete Schalteinrichtungen 30 und 31 von der Spannung am Spannungseingang 1 trennbar ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung kann sowohl ein Bestandteil einer elektronischen Baugruppe sein, als auch in einem separaten Überspannungsmodul eingesetzt werden, an das eine elektronische Baugruppe angeschlossen werden kann.
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Mit den zweckmäßig zwei in Reihe geschalteten Schalteinrichtungen 30 und 31 kann auch die Anforderung der Sicherheitstechnik an eine mehrkanalige Ausführung sicherheitsrelevanter Funktionen, d.h. einer sicheren Trennung der beiden Spannungsanschlüsse des Spannungseingangs 1 und des Spannungsausgangs 2 gewährleistet werden. Die Schaltungsvorrichtung kann selbstverständlich auch mit einem einkanalig abschaltbaren Versorgungspfad zwischen dem Spannungseingang 1 und dem Spannungsausgang 2 realisiert werden. Optional können die Schalteinrichtungen 30, 31 auch zweipolig ausgeführt sein, den Bezugsziffern 521 bis 523, 531 bis 533, 541 bis 544, 551 bis 554 bzw. 561 bis 568 gekennzeichnet.
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Wie aus den weiteren Figuren deutlich werden wird, kann die Messschaltung 40 von der Steuerungseinrichtung 50 über die Leitungen 5 zyklisch auf ihre Funktionsfähigkeit hin getestet werden. Somit ist ein zuverlässiges Trennen der nachgeschalteten elektronischen Baugruppen von einer Überspannung jederzeit gewährleistet. Wird eine Fehlfunktion in der Messschaltung 40 erkannt, so wird der Spannungsausgang 2 über die Schalteinrichtungen 30 bzw. 31 von dem Spannungseingang 1 getrennt. Ein von der Steuerungseinrichtung 50 erkannter Fehler kann somit zumindest im Wege der Abschaltung einer nachgeschalteten elektronischen Baugruppe signalisiert werden.
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Die Logik der Steuerungseinrichtung 50 kann je nach Ausführung der Schaltungsvorrichtung ein- oder mehrkanalig ausgeführt werden, um eine entsprechende Anzahl von Schalteinrichtungen redundant anzusteuern. Optional können auch mehrere parallele Messschaltungen 40 zur Überwachung der Versorgungsspannung vorgesehen werden, um die Redundanz und Sicherheit der Schaltungsvorrichtung weiter zu erhöhen.
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Optional können an der Steuerungseinrichtung 50 sichere Logikeingänge 51 und Logikausgänge 52 vorgesehen sein, mit denen Sicherheitsfunktionen wie NOT-AUS-Applikationen zu ermöglichen sind.
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Die Messschaltung 40 zur Überwachung der Eingangsspannung kann, wie in den folgenden Figuren deutlich werden wird, je nach Anforderung mit oder ohne eine galvanische Trennung zwischen Steuerungseinrichtung 50 und dem Spannungseingang 1 und dem eingangsseitigen Bezugspotentialanschluss 3 ausgeführt werden. Die Messschaltung 40 kann eine testbare Pegelerkennungsschaltung 42, 44, 45 oder 46 oder eine Spannungsmesseinrichtung 43 beinhalten.
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In 2 ist eine erste Pegelerkennungsschaltung 42 dargestellt, die als Messschaltung 40 verwendbar ist. Mit dieser Schaltung ist eine Überspannung zwischen den beiden Spannungsanschlüssen des Spannungseingangs 1 und des Bezugspotentialanschlusses 3 erkennbar. Die Pegelerkennungsschaltung 42 umfasst einen Spannungsteiler mit einem ersten Widerstand 420 und einem zweiten Widerstand 421, eine Referenzspannungsquelle 422 sowie einen Komparator 423. Der nicht invertierende Eingang des Komparators 423 ist mit dem Spannungsteiler verbunden, an dem invertierenden Eingang liegt die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 422 an.
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Der Spannungsteiler ist derart dimensioniert, dass beim Auftreten einer Überspannung zwischen dem Spannungseingang 1 und dem Bezugspotentialanschluss 3 eine Spannung an dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 423 abfällt, die größer ist, als die Referenzspannung URef, die von der Referenzspannungsquelle 422 bereitgestellt wird. In diesem Fall wird über eine Signalleitung 522 am Ausgang des Komparators 423 ein Signal an die Steuerungseinrichtung 50 gesendet.
