DE102014104837B3

DE102014104837B3 - Elektronische Schaltvorrichtung und elektronisches Schaltverfahren

Info

Publication number: DE102014104837B3
Application number: DE102014104837.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmitt; Kai Heinemann
Original assignee: Block Transformatoren Elektronik GmbH
Current assignee: Block Transformatoren Elektronik GmbH
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2034-04-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltvorrichtung und ein entsprechendes elektronisches Schaltverfahren, die die Realisierung zusätzlicher Funktionalitäten auf einfache Weise ermöglichen. Dazu wird eine elektronische Schaltvorrichtung vorgeschlagen mit mindestens zwei miteinander gekoppelten Schalteinheiten (1, 2, 3; 1, 2', 3') mit jeweils einem Leistungseingang (10, 20, 30) zum Anschließen einer elektrischen Spannung oder eines Stroms, einem Leistungsausgang (11, 21, 31) zum Anschließen einer Last, einer steuerbaren Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang, einem Kopplungseingang (13, 23, 33) und einem Kopplungsausgang (14, 24, 34), wobei der Kopplungsausgang (14, 24) einer Schalteinheit (1, 2) mit dem Kopplungseingang (23, 33) der nachfolgenden Schalteinheit (2, 3) gekoppelt ist, und einer Steuereinheit (15, 25, 35) zur Steuerung des Kopplungsausgangs derart, dass die Steuereinheit (15, 25, 35) ein Einschaltsignal an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) anlegt, wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) ein Einschaltsignal anliegt, und dass die Steuereinheit (15, 25, 35) das Einschaltsignal von dem Kopplungsausgang (14, 24, 34) entfernt oder ein Ausschaltsignal an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) anlegt, wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere das Ausschaltsignal anliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltvorrichtung mit mindestens zwei miteinander gekoppelten Schalteinheiten. Die Erfindung betrifft ferner ein Schaltverfahren für eine solche elektronische Schaltvorrichtung. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung im Bereich von Sicherungsvorrichtungen und Schutzschaltern.
Elektronische Leitungsschutzschalter werden meist nicht einzeln in einer Anlage eingesetzt, sondern es werden mehrere eingesetzt, um mehrere Stromkreise unabhängig voneinander abzusichern. Daher werden am Markt zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze angeboten, nämlich Geräte, die entweder mehrere Schutzschalter zusammenfassen (die einzelnen Schutzschalter werden dann üblicherweise als ”Kanal” bezeichnet) oder Einzelgeräte mit nur einem Kanal.
Generell funktionieren die Kanäle unabhängig voneinander, da die wesentliche Funktionalität darin besteht, den eigenen Ausgangsstrom zu überwachen und gegebenenfalls zu begrenzen oder abzuschalten. Es gibt aber auch Betriebszustände, in denen es vorteilhaft oder sogar notwendig ist, die Kanäle abhängig voneinander zu betreiben, z. B. beim Zuschalten der Versorgungsspannung: die Kanäle werden nacheinander zugeschaltet, damit Einschaltströme nacheinander und nicht gleichzeitig auftreten (Sequenzierung), oder beim Unterschreiten der minimal zulässigen Eingangsspannung wegen Überlast: alle Kanäle werden kurz abgeschaltet, bis sich die Eingangsspannung erholt hat; danach werde alle Kanäle wieder eingeschaltet, bis auf die Kanäle, die zum Zeitpunkt des Abschaltens Überstrom geführt haben.
Diese Funktionen sind einfach umzusetzen, wenn die Kanäle alle in einem Gerät zusammengefasst sind und von einer gemeinsamen Steuerung (z. B. Mikrocontroller) angesteuert werden. Falls hingegen Einzelgeräte eingesetzt werden, sind diese Funktionen nicht möglich, da die Geräte unabhängig agieren und ”nichts voneinander wissen”.
Eine weitere wünschenswerte Funktionalität ist die Fernsteuerung und Ferndiagnose der einzelnen Kanäle durch eine weitere, übergeordnete Steuerung, z. B. durch eine SPS. Denkbare Funktionen dabei sind Abfrage Kanal ein/aus/Überstrom/Fehler, Abfrage von Istdaten wie Eingangsspannung und Kanal-Ausgangsstrom, Einschalten und Ausschalten von Kanälen und Parametrieren von Nennströmen und Kennlinien. Auch diese Funktionen sind einfach in einem Mehrkanalgerät umzusetzen, aber bei Einkanalgeräten nicht ohne weiteres möglich.
DE 100 45 651 A1 beschreibt ein Sicherheitsschaltgerät zum Ein- und sicheren Ausschalten eines elektrischen Verbrauchers abhängig von einem Schaltereignis eines Sicherheitsgebers mit zumindest einem Schaltelement. Es umfasst einen Koppelsignal-Eingang und einen Koppelsignal-Ausgang, wobei ein Koppelsignal dem Koppelsignal-Ausgang zugeführt wird, wenn ein Schaltereignis eintritt, und das Schaltelement betätigt wird, wenn ein Koppelsignal dem Koppelsignal-Eingang zugeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung mehrerer der genannten Sicherheitsschaltgeräte.
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DE 103 52 286 A1 beschreibt ein elektrisches/elektronisches Steuersystem, welches aus mehreren, über eine Datenleitung und zwei Versorgungsleitungen miteinander in Verbindung stehenden Aktoren versehen ist, welchen, ausgehend von einem Steuermodul zur funktionsgerechten Beeinflussung, ein Datenstrom zugeführt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltvorrichtung mit mindestens zwei miteinander gekoppelten, als Einkanalgeräte ausgestaltete Schalteinheiten sowie ein Schaltverfahren für eine solche elektronische Schaltvorrichtung zu schaffen, die eine Umsetzung der oben genannten Funktionalitäten auf einfache Weise ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektronische Schaltvorrichtung mit mindestens zwei miteinander gekoppelten Schalteinheiten mit jeweils:

– einem Leistungseingang zum Anschließen einer elektrischen Spannung oder eines Stroms,
– einem Leistungsausgang zum Anschließen einer Last,
– einer steuerbaren Leistungsschalteinrichtung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang,
– einem Kopplungseingang und einem Kopplungsausgang, wobei der Kopplungsausgang einer Schalteinheit mit dem Kopplungseingang der nachfolgenden Schalteinheit gekoppelt ist,
– einer Strommesseinrichtung zur Messung des zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließenden Stroms, nachdem die Leistungsschalteinrichtung den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbunden hat, und
– einer Steuereinheit zur Steuerung des Kopplungsausgangs derart, dass die Steuereinheit ein Einschaltsignal an den Kopplungsausgang anlegt, wenn an dem

Die Erfindung wird erfindungsgemäß ferner gelöst durch ein elektronisches Schaltverfahren für eine solche elektronische Schaltvorrichtung, wobei das Schaltverfahren die Schritte aufweist:

i) Prüfen, ob an dem Kopplungseingang ein Einschaltsignal anliegt,
ii) Messung des zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließenden Stroms, nachdem der Leistungseingang und der Leistungsausgang verbunden sind,
iii) Anlegen eines Einschaltsignals an den Kopplungsausgang, wenn an dem Kopplungseingang ein Einschaltsignal anliegt, wobei das Einschaltsignal erst dann an den Kopplungsausgang angelegt wird, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Schwellstrom unterschreitet,
iv) Entfernen des Einschaltsignals von dem Kopplungsausgang oder Anlegen eines Ausschaltsignals an den Kopplungsausgang, wenn an dem Kopplungseingang das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere ein Ausschaltsignal anliegt.