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Der Spannungsteiler ist bevorzugt hochohmig ausgelegt, um eine Überlastung der Spannungsversorgungseinrichtung an den Spannungsanschlüssen des Spannungseingangs 1 und des Bezugspotentialanschlusses 3 insbesondere im Falle einer Überspannung zu vermeiden.
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Die Pegelerkennungsschaltung 42 umfasst ferner einen durch die Steuerungseinrichtung 50 ansteuerbaren Transistor 424 als Schaltelement, der zum Testen der Überspannungserkennung dient. Der Transistor 424 ist zum ersten Widerstand 420 parallel geschaltet, mit dem der Spannungsteiler derart verstimmbar ist, dass die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Komparators 423 innerhalb einer zulässigen Versorgungsspannung die Referenzspannung überschreitet. Der Transistor 424 kann dazu innerhalb eines Testzyklus von der Steuerungseinrichtung 50 über die Steuerleitung 521 angesteuert werden. Sofern die Pegelerkennungsschaltung 42 ordnungsgemäß arbeitet, wird über die als Messleitung ausgebildete Signalleitung 522 ein entsprechendes Antwort- bzw. Feedback-Signal aus dem Komparator 423 von der Steuerungseinrichtung 50 empfangen. Um den Spannungsabfall an dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 423 bei einem durchgestalteten Transistor 424 zu begrenzen, kann ein weiterer Widerstand zu dem Transistor 424 in Reihe geschaltet werden.
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Die 3 zeigt eine Spannungsmesseinrichtung 43, die eine Alternative zur Pegelerkennungsschaltung 42 darstellt. Mit dieser Spannungsmesseinrichtung 43 kann die an dem Spannungseingang 1 und dem eingangsseitigen Bezugspotentialanschluss 3 anliegende Versorgungsspannung gemessen werden. Ein in 3 durch die Reihenschaltung eines ersten Widerstands 430 und eines zweiten Widerstands 431 gezeigter hochohmiger Spannungsteiler 430 und 431, der parallel zu dem Versorgungsstrompfad der Schaltungsvorrichtung geschaltet ist, steht mit einem Analog/Digital-Wandler 432 in Verbindung. Der über den Spannungsteiler geteilte Versorgungsspannungswert wird von dem Analog/Digital-Wandler 432 digitalisiert und über eine parallele oder serielle Verbindung 532 an die Logik der Steuerungseinrichtung 50 übertragen. Der digitalisierte Spannungswert wird mit einem Grenzwert verglichen, so dass einen Überspannung zwischen dem Spannungseingang 1 und dem eingangsseitigen Bezugspotentialanschluss 3 in der Logik der Steuerungseinrichtung 50 erkannt wird. Mit dem Transistor 433 als Schaltelement, der zum ersten Widerstand 430 parallel geschaltet ist, kann der Spannungsteiler derart verstimmt werden, dass die Steuerungseinrichtung 50 aus der Veränderung des abgetasteten Spannungswertes auf die Funktionsfähigkeit bzw. auf eine Fehlfunktion in der Spannungsmesseinrichtung 43 schließen kann. Der Transistor 433 kann alternativ auch parallel zum zweiten Widerstand 431 angeordnet sein, um den Spannungsteiler in geeigneter Weise zu verstimmen.
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Eine alternative Pegelerkennungsschaltung 44 zur Erkennung einer Überspannung ist in der 4 dargestellt. Diese umfasst, wie die zuvor erläuterte Pegelerkennungsschaltung 42 einen Spannungsteiler mit den Widerständen 440 und 441. Ein Vergleichsschaltkreis wird durch den Transistor 443 eines Pegelschalters mit dem Kollektor-Widerstand 442 und dem Emitter-Widerstand 444 gebildet.
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Der Spannungsteiler ist z.B. derart dimensioniert, dass bei dem Überschreiten einer maximal zulässigen Versorgungsspannung von 32 V die Durchlassspannung am Basis-Emitter-Übergang überschritten wird. Der Transistor 443 schaltet durch, so dass ein entsprechender Pegelwechsel auf der Leitung 543 eine Überspannung an die Steuerungseinrichtung 50 signalisiert.