Eine naheliegende Lösung zur Umsetzung der oben genannten Funktionalitäten Sequenzierung, Unterspannungsabschaltung und Fernsteuerung in Einkanalgeräten (Schalteinheiten) ist ein Master/Slave-Bussystem, das alle Geräte miteinander verbindet. Die genannten Funktionen werden in einem Master-Gerät zusammengefasst und umgesetzt, indem es die einzelnen Einkanalgeräte als Slaves steuert. Daraus ergibt sich allerdings ein Problem, da die Slave-Geräte als Busteilnehmer nicht nur eindeutige Kennungen (z. B. Bus-Adressen) besitzen müssen, sondern auch für den Erbauer oder Betreiber der Anlage erkennbar sein muss, welcher Kanal mit welcher Adresse angesprochen wird, also welcher Kanal mit welcher Adresse wo im Schaltschrank eingebaut ist. Nur dadurch ist es möglich, die Kanäle sinnvoll zu sequenzieren und fernzusteuern. Diese Identifizierung der Kanäle und die Zuordnung von eindeutigen Busadressen zu Einbau-Positionen werden üblicherweise durch den Inbetriebnehmer manuell durchgeführt. Dies kann z. B. über eine Konfigurations-Software geschehen und/oder über Tastenbetätigungen an den Master- und Slave-Geräten. Wenn Geräte getauscht oder hinzugefügt werden, müssen diese Schritte erneut durchgeführt werden. Die genannte, naheliegende Lösung hat zusammengefasst die wesentlichen Nachteile, dass zwingend ein (ggf. zusätzliches) Master-Gerät erforderlich ist und die Zuordnung von eindeutigen Bus-Adressen zu Einbauorten (Positionen) manuell erfolgen muss.
Zur Realisierung der gewünschten Funktionen ist stattdessen erfindungsgemäß eine Kopplung der in Reihe nacheinander angeordneten und gekoppelten Schalteinheiten mittels jeweils eines zusätzlichen Kopplungseingangs und eines Kopplungsausgangs je Schalteinheit vorgesehen, wobei der Kopplungseingang einer Schalteinheit jeweils mit dem Kopplungseingang der nachfolgenden Schalteinheit nach Art einer „daisy chain” gekoppelt ist, z. B. galvanisch, optisch, elektromagnetisch, per Funk, um die Übertragung von Einschalt- und/oder Ausschaltsignalen zwischen den Schalteinheiten zu ermöglichen. Es ist erfindungsgemäß also eine Verbindung vorgesehen, die von Schalteinheit zu Schalteinheit geführt ist, jedoch nicht direkt, wie bei bekannten Bussystemen durchverbunden ist.
Mittels einer einfachen Prüfung der einzelnen Schalteinheiten, ob an ihrem Kopplungseingang ein Einschaltsignal anliegt, kann die Schalteinheit dann jeweils entscheiden, ob sie die nachfolgende Schalteinheit einschaltet (was manchmal auch als „freischalten” bezeichnet wird), indem sie an ihrem Kopplungsausgang ein Einschaltsignal anlegt, das dann wiederum von der nachfolgenden Schalteinheit an ihrem Kopplungseingang detektiert wird. In gleicher Weise kann auch ein „Abschalten” der Schalteinheiten erfolgen, indem nämlich eine Schalteinheit an ihrem Kopplungsausgang ein Ausschaltsignal anlegt oder das Einschaltsignal dort nicht mehr anlegt, was von der nachfolgenden Schalteinheit an ihrem Kopplungseingang detektiert wird und zum Anlass genommen werden kann, dass sich die Schalteinheit abschaltet. Dadurch kann auf einfache und automatische Weise ein sequentielles Einschalten bzw. Abschalten aller Schalteinheiten erfolgen. Dies ist sowohl in einer Architektur mit Kommunikationsbus als auch in einer Architektur ohne Kommunikationsbus möglich.
Die Prüfung, ob an dem Kopplungseingang ein Einschaltsignal anliegt, ist grundsätzlich ausreichend für ein sequentielles Ein- bzw. Ausschalten der Schalteinheiten. In weiteren, nachfolgend noch näher erläuterten Ausgestaltungen werden eine oder mehrere Bedingungen geprüft, die erfüllt sein müssen, bevor ein Einschalten oder Ausschalten einer Schalteinheit erfolgt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit zur Steuerung der Leistungsschalteinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Leistungsschalteinrichtung den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbindet, wenn an dem Kopplungseingang das Einschaltsignal anliegt. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich somit auf einfache Weise ein Ein- und Abschalten der Leistung einzelner oder aller Schalteinheiten realisieren.
Erfindungsgemäß weist die elektronische Schaltvorrichtung eine Strommesseinrichtung zur Messung des zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließenden Stroms, nachdem die Leistungsschalteinrichtung den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbunden hat, auf, wobei die Steuereinheit an den Kopplungsaus-gang erst dann das Einschaltsignal anlegt, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Schwellstrom unterschreitet. Dadurch kann eine Überlastung und mögliche Beschädigung der externen, am Leistungseingang angeschlossenen Leistungsversorgung verhindert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit spätestens nach Ablauf einer vorbestimmten Maximalzeitdauer, etwa im Bereich von 1 s bis 10 s, z. B. 5 s oder 10 s, für die das Einschaltsignal an dem Kopplungseingang anliegt, an den Kopplungsausgang das Einschaltsignal anlegt. Dadurch kann erreicht, dass nachfolgende Schalteinheiten eingeschaltet werden, auch wenn eine Schalteinheit möglicherweise ein Problem aufweist und ggf. kein Einschaltsignal an ihrem Kopplungseingang anlegen kann. Wenn beispielsweise die erste Schalteinheit defekt ist, die anderen Schalteinheiten aber trotzdem seriell eingeschaltet werden sollen, kann dadurch bewirkt werden, dass sich die zweite Schalteinheit nach Ablauf der vorbestimmten Maximalzeitdauer einschaltet und an ihren Kopplungsausgang das Einschaltsignal anlegt, damit sich die nachfolgenden Schalteinheiten ebenfalls der Reihe nach einschalten können.
Das Einschaltsignal kann auf unterschiedliche Arten erzeugt werden bzw. unterschiedliche Parameter können als Einschaltsignal interpretiert werden. Bevorzugt weist das Einschaltsignal ein vorbestimmtes Potential, eine vorbestimmte Stromstärke, eine vorbestimmte Frequenz und/oder einen vorbestimmten Logikpegel auf, anhand derer die Steuereinheit erkennt, ob das Einschaltsignal an dem Kopplungseingang anliegt.
Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgestaltet zu prüfen, ob das Einschaltsignal an dem Kopplungseingang für eine Mindestzeitdauer anliegt, und legt erst nach Ablauf der Mindestdauer (etwa im Bereich von 25 ms bis 1 s, z. B. 50 ms, 100 ms oder 250 ms) das Einschaltsignal an den Kopplungsausgang an. Dieses zeitverzögerte Einschalten erhöht die Sicherheit, dass nicht unbeabsichtigt eine Schalteinheit eingeschaltet wird, etwa aufgrund eines kurzeitig (fälschlicherweise) anliegenden Einschaltsignals an ihrem Kopplungseingang oder aufgrund einer Fehldetektion. Bevorzugt ist in einer Ausgestaltung ferner vorgesehen, dass das Einschaltsignal an den Kopplungsausgang grundsätzlich erst nach Ablauf der Mindestzeitdauer aber spätestens nach Ablauf der Maximalzeitdauer angelegt wird, es sei denn, der gemessene Strom unterschreitet früher den vorbestimmten Schwellstrom, wie oben beschrieben.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, das an den Kopplungseingängen und an den Kopplungsausgängen ein erstes Potential, insbesondere ein Ruhepotential, anliegt, bevor die Steuereinheiten prüfen, ob an den Kopplungseingängen ein von dem ersten Potential verschiedenes zweites Potential, insbesondere ein über dem Ruhepotential liegendes Betriebspotential, anliegt. Die Realisierung des Einschaltsignals (und vorteilhafterweise auch des Ausschaltsignals) anhand von Potentialen lässt sich besonders einfach realisieren und stellt quasi eine Steuerung über verschiedene Logikpegel dar.