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Über den als Schaltelement verwendeten Transistor 445 kann die als Messschaltung 40 verwendete Pegelerkennungsschaltung 44 durch die gesteuerte Veränderung des Teilerverhältnisses zyklisch getestet werden.
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In den 5 und 6 sind zwei bevorzugte Ausführungen einer Pegelerkennungsschaltung 45 bzw. 46 dargestellt, die zur Steuerungseinrichtung 50 eine vollständige galvanische Trennung aufweist und sich durch einen schaltungstechnisch effizienten Aufbau auszeichnet.
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Die testbare Pegelerkennungsschaltung 45, die in der 5 dargestellt ist, stellt einen vorzugsweise hochohmigen Messstrompfad bereit, der parallel zu dem schaltbaren Hauptstrompfad der Schaltungsvorrichtung angeordnet ist. Der Messstrompfad zwischen dem Spannungseingang 1 und dem eingangsseitigen Bezugspotentialanschluss 3 umfasst eine Z-Diode 452 sowie einen Spannungsteiler aus wenigstens zwei Widerständen 450 und 451. Zu dem zweiten Widerstand 451 ist die Leuchtdiode 4531 eines ersten Optokopplers 453 eines Pegelschalters parallel geschaltet. Die Z-Diode besitzt beispielsweise eine Z-Spannung von 30 V.
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Sofern sich die zwischen dem Spannungseingang 1 und dem Bezugspotentialanschluss 3 anliegende Versorgungsspannung im Bereich der Nennspannung von 24 VDC befindet, d.h. mit einer Abweichung bis +6 V, sperrt die Z-Diode, so dass kein Strom durch den Messstrompfad fließt. Somit tritt kein messbares Ereignis auf.
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Überschreitet die zwischen dem Spannungseingang 1 und dem Bezugspotentialanschluss 3 anliegende Versorgungsspannung die Z-Spannung von 30 V, so leitet der Messstrompfad, wobei der resultierende Stromfluss durch die zwei in Reihe geschalteten Widerstände 450 und 451 begrenzt wird. über die beiden Widerstände 450 und 451 fällt die anliegende Versorgungsspannung abzüglich den 30 V ab, die an der Z-Diode 452 abfallen. Die Widerstände 450 und 451 bilden einen Spannungsteiler, der zweckmäßig so dimensioniert ist, dass bei einer Versorgungsspannung über 32 V an dem zweiten Widerstand 451 eine Spannung abfällt, die der Durchlassspannung der Leuchtdiode 4531 des Optokopplers 453 entspricht. Mit dem Übergang in den Durchlassbereich erkennt und signalisiert die Leuchtdiode 4531 das Vorliegen einer Überspannung.
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Mit dem Überschreiten der maximalen Versorgungsspannung von 32 V wird also die Schaltschwelle des Optokopplers 453 erreicht, so dass die Überspannung über den Fototransistor 4532 und die Signalleitungen 553 und 554 an die Steuerungseinrichtung 50 übermittelt wird. Mit dem Fototransistor 4542 des zweiten Optokopplers 454 kann die Z-Diode 452 zum Testen der Pegelerkennungsschaltung 45 überbrückt werden. Die Leuchtdiode 4541 im Eingang des zweiten Optokopplers 454 wird von der Steuerungseinrichtung 50 über die Steuerleitungen 551 und 552 angesteuert. In einem Testzyklus wird der Messstrompfad mit dem Überbrücken der Z-Diode 452 auch im Nennspannungsbereich leitend, so dass ein resultierender Spannungsabfall an dem ersten Widerstand 450 den Wert der Durchlassspannung der Leichtdiode 4531 des ersten Optokopplers 453 überschreitet. Die Steuerungseinrichtung 50 empfängt daraufhin ein erwartetes Signal aus dem ersten Optokoppler 453, sofern die dargestellte Pegelerkennungsschaltung 45 funktionsfähig ist.
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Die in der 5 dargestellte Pegelerkennungsschaltung 45 zeichnet sich wie bereits erwähnt insbesondere durch eine vollständige galvanische Trennung zwischen dem Messstrompfad und der Steuerungseinrichtung 50 aus. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Schaltung ist, dass die Schwellwerterkennung zur Detektion einer Überspannung durch ein schaltungstechnisches Zusammenwirken von Z-Diode 452, dem Spannungsteiler 450 und 451 sowie der Leuchtdiode 4531 des Optokopplers 453 bereitgestellt wird. Eine zusätzliche Komparatorschaltung inklusive einer ggf. notwendigen Spannungsversorgung ist nicht erforderlich.