Analog zur Einschaltsteuerung ist bevorzugt auch eine Ausschaltsteuerung vorgesehen, wonach die Steuereinheit zur Steuerung der Leistungsschalteinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Leistungsschalteinrichtung den Leistungseingang vom Leistungsausgang trennt, wenn an dem Kopplungseingang das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere das Ausschaltsignal anliegt.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Leistungsschalteinrichtung den Leistungseingang vom Leistungsausgang trennt und die Steuereinheit das Einschaltsignal von dem Kopplungsausgang entfernt oder ein Ausschaltsignal an den Kopplungsausgang anlegt, wenn die an dem Leistungseingang anliegende Spannung eine untere Schwelle unterschreitet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist dabei ferner die Steuereinheit so ausgestaltet, dass nach einer Trennung des Leistungseingangs vom Leistungsausgang die Leistungsschalteinrichtung derart gesteuert wird, dass sie den Leistungseingang und den Leistungsausgang wieder verbindet, wenn an dem Kopplungseingang wieder das Einschaltsignal anliegt und wenn der Ausgangsstrom an dem Leistungsausgang vor der Trennung von dem Leistungseingang unterhalb eines oberen Schwellwertstroms lag. Dadurch wird gewährleistet, dass nur die vor dem Abschalten eingeschalteten Schalteinheiten wieder eingeschaltet werden und eventuell absichtlich abgeschaltete (z. B. weil sie vor dem Abschalten Überstrom geliefert hatten) oder defekte Schalteinheiten nicht irrtümlich wieder eingeschaltet werden.
Wie oben erwähnt, kann die Kopplung der Schalteinheiten auf unterschiedliche Weise erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Schalteinheiten jeweils eine von der Steuereinheit steuerbare, an den Kopplungsausgang angeschlossene Ausgangsschalteinheit auf zum schaltbaren Anlegen des Einschaltsignals, insbesondere eines ersten Potentials, an den Kopplungsausgang. Statt der Verwendung von Potentialen ist einer anderen Ausgestaltung vorgesehen, dass die Schalteinheiten jeweils eine an den Kopplungseingang angeschlossene optische Empfangseinheit und eine an den Kopplungsausgang angeschlossene optische Sendeeinheit zur optischen Kopplung der Schalteinheiten aufweisen, wofür keine galvanische oder auch keine mechanische Verbindung zwischen den Schalteinheiten erforderlich ist.
Zur Steuerung ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Steuereinheit der ersten Schalteinheit als Mastersteuereinheit die Steuereinheiten der anderen Schalteinheiten steuert. Die erste Schalteinheit kann sich in dieser Ausgestaltung also als zum Master erklären und Steuerungsaufgaben zur Steuerung der anderen Schalteinheiten übernehmen. Alternativ ist eine separate Mastersteuereinheit zur Steuerung der Steuereinheiten der Schalteinheiten vorgesehen. Bevorzugt weist die elektronische Schaltvorrichtung einen Kommunikationsbus auf, an den die Schalteinheiten angeschlossen sind. Dieser Bus kann beispielsweise dazu genutzt werden, den Schalteinheiten Adressen zuzuweisen oder die Schalteinheiten durch eine übergeordnete Steuerung zu steuern und anzusprechen. Die Mastersteuereinheit ist dabei bevorzugt ausgestaltet, über den Kommunikationsbus einer Schalteinheit, die noch keine Adresse oder Position aufweist, eine Adresse oder Position zuzuweisen. Die (von der ersten Schalteinheit gebildete oder externe) Mastersteuereinheit kann beispielsweise die Adressierung der Schalteinheiten vornehmen.
Ferner ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass erst dann das Einschaltsignal an den Kopplungsausgang angelegt wird und/oder der Leistungseingang mit dem Leistungsausgang verbunden wird, wenn die Schalteinheit eine zugewiesene Adresse oder Position aufweist. Die Adressierung erfolgt dabei bevorzugt über den Bus, während die Freigabe der Schalteinheiten, die das Ein- und Ausschalten der Leistung auslöst, über die Kopplungseingänge und Kopplungsausgänge erfolgt. Das Einschalten des Leistungsausgangs ist grundsätzlich zunächst von der Adresszuweisung unabhängig. Es kann, beispielsweise nachdem Schalteinheiten adressiert sind, ein sequentielles Zuschalten, wie oben beschrieben, erfolgen. Die Kopplung mittels der Kopplungseingänge und -ausgänge wird dabei dann nur zum Adressieren verwendet, die Sequenzierung erfolgt dabei dann über das Bussystem.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Schalteinheiten zum Empfang von Melde- und/oder Rücksetzsignalen, insbesondere über den Kommunikationsbus oder über separate Melde- und/oder Rücksetzkontakte, und zur Weitergabe von Melde- und/oder Rücksetzsignalen an andere Schalteinheiten über den Kommunikationsbus ausgestaltet sind. Die ansonsten für diese Funktionalität erforderliche elektrische Verbindung der Melde- und/oder Rücksetzkontakte der einzelnen Schalteinheiten kann somit entfallen.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuereinheit zur Steuerung der Leistungsschalteinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Leistungsschalteinrichtung den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbindet oder den Leistungseingang von dem Leistungsausgang trennt, wenn sie über den Kommunikationsbus ein entsprechendes Steuersignal erhält. Das Einschalten der Leistung auf den Leistungsausgang kann also entweder, wie oben beschrieben, über nacheinander erfolgende Einschalten der Schalteinheiten mittels der Kopplungseingänge und Kopplungsausgänge erfolgen, oder über den Kommunikationsbus getrennt davon. Im letzteren Fall kann auch der Zeitpunkt des Einschaltens der Leistung an den einzelnen Schalteinheiten individuell gewählt werden. Beispielsweise kann das Einschalten an einzelnen oder allen Schalteinheiten erst dann erfolgen, wenn bereits alle Schalteinheiten nach dem oben beschriebenen Verfahren eingeschaltet wurden, also ein Einschaltsignal an ihren Kopplungsausgängen angelegt wurde.
Ferner weist in einer weiteren Ausgestaltung die Schaltvorrichtung eine Strommesseinrichtung auf zur Messung des zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließenden Stroms, nachdem die Leistungsschalteinrichtung den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbunden hat, wobei die Steuereinheit an den Kopplungsausgang erst dann das Einschaltsignal anlegt und/oder die nachfolgende Schalteinheit ein Steuersignal erhält, den Leistungsausgang mit dem Leistungseingang zu verbinden, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Schwellstrom unterschreitet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit so ausgestaltet ist, dass nach einer Trennung des Leistungseingangs und des Leistungsausgangs die Leistungsschalteinrichtung derart gesteuert wird, dass sie den Leistungseingang und den Leistungsausgang wieder verbindet, wenn einerseits an dem Kopplungseingang wieder das Einschaltsignal anliegt oder sie über den Kommunikationsbus ein entsprechendes Steuersignal erhält und wenn andererseits der Ausgangsstrom an dem Leistungsausgang vor der Trennung von dem Leistungseingang unterhalb eines oberen Schwellwertstroms lag.
Bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass die Steuereinheiten ausgestaltet sind, beim Einschalten der elektronischen Schaltvorrichtung an die Kopplungsausgänge zunächst ein Ausschaltsignal anzulegen und dann zu prüfen, ob an den Kopplungseingängen ein Einschaltsignal anliegt, wobei die Steuereinheit der ersten Schalteinheit ein Einschaltsignal an ihren Kopplungsausgang anlegt (und sich ggf. zur Mastersteuereinheit erklärt), wenn diese Prüfung ergibt, dass an ihrem Kopplungseingang ein Einschaltsignal oder kein Ausschaltsignal anliegt. Auf diese Weise kann also die erste Schalteinheit einfach erkennen, ob sie die erste Schalteinheit in der Kette von gekoppelten Schalteinheiten ist.
Grundsätzlich können die Schalteinheiten ein- oder mehrkanalig ausgestaltet sein, wobei die Anzahl der Kanäle pro Schalteinheit in einer Schaltvorrichtung auch unterschiedlich sein kann. In einer Ausgestaltung ist beispielsweise vorgesehen, dass mindestens eine Schalteinheit mindestens zwei Leistungseingänge, mindestens zwei Leistungsausgänge und mindestens zwei steuerbare Leistungsschalteinrichtungen aufweist. Die zwei oder mehr Kanäle einer Schalteinheit lassen sich dann beispielsweise über den Kopplungseingang und den Kopplungsausgang zusammen ein- und ausschalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung ohne Bus,
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung mit Bus,
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung mit Bus,
4 eine vierte, nur teilweise gezeigt Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung,
5 eine fünfte, nur teilweise gezeigt Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung,
6 ein Flussdiagramm einer erstens Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltverfahrens,
7 ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltverfahrens zur Identifizierung und Adressierung,
8 ein Flussdiagramm einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltverfahrens zur Sequenzierung,
9 ein Flussdiagramm einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltverfahrens zur Unterspannungsabschaltung, und
10 eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung mit mehrkanaligen Schalteinheiten.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung 100 ohne Kommunikationsbus. Die Schaltvorrichtung 100 weist in diesem Beispiel drei (im Allgemeinen mindestens zwei) Schalteinheiten 1, 2, 3 auf, die grundsätzlich dazu vorgesehen sind, eine an einem Leistungseingang 10, 20, 30 anliegende Leistung (etwa eine an einem Leistungsbus 110 bereit gestellte Spannung oder ein Strom) an eine an einem Leistungsausgang 11, 21, 31 angeschlossene Last (nicht gezeigt) über eine steuerbare Leistungsschalteinrichtung 12, 22, 32 zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang zu übertragen. Die Schalteinheiten 1, 2, 3 können darüber hinaus weitere (auch unterschiedliche) Funktionen aufweisen, etwa eine Sicherungsfunktion, Filterfunktion, Transformatorfunktion, Netzteilfunktion, etc., was für die vorliegende Erfindung aber von keiner besonderen Bedeutung ist.
Die Schalteinheiten 1, 2, 3 sind erfindungsgemäß in Serie miteinander gekoppelt und weisen dazu jeweils einen Kopplungseingang 13, 23, 33 und einen Kopplungsausgang 14, 24, 34 auf. Zur Kopplung ist jeweils der Kopplungsausgang einer Schalteinheit mit dem Kopplungseingang der nachfolgenden Schalteinheit gekoppelt ist. Vorliegend ist der Kopplungsausgang 14 der Schalteinheit 1 mit dem Kopplungseingang 23 der Schalteinheit 2 gekoppelt und der Kopplungsausgang 24 der Schalteinheit 2 ist mit dem Kopplungseingang 33 der Schalteinheit 3 gekoppelt. Die Realisierung dieser Kopplung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, etwa galvanisch durch eine Drahtverbindung, durch mechanische Kontaktierung, durch optische Kopplung, durch elektromagnetische Kopplung, durch Funkkopplung, etc. Eine solche Kopplung wird auch als daisy chain bezeichnet. Besonders einfach kann eine solche Kopplung etwa umgesetzt werden, wenn alle Busteilnehmer unmittelbar nebeneinander montiert sind und seitlich (bevorzugt automatisch, also ohne zusätzlichen Montageaufwand) ineinander greifende Klemmen aufweisen.
Ferner weisen die Schalteinheiten 1, 2, 3 jeweils eine Steuereinheit 15, 25, 35 auf zur Steuerung des Kopplungsausgangs 14, 24, 34. Eine wesentliche Steuerung erfolgt dabei derart, dass die Steuereinheit 15, 25, 35 ein Einschaltsignal an den Kopplungsausgang 14, 24, 34 anlegt, wenn an dem Kopplungseingang 13, 23, 33 ein Einschaltsignal anliegt, und dass die Steuereinheit 15, 25, 35 das Einschaltsignal von dem Kopplungsausgang 14, 24, 34 entfernt oder ein Ausschaltsignal an den Kopplungsausgang 14, 24, 34 anlegt, wenn an dem Kopplungseingang 13, 23, 33 das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere das Ausschaltsignal anliegt. Dazu wird erreicht, dass sich die Schalteinheiten 1, 2, 3 nacheinander selbst ein- und ausschalten können, ohne dass sie, etwa von einer übergeordneten Steuerung, gesondert angesprochen werden müssen und ohne dass sie etwa vorab alle gesondert identifiziert und adressiert werden müssen.
Ein Flussdiagramm eines solchen Einschalt- bzw. Ausschaltverfahrens 600, das von einer solchen Schaltvorrichtung 100 durchgeführt werden kann ist in 6 gezeigt. Die Schalteinheiten 1, 2, 3 führen dabei jeweils die folgenden Schritte aus, wobei die Schritte zunächst anhand der ersten Schalteinheit 1 erläutert werden sollen. In einem ersten Schritt 601 prüft die Schalteinheit 1, ob an ihrem Kopplungseingang 13 ein Einschaltsignal bzw. kein Ausschaltsignal anliegt. Wenn dies der Fall ist, steuert die Steuereinheit 15 im nächsten Schritt 602 den Kopplungsausgang 14 so an, dass dort ein Einschaltsignal anliegt. Wenn an dem Kopplungseingang 13 das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere ein Ausschaltsignal anliegt, steuert die Steuereinheit 15 im nächsten Schritt 603 den Kopplungsausgang 14 so an, dass dort das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere eine Ausschaltsignal anliegt. Im Anschluss an die Schritte 602 und 603 wird in Schritt 604 geprüft, ob ein Abbruchkriterium erfüllt ist, um das Verfahren im positiven Fall zu beenden oder im negativen Fall in Schritt 601 fortzufahren.
Das Abbruchkriterium ist grundsätzlich, dass alle Schalteinheiten eingeschaltet sind, dass also die letzte Schalteinheit 3 erreicht und eingeschaltet wurde. Die einzelnen Schalteinheiten müssen dies nicht unbedingt detektieren können. In einer Ausgestaltung ist dazu ein Mechanismus vorgesehen, mit dem die letzte Schalteinheit erkennt, dass sie die letzte Schalteinheit einer Reihe ist, z. B. über die Stromaufnahme einer Schalteinheit an ihrem Kopplungsausgang oder dergleichen. Ein anderes Abbruchkriterium kann beispielsweise sein, dass eine Schalteinheit abgeschaltet und entfernt wird, dass eine Fehlermeldung vorliegt, die ein Gerät also fehlerhaft signalisiert, etc.