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In der 6 ist eine alternative bzw. weitergebildete Ausführung einer zweikanaligen Pegelerkennungsschaltung 46 dargestellt, die ebenfalls eine vollständige galvanische Trennung zur Steuerungseinrichtung 50 aufweist.
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Die zweikanalige testbare Pegelerkennungsschaltung 46 stellt einen vorzugsweise hochohmigen Messstrompfad bereit, der parallel zu dem schaltbaren Hauptstrompfad der Schaltungsvorrichtung angeordnet ist. Dieser Messstrompfad umfasst einen ersten und einen zweiten Messkanal, wobei jeder Kanal jeweils eine Z-Diode 4612 bzw. 4622 und einen Spannungsteiler aus einem ersten Widerstand 4610 bzw. 4620 und einem zweiten Widerstand 4611 bzw. 4621 besitzt. Zum zweiten Widerstand des jeweiligen Messkanals ist jeweils eine Leuchtdiode 4631 bzw. 4641 eines ersten Optokopplers 463 bzw. 464 eines Pegelschalters parallel geschaltet. Die Leuchtdiode besitzt jeweils eine Durchlassspannung von z.B. 1,1 V. Die Z-Dioden 4612 und 4622 beider Messkanäle besitzen jeweils eine Z-Spannung von beispielsweise 14 V.
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Die beiden Messkanäle sind jeweils über einen schaltbaren Fototransistor 4652 bzw. 4662 eines zweiten Optokopplers 465 bzw. 466 eines Schaltelements zum Testen der Pegelerkennungsschaltung 46 überbrückbar.
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Ein Messstrompfad kann auch mehr als die zwei dargestellten Messkanäle besitzen, wobei die Dimensionierung der Z-Dioden entsprechend an die Anzahl der Kanäle angepasst sein muss.
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Wenn sich die an dem Spannungseingang 1 und dem Bezugspotentialanschluss 3 anliegende Versorgungsspannung im Bereich der Nennspannung von 24 VDC befindet, fließt kein Strom durch den Messstrompfad der Pegelerkennungsschaltung 46. Überschreitet die Versorgungsspannung die Summe der Z-Spannungen beider Z-Dioden 4612 und 4622, d.h. beispielsweise einen Wert von 28 V, so wird der Messstrompfad leitend. Der Messstrompfad ist insbesondere im Hinblick auf große Überspannungen z.B. von bis zu 120 V hochohmig ausgelegt, um den Stromfluss und die thermische Belastung zu begrenzen und eine entsprechende Spannungsfestigkeit zu gewährleisten. Zur Strombegrenzung kann auch ein Widerstand 467 am Ausgang des Messstrompfads vorgesehen sein. Das dargestellte Widerstandsnetzwerk ist so dimensioniert, dass spätestens beim Erreichen der maximal zulässigen Versorgungsspannung von 32 V die Optokoppler 463 und 464, d.h. ihre integrierten Leuchtdioden 4631 und 4641 durchgeschaltet sind. Über die Signalleitungspaare 563, 564 sowie 567 und 568 ist eine Überspannungssituation an die Steuerungseinrichtung 50 zweikanalig signalisierbar.