Dieses Verfahren führen bevorzugt alle Schalteinheiten 1, 2, 3 durch. Im Anfangszustand liegt grundsätzlich kein Einschaltsignal an den Kopplungseingängen 13, 23, 33 und an den Kopplungsausgängen an 14, 24, 34 an. Wenn die Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, wird an den Kopplungseingang 13 der ersten Schalteinheit 1 entweder ein Einschaltsignal angelegt bzw. ist automatisch dort anliegend. Diese Schalteinheit detektiert, wenn sie das oben beschriebene Schaltverfahren durchführt, je nach konkreter Ausgestaltung entweder, ob dieses Einschaltsignal an ihrem Kopplungseingang 13 oder ob kein Ausschaltsignal anliegt. Wenn dies der Fall ist, legt sie entsprechend das Einschaltsignal an ihren Kopplungsausgang 14 an. Die zweite Schalteinheit 2 detektiert dieses Einschaltsignal dann wiederum an ihrem Kopplungseingang 23 und legt entsprechend das Einschaltsignal an ihren Kopplungsausgang 24. Dieses wird dann wiederum von der dritten Schalteinheit 3 an ihrem Kopplungseingang 33 detektiert, die entsprechend das Einschaltsignal an ihren Kopplungsausgang 34 legt. Da dies die letzte Schalteinheit 3 der in Reihe gekoppelten Schalteinheiten 1, 2, 3 ist, sind somit alle Schalteinheiten 1, 2, 3 automatisch sequentiell auf einfache Weise eingeschaltet, wozu von außen nur an den Kopplungseingang der ersten Schalteinheit 1 ein Einschaltsignal angelegt werden musste. Das Einschaltsignal kann dabei grundsätzlich ein dauerhaft anliegendes Signal oder auch ein nur kurzzeitig anliegender Einschaltimpuls sein.
Ein sequentielles Ausschalten erfolgt grundsätzlich auf die gleiche Weise. Dabei wird in Schritt 601 geprüft, ob das Einschaltsignal (noch) bzw. ob ein Ausschaltsignal an dem Kopplungseingang der jeweiligen Schalteinheit anliegt (wobei ein fehlendes Anliegen des Einschaltsignals auch als „Ausschaltsignal” verstanden werden kann). Wenn das Einschaltsignal nicht mehr anliegt bzw. ein Ausschaltsignal an dem Kopplungseingang anliegt, wird in Schritt 602 das Einschaltsignal auch von dem Kopplungsausgang der Schalteinheit entfernt bzw. das Ausschaltsignal an den Kopplungsausgang angelegt, was dann von der nachfolgenden Schalteinheit detektiert werden kann. Wenn dagegen das Einschaltsignal noch anliegt bzw. kein Ausschaltsignal an dem Kopplungseingang anliegt, wird in Schritt 603 nichts verändert. Auf diese Weise können die Schalteinheiten 1, 2, 3 sequentiell auf einfache Weise ausgeschaltet werden, indem lediglich an der ersten Schalteinheit das Einschaltsignal von deren Kopplungseingang entfernt wird bzw. dort ein Ausschaltsignal angelegt wird.
In der gezeigten Ausführungsform weisen die Schalteinheiten 1, 2, 3 jeweils auch eine Strommesseinrichtung 16, 26, 36 auf, die den Strom in der Verbindungsleitung zwischen Leistungseingang 10, 20, 30 und Leistungsausgang 11, 21, 31 messen. Diese Information kann in den Steuereinheiten 15, 25, 35 vorteilhaft dazu genutzt werden, den Zeitpunkt des Ein- und/oder Ausschaltens der jeweiligen nachfolgenden Leistungsschalteinrichtung 12, 22, 32 zu steuern. Ferner sind die Steuereinheiten 15, 25, 35 bevorzugt mit Bezugspotentialeingängen 17, 27, 37 an eine Bezugspotentialleitung 120 angeschlossen.
Das Einschaltsignal und das ggf. verwendete Ausschaltsignal können grundsätzlich auf verschiedene Arten realisiert sein bzw. unterschiedliche Parameter oder Parameterwerte können als Einschaltsignal bzw. Ausschaltsignal interpretiert werden. Beispielsweise können digitale Signal (z. B. mit logischen Werten 1 und 0) verwendet werden. Alternativ kann ein vorbestimmtes Potential, eine vorbestimmte Stromstärke, ein vorhandenes oder fehlendes optisches Signal, eine vorbestimmte Frequenz oder eine (oder mehrere) sonstige Eigenschaft(en) eines analogen oder digitalen Signals dazu verwendet werden.
Bevor ein Einschalten der Schalteinheiten 1, 2, 3 erfolgt, liegt beispielsweise an den Kopplungseingängen 13, 23, 33 und an den Kopplungsausgängen 14, 24, 34 ein erstes Potential, insbesondere ein Ruhepotential, an. Zum Einschalten wird dann an den Kopplungseingang 13 der ersten Steuereinheit 1 ein zweites Potential, insbesondere ein über dem Ruhepotential liegendes Betriebspotential, angelegt. Die Steuereinheiten 15, 25, 35 prüfen in diesem Fall, ob an den Kopplungseingängen 13, 23, 33 das zweite Potential anliegt, um zu entscheiden, ob sich die Schalteinheiten nacheinander einschalten sollen oder nicht.
Analog prüft die Steuereinheit 15, 25, 35 zum Ausschalten der Schalteinheiten 1, 2, 3, ob das an dem Kopplungseingang 13, 23, 33 anliegende Potential um einen vorbestimmten Wert von dem zweiten Potential abweicht, insbesondere ein unteres Schwellwertpotential unterschreitet.
Bevorzugt legt die Steuereinheit 15, 25, 35 erst dann an den Kopplungsausgang 14, 24, 34 das Einschaltsignal, wenn der mittels der Strommesseinrichtung 16, 26, 36 gemessene Strom einen vorbestimmten Schwellstrom unterschreitet. Um ein Einschalten aller Schalteinheiten 1, 2, 3 auf jeden Fall sicherzustellen, ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass spätestens nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer an den Kopplungsausgang 14, 24, 34 das Einschaltsignal angelegt wird, selbst wenn der Schwellstrom nicht unterschritten wurde.
Ferner ist die Steuereinheit 15, 25, 35 bevorzugt ausgestaltet zu prüfen, ob das Einschaltsignal an dem Kopplungseingang 13, 23, 33 für eine Mindestzeitdauer anliegt, und erst nach Ablauf der Mindestdauer das Einschaltsignal an den Kopplungsausgang 14, 24, 34 anzulegen.
Abgesehen von einem seriellen Ein- und Ausschalten der Schalteinheiten kann die vorliegende Erfindung auch dazu benutzt werden, das Ein- und Ausschalten der Leistungsschalteinrichtung 12, 22, 32 zu steuern. Die Steuereinheit 15, 25, 35 steuert dazu die Leistungsschalteinrichtung 12, 22, 32 derart, dass sie den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbindet, wenn an dem Kopplungseingang 13, 23, 33 das Einschaltsignal anliegt. Ebenso kann die Leistungsschalteinrichtung 12, 22, 32 geöffnet wird, wenn an dem Kopplungseingang 13, 23, 33 das Ausschaltsignal anliegt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung 200, die grundsätzlich identisch aufgebaut ist wie die Schaltvorrichtung 100. Die Schalteinheiten 1, 2, 3 weisen hier aber zusätzlich Busanschlüsse 18, 28, 38 auf zum Anschluss der Steuereinheiten 15, 25, 35 an einen Kommunikationsbus 130. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, ist hier die erste Schalteinheit 1 in der Lage, sich als Master zu erklären und die anderen Schalteinheiten über den Bus 130 z. B. zu identifizieren und ihnen Adressen zuzuweisen.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung 300, die grundsätzlich identisch aufgebaut ist wie die Schaltvorrichtung 200. Zusätzlich zu den (hier beispielhaft nur zwei) Schalteinheiten 1, 2 weist die Schaltvorrichtung 300 zusätzlich ein separates Mastergerät 4 auf zur Erfüllung von Master-Funktionalitäten. Das Mastergerät weist dazu einen Busanschluss 48, mit dem es an den Bus 130 angeschlossen ist, und einen Bezugspotentialeingang 47, mit dem es an eine Bezugspotentialleitung 120 angeschlossen ist. Ferner sind ein Steuersignaleingang 43, ein Kopplungsausgang 44 und ein Steuereinheit 45 vorgesehen, die grundsätzlich die gleiche Funktionsweise haben, wie die entsprechenden Elemente der ersten Schalteinheit 1 der im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Schaltvorrichtungen 100, 200. Die Schalteinheiten 1, 2 werden also beispielsweise eingeschaltet, indem ein Einschaltsignal an den Signaleingang 43 des Mastergeräts 4 angelegt wird. Der Signaleingang 43 ist dabei z. B. an ein weiteres Bussystem oder mit einer übergeordneten Steuerung verbunden, die die Schalteinheiten im Zusammenhang mit dem gesamten Verfahren überwacht und steuert.
Ein Schaltverfahren 700 zur automatischen positionsabhängigen Identifizierung und Adressierung bei einer solchen elektrischen Schaltvorrichtung 200 oder 300 mit einem Bus lässt sich, wie in 7 als Flussdiagramm gezeigt, umsetzen. Dabei wird davon ausgegangen, dass als Einschalt- und Ausschaltsignal Potentiale verwendet werden.
In einem ersten Schritt 701 werden alle Schalteinheiten 1, 2, 3 am Bus 130 zusammen eingeschaltet. d. h. die Leistung wird über den Leistungsbus 110 an die Leistungseingänge 10, 20, 30 angelegt. Daraufhin steuern alle Schalteinheiten 1, 2, 3 den Kopplungsausgang so an, dass er auf Massepotential (logisch 0) gezogen wird (dass also dort ein Ausschaltsignal anliegt) und der Leistungsausgang 11, 21, 31 aller Kanäle ausgeschaltet wird. In einem zweiten Schritt 702 erkennt die erste Schalteinheit 1, dass sie keinen Vorgänger hat. Das geschieht bei dieser Ausgestaltung dadurch, dass die Schalteinheit 1 erkennt, dass der Kopplungseingang 13 auf Betriebsspannungspotential (logisch 1) liegt (dass also an dem Kopplungseingang 13 kein Ausschaltsignal anliegt) und sich dies innerhalb eines Timeouts, also einer vorbestimmten Zeitdauer, auch nicht ändert. Falls diese erste Schalteinheit 1 ein dediziertes Mastergerät ist, führt sie nun die Adresszuweisung ab Schritt 704 durch. Es ist aber auch denkbar, dass diese Schalteinheit 1 sich von den anderen Busteilnehmern (Schalteinheiten) außer in der Position durch nichts unterscheidet. In diesem Fall würde sich die erste Schalteinheit 1 nun zunächst in Schritt 703 selbst zum Master erklären und erst danach mit der Adresszuweisung fortfahren.
Das Mastergerät gibt in Schritt 704 über den Kopplungsausgang das erste Slave-Gerät (also die zweite Schalteinheit 2) frei, indem der Kopplungsausgang 14 der ersten Schalteinheit 1 nicht mehr auf Massepotential gezogen wird. Dies erkennt das Slave-Gerät 2, da es jetzt eine logische 1 an seinem Kopplungseingang 23 erkennt. Der Master 1 prüft nun in Schritt 705 über den Bus 130 (z. B. per Broadcast), ob ein Slave ohne zugewiesene Position bzw. Adresse aktiv ist. Falls dies der Fall ist, wird bei Schritt 706 fortgefahren, falls nicht, ist das Verfahren beendet.
Der Master 1 weist nun in Schritt 706 dem einen aktiven Slave 2, der noch keine zugewiesene Position besitzt, eine Adresse und Position zu. Der neu adressierte Slave 2 gibt daraufhin die nächste Schalteinheit 3 in der daisy chain frei und es wird bei Schritt 703 fortgefahren.
Die oben beschriebenen Funktionalitäten Sequenzierung, Unterspannungsabschaltung sowie Ein- und Ausschalten der Leistung können auch ohne ein in den 2 und 3 gezeigtes Bussystem implementiert werden. Diese Funktionen können grundsätzlich auch unabhängig vom Ein- und Ausschalten der Schalteinheiten 1, 2, 3 über die Kopplungseingänge und Kopplungsausgänge mittels entsprechender Steuersignale realisiert werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen von Schaltverfahren 800 und 900 für diese Funktionalitäten, wie sie mit einer in 1 gezeigten Schaltvorrichtung ausgeführt werden können, sind als Flussdiagramm in den 8 und 9 gezeigt.
Ein Schaltverfahren 800 für die Sequenzierung ist beispielhaft in 8 gezeigt. In einem ersten Schritt 801 werden alle Schalteinheiten 1, 2, 3 zunächst eingeschaltet. Daraufhin steuern alle Schalteinheiten 1, 2, 3 den Kopplungsausgang 14, 24, 34 so an, dass er auf Massepotential (logisch 0) gezogen wird und der Leistungsausgang 11, 21, 31 aller Kanäle ausgeschaltet wird.
In einem zweiten Schritt 802 erkennt die erste Schalteinheit 1, dass sie keinen Vorgänger hat. Das geschieht dadurch, dass die Schalteinheit 1 erkennt, dass der Eingang auf Betriebsspannungspotential (logisch 1) liegt und sich dies innerhalb eines Timeouts, also einer vorbestimmten Zeitdauer, auch nicht ändert. Die erste Schalteinheit 1 schaltet nun in Schritt 803 ihren Leistungsausgang 11 ein. Wenn die Bedingungen zur Sequenzierung (z. B. Iststrom, Timeout) die Freigabe des nächsten Kanals erlauben, wird über den Kopplungsausgang 14 und den Kopplungseingang 23 das nächste Slave-Gerät, also die nächste Schalteinheit 2, in Schritt 804 freigegeben, sofern ein weiteres Slave Gerät vorhanden ist.
Die Freigabe erfolgt, indem der Kopplungsausgang 14 nicht mehr auf Massepotential gezogen wird. Die nun neu freigegebene Schalteinheit 2 schaltet wiederum ihren Leistungsausgang 21 ein und es wird ggf. entsprechend mit weiteren Schalteinheiten fortgefahren.