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Die beiden beispielhaften Messkanäle umfassen jeweils einen zweiten Optokoppler 465 und 466, die eine Testbarkeit der Pegelerkennungsschaltung 46 ermöglichen. Durch ein Testsignal von der Steuerungseinrichtung 50 angesteuert, wird jeweils einer der beiden Optokoppler 465, 466 aktiviert, so dass der korrespondierende Messkanal überbrückt ist. Eine Versorgungsspannung im Bereich der Nennspannung von 24 V überschreitet die Z-Spannung der Z-Diode des verbleibenden, d.h. nicht überbrückten Messkanals, so dass diese durchschaltet. Die Durchlassspannung der jeweiligen Leuchtdiode im Optokoppler des verbleibenden Messkanals wird ebenfalls überschritten, so dass der Optokoppler aktiviert wird. Die Steuerungseinrichtung 50 empfängt, unter Voraussetzung einer funktionsfähigen Pegelerkennungsschaltung 46, jeweils ein Feedback-Signal über den jeweils nicht überbrückten Messkanal. Vorzugsweise werden die Messkanäle zyklisch alternierend getestet. Bleib ein Feedback Signal auf ein gesendetes Testsignal aus, so kann die Steuerungseinrichtung 50 auf eine Fehlfunktion innerhalb der Pegelerkennungsschaltung 46 schließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannungseingang
- 2
- Spannungsausgang
- 3
- Bezugspotentialanschluss
- 30
- Schalteinrichtung
- 31
- Schalteinrichtung
- 4
- Bezugspotentialanschluss
- 40
- Messschaltung
- 42
- Pegelerkennungsschaltung
- 420
- erster Widerstand
- 421
- zweiter Widerstand
- 422
- Referenzspannungsquelle
- 423
- Komparator
- 424
- Transistor
- 43
- Spannungsmesseinrichtung
- 430
- erster Widerstand eines Spannungsteilers
- 431
- zweiter Widerstand eines Spannungsteilers
- 432
- Analog/Digital-Wandler
- 433
- Transistor
- 44
- Pegelerkennungsschaltung
- 440
- erster Widerstand eines Spannungsteilers
- 441
- zweiter Widerstand eines Spannungsteilers
- 442
- Kollektor-Widerstand
- 443
- Transistor
- 444
- Emitter-Widerstand
- 445
- Transistor
- 45
- Pegelerkennungsschaltung
- 450
- erster Widerstand
- 451
- zweiter Widerstand
- 452
- Z-Diode
- 453
- erster Optokoppler
- 4531
- Leuchtdiode des ersten Optokopplers
- 4532
- Fototransistor des ersten Optokopplers
- 454
- zweiter Optokoppler
- 4541
- Leuchtdiode des zweiten Optokopplers
- 4542
- Fototransistor des zweiten Optokopplers
- 46
- Pegelerkennungsschaltung
- 4610
- erster Widerstand (1. Kanal)
- 4611
- zweiter Widerstand (1. Kanal)
- 4612
- Z-Diode (1. Kanal)
- 4620
- erster Widerstand (2. Kanal)
- 4621
- zweiter Widerstand (2. Kanal)
- 4622
- Z-Diode (2. Kanal)
- 463
- erster Optokoppler (1. Kanal)
- 4631
- Leuchtdiode des ersten Optokopplers
- 4632
- Fototransistor des ersten Optokopplers
- 465
- zweiter Optokoppler (1. Kanal)
- 4651
- Leuchtdiode des zweiten Optokopplers
- 4652
- Fototransistor des zweiten Optokopplers
- 464
- erster Optokoppler (2. Kanal)
- 4641
- Leuchtdiode des ersten Optokopplers
- 4642
- Fototransistor des ersten Optokopplers
- 466
- zweiter Optokoppler (2. Kanal)
- 4661
- Leuchtdiode des zweiten Optokopplers
- 4662
- Fototransistor des zweiten Optokopplers
- 467
- Widerstand
- 5
- Leitungen
- 50
- Steuerungseinrichtung
- 51
- Logikeingänge
- 52
- Logikausgänge
- 521
- Steuerleitung
- 522
- Signalleitung
- 523
- Leitung (Bezugspotential)
- 531
- Steuerleitung
- 532
- serielle/parallele Verbindungsleitung
- 533
- Leitung (Bezugspotential)
- 541
- Signalleitung
- 542
- Leitung (Versorgungsspannung)
- 543
- Signalleitung
- 544
- Leitung (Bezugspotential)
- 551
- Steuerleitung
- 552
- Steuerleitung
- 553
- Signalleitung
- 554
- Signalleitung
- 561
- Steuerleitung (1. Kanal)
- 562
- Steuerleitung (1. Kanal)
- 563
- Signalleitung (1. Kanal)
- 564
- Signalleitung (1. Kanal)
- 565
- Steuerleitung (2. Kanal)
- 566
- Steuerleitung (2. Kanal)
- 567
- Signalleitung (2. Kanal)
- 568
- Signalleitung (2. Kanal)
- 60
- Spannungswandler
- 61
- Ausgangsspannungsanschluss
- 62
- Bezugsspannungsanschluss