Ein Schaltverfahren 900 für die Unterspannungsabschaltung ist beispielhaft in 9 gezeigt. In einem ersten Schritt 901 erkennt die erste Schalteinheit 1, dass die Eingangsspannung (also die am Leistungsbus 110 gegenüber der Bezugspotentialleitung 120 anliegende Spannung bzw. die an dem Leistungseingang 10 anliegende Spannung) eine untere Schwelle unterschreitet und schaltet den Leistungsausgang 11 ab und den Kopplungsausgang 14 auf logisch 0. Alle weiteren Kanäle (Schalteinheiten 2, 3) schalten nun unmittelbar nacheinander in Schritt 902 ebenfalls ihren Leistungsausgang 21, 31 ab und den Kopplungsausgang 24, 34 auf logisch 0. Wenn die Prüfung in Schritt 903, ob die Eingangsspannung wieder ansteigt, ergibt, dass dies der Fall ist, schaltet die erste Schalteinheit 1 in Schritt 904 den Kopplungsausgang 14 wieder auf logisch 1, wonach die weiteren Kanäle dies in Schritt 905 ebenfalls nacheinander tun. Bevorzugt schalten dabei aber nur die Kanäle, deren Ausgangsstrom vor der Unterspannungsabschaltung unter dem Nennstrom lag, ihren Leistungsausgang wieder ein. Kanäle, in denen vor der Unterspannungsabschaltung kein Ausgangsstrom floss, bleiben ausgeschaltet, da davon auszugehen ist, dass sie bewusst auch schon vor der Unterspannungsabschaltung ausgeschaltet waren.
Zusammenfassend erlaubt die erfindungsgemäß vorgesehene Verbindung der einzelnen Schalteinheiten miteinander vorteilhafte Funktionalitäten, wie sequentielles Einschalten, Unterspannungsabschaltung, Fernsteuerung und Ferndiagnose, zu ermöglichen. Dazu kann ein Bussystem verwendet werden, bei dem jedoch die einzelnen Schalteinheiten als Busteilnehmer abhängig von ihrem Einbauort adressiert werden. Dies geschieht über ein Verfahren, das darauf basiert, dass die Schalteinheiten über gesonderten Kopplungseingänge und -ausgänge miteinander verbunden sind. Darüber hinaus können die Funktionen sequentielles Einschalten und Unterspannungsabschaltung auch ohne ein Bussystem alleine mit Hilfe der gesonderten Kopplungseingänge und -ausgänge implementiert werden.
Die Erfindung kann in verschiedenen Arten von Schaltvorrichtungen und Schalteinheiten zum Einsatz kommen, wobei die Schalteinheiten dann zusätzlich, hier nicht gezeigte Elemente und Funktionalitäten aufweisen. Ein Anwendungsgebiet sind Schutzvorrichtungen, insbesondere Leistungsschutzschalter. Andere Anwendungsgebiete sind Netzfilter, Netzteile, Transformatoren, Stromversorgungen, Schütze, etc.
4 zeigt eine vierte, nur teilweise dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung 400 mit drei Schalteinheiten 1, 2, 3. Die Schalteinheiten 1, 2, 3 weisen dabei jeweils eine von der Steuereinheit 15, 25, 35 steuerbare, an den Kopplungsausgang 14, 24, 34 angeschlossene Ausgangsschalteinheit 19, 29, 39 auf zum schaltbaren Anlegen des Einschaltsignals, insbesondere eines ersten Potentials, an den Kopplungsausgang 14, 24, 34. Die Ausgangsschalteinheit 19, 29, 39 ist im vorliegenden beispielhaften Fall eine Open-Kollektor-Schaltung.
Die Tatsache, dass die nach Art einer daisy chain vorgesehene Verbindung der Schalteinheiten 1, 2, 3 nicht wie eine Busleitung direkt durchverbunden werden kann, erfordert eine aufwendigere Verbindungstechnik. Oft werden Busteilnehmer direkt nebeneinander platziert und Kontaktteile der einzelnen Busteilnehmer greifen direkt ineinander. In dieser Konfiguration sind Kontaktteile die die ”linke” und ”rechte” Seite direkt durchverbinden recht einfach aufgebaut. Im Gegensatz dazu sind Kontaktteile, die nicht direkt durchverbinden, mechanisch bedeutend aufwendiger und teurer. Somit ist es vorteilhaft, wenn diese nicht direkt durchverbundenen Kontakte (also die Kopplungseingänge und die Kopplungsausgänge) eingespart werden können, ohne dass die Funktion beeinträchtigt wird.
5 zeigt eine fünfte, nur teilweise dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung 500, bei der keine mechanischen oder galvanischen Kontakte für die Kopplungseingänge und die Kopplungsausgänge verwendet werden, sondern eine optische Kopplung mittels jeweils einer an den Kopplungseingang angeschlossener optischer Empfangseinheiten 1A, 2A, 3A (z. B. Fotodioden) und einer an den Kopplungsausgang angeschlossener optischer Sendeeinheiten 1B, 2B, 3B (z. B. LEDs, etwa IR-LEDs). In den einander benachbarten Schalteinheiten 1, 2, 3 sind entsprechende Öffnungen oder Fenster 50 zum Durchlassen optischer Signale vorgesehen. In einer Ausgestaltung sind zur besseren Lichtleitung an diesen Stellen auch noch optische Verbindungsleiter, etwa Lichtleiter (nicht gezeigt) zwischen den Sendeeinheiten 1B, 2B, 3B und den Empfangseinheiten 1A, 2A, 3A vorgesehen.
Die Schaltvorrichtung 500 ist von der Funktion her äquivalent zu der in 4 gezeigten Schaltvorrichtung 400, wobei die Logik des Eingangs jedoch invertiert ist. Ein Ausschaltsignal entspricht dabei also dem Aussenden eines Lichtsignal und ein Einschaltsignal entspricht dabei dem Nicht-Aussenden eines Lichtsignals. Die erste Schalteinheit 1 erkennt also an dem Fehlen eines Lichtsignals an ihrem Kopplungseingang 13, dass sie die erste Schalteinheit in der Reihe ist.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform kann noch weiter verbessert werden, indem die ausgesendeten Licht-Impulse nicht nur ein- oder ausgeschaltet werden, sondern mit einer vorbestimmten Frequenz getaktet werden. Der Empfänger kann dann sicher zwischen eine Signalisierung und einer Störung (z. B. durch Sonneneinstrahlung) unterscheiden. Im Gegenzug sollte die Frequenz außerhalb des Bereichs üblicher IR-Kommunikation gewählt werden, um andere Geräte nicht zu stören. Darüber hinaus sollte die Betriebsweise so gewählt werden, dass die Sendeeinheiten im Mittel kurzer ein- als ausgeschaltet sind, um Alterung von Komponenten zu minimieren. Falls die Schalteinheiten unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, kann die optische Verbindung zwischen LED und Fotodiode ohne Lichtleiter hergestellt werden. Abhängig von der Beschaffenheit des Gehäuses wie Farbe und Wandstärke kann das Gehäuse direkt durchstrahlt werden, sodass insgesamt eine deutlich Reduzierung von Aufwand und Kosten im Vergleich zur Lösung mit Kontakten erreicht werden kann.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen können die Schalteinheiten auch Melde- und Rücksetzkontakte aufweisen. Über den Rücksetzkontakt kann nach einem Abschalten der Schalteinheit (z. B. durch Auslösen eines Schutzschalters) diese wieder eingeschaltet werden. Über den Meldekontakt kann die Schalteinheit melden, ob ein Fehler vorliegt, z. B. wenn die Schalteinheit wegen eines Überstroms abgeschaltet hat.
Wenn mehrere Einzelgeräte miteinander verbunden sind, ist es vorteilhaft, wenn diese Melde- und Rücksetzkontakte miteinander verbunden werden können, sodass die übergeordnete Steuerung eine Sammelmeldung über alle Kanäle abfragt und auch alle Kanäle nur gesammelt zurücksetzen kann. Dazu sind diese Sammelkontakte in einer Ausgestaltung elektrisch über Brücken oder Leitungen miteinander verbunden. Diese Verbindung aller vorhandenen Einzel-Meldekontakte und Einzel-Rücksetzkontakte bedeutet einen erhöhten Aufwand für die externe Verdrahtung oder zusätzlichen Materialaufwand für eine interne Verbindung zwischen den Geräten durch seitliche Kontakte.
Wenn die Einzelgeräte (Schalteinheiten), wie etwa in der zweiten und dritten Ausführungsform (2 und 3) vorgesehen, mit einem Bussystem verbunden sind, kann die elektrische Verbindung der einzelnen Meldekontakte und Rücksetzkontakte entfallen. Für die Rücksetzkontakte leitet dann jede Schalteinheit, die an ihrem Rücksetzkontakt ein Signal empfängt, dieses Signal über das Bussystem an andere Schalteinheiten weiter. Wenn eine Schalteinheit einen Fehler feststellt, teilt sie dies allen anderen Schalteinheiten über das Bussystem mit und alle Schalteinheiten erhalten dann ein Signal an ihrem jeweiligen Meldekontakt.
10 zeigt eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltvorrichtung 1000 mit mehrkanaligen Schalteinheiten 1, 2', 3'. Jede der Schalteinheiten 1', 2', 3 weist hierbei also zwei (oder mehr) Kanäle auf, d. h. zwei Leistungsschalteinrichtungen 12, 12', 22, 22', 32, 32', die jeweils über einen gesonderten Leistungseingang 10, 10', 20, 20', 30, 30' an den Leistungsbus 110 angeschlossen sind und einen gesonderten Leistungsausgang 11, 11', 21, 21', 31, 31' zum Anschließen einer Last aufweisen. Außerdem ist bevorzugt je Kanal eine eigene Strommesseinrichtung 16, 16', 26, 26', 36, 36' vorgesehen. Ansonsten ist die Ausgestaltung und Funktionsweise der Schaltvorrichtung 1000 identisch oder ähnlich wie oben in Bezug auf die anderen Ausführungsformen beschrieben, und die Schaltvorrichtung 1000 kann auch in gleicher oder ähnlicher Weise optional ausgestaltet sein. Die Anzahl der Kanäle je Schalteinheit kann grundsätzlich eins oder mehr betragen. Eine Schaltvorrichtung kann ferner auch Schalteinheiten mit einer unterschiedlichen Anzahl an Kanälen enthalten.
Zusammenfassend kann ein Einschaltsignal auf verschiedene Weise repräsentiert werden, insbesondere einen logischen Pegel 1, ein Anliegen eines Betriebspotentials oder ein Fehlen eines Lichtsignals. Entsprechend kann ein Ausschaltsignal auf verschiedene Weise repräsentiert werden, insbesondere einen logischen Pegel 0, ein Anliegen eines Ruhepotentials oder ein Vorliegen eines Lichtsignals. Darüber hinaus kann auch das Fehlen eines Ausschaltsignals als Einschaltsignal interpretiert werden bzw. das Fehlen eines Einschaltsignals kann als Ausschaltsignal interpretiert werden. Darüber hinaus bestehen noch weitere Möglichkeiten, ein Einschaltsignal oder ein Ausschaltsignal zu repräsentieren.
Es versteht sich, dass die oben gezeigten Ausführungsformen nur beispielhaft zu verstehen sind und die einzelnen Elemente auch in anderen sinnvollen Kombinationen miteinander eingesetzt werden können. Die konkrete Realisierung der einzelnen Elemente kann unterschiedlich geschehen, sofern die erfindungsgemäß vorgesehene Funktion jeweils erfüllt ist.

Claims

Elektronische Schaltvorrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 1000) mit mindestens zwei miteinander gekoppelten Schalteinheiten (1, 2, 3; 1', 2', 3') mit jeweils: – einem Leistungseingang (10, 20, 30) zum Anschließen einer elektrischen Spannung oder eines Stroms, – einem Leistungsausgang (11, 21, 31) zum Anschließen einer Last, – einer steuerbaren Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang, – einem Kopplungseingang (13, 23, 33) und einem Kopplungsausgang (14, 24, 34), wobei der Kopplungsausgang (14, 24) einer Schalteinheit (1, 2; 1', 2') mit dem Kopplungseingang (23, 33) der nachfolgenden Schalteinheit (2, 3; 2', 3') gekoppelt ist, – einer Strommesseinrichtung (16, 26, 36) zur Messung des zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließenden Stroms, nachdem die Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbunden hat, und – einer Steuereinheit (15, 25, 35) zur Steuerung des Kopplungsausgangs derart, dass die Steuereinheit (15, 25, 35) ein Einschaltsignal an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) anlegt, wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) ein Einschaltsignal anliegt, und dass die Steuereinheit (15, 25, 35) das Einschaltsignal von dem Kopplungsausgang (14, 24, 34) entfernt oder ein Ausschaltsignal an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) anlegt, wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere das Ausschaltsignal anliegt, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) erst dann das Einschaltsignal anlegt, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Schwellstrom unterschreitet.
Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) zur Steuerung der Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) derart ausgestaltet ist, dass die Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbindet, wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) das Einschaltsignal anliegt.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) spätestens nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, für die das Einschaltsignal an dem Kopplungseingang anliegt, an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) das Einschaltsignal anlegt.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einschaltsignal ein vorbestimmtes Potential, eine vorbestimmte Stromstärke, eine vorbestimmte Frequenz, ein vorbestimmtes Lichtsignal und/oder einen vorbestimmten Logikpegel aufweist, anhand derer die Steuereinheit erkennt, ob das Einschaltsignal an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) anliegt.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) ausgestaltet ist zu prüfen, ob das Einschaltsignal an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) für eine Mindestzeitdauer anliegt, und erst nach Ablauf der Mindestdauer das Einschaltsignal an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) anzulegen.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an den Kopplungseingängen (13, 23, 33) und an den Kopplungsausgängen (14, 24, 34) ein erstes Potential, insbesondere ein Ruhepotential, anliegt, bevor die Steuereinheiten (15, 25, 35) prüfen, ob an den Kopplungseingängen (13, 23, 33) ein von dem ersten Potential verschiedenes zweites Potential, insbesondere ein über dem Ruhepotential liegendes Betriebspotential, anliegt.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) zur Steuerung der Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) derart ausgestaltet ist, dass die Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) den Leistungseingang vom Leistungsausgang trennt, wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere das Ausschaltsignal anliegt.
Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) den Leistungseingang vom Leistungsausgang trennt und die Steuereinheit (15, 25, 35) das Einschaltsignal von dem Kopplungsausgang (14, 24, 34) entfernt oder ein Ausschaltsignal an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) anlegt, wenn die an dem Leistungseingang (12, 22, 32) anliegende Spannung eine untere Schwelle unterschreitet.
Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) so ausgestaltet ist, dass nach einer Trennung des Leistungseingangs und des Leistungsausgangs die Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) derart gesteuert wird, dass sie den Leistungseingang und den Leistungsausgang wieder verbindet, wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) wieder das Einschaltsignal anliegt und wenn der Ausgangsstrom an dem Leistungsausgang vor der Trennung von dem Leistungseingang unterhalb eines oberen Schwellwertstroms lag.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheiten jeweils eine von der Steuereinheit steuerbare, an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) angeschlossene Ausgangsschalteinheit (19, 29, 39) aufweisen zum schaltbaren Anlegen des Einschaltsignals, insbesondere eines ersten Potentials, an den Kopplungsausgang (14, 24, 34).
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheiten jeweils eine an den Kopplungseingang (13, 23, 33) angeschlossene optische Empfangseinheit (1A, 2A, 3A) und eine an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) angeschlossene optische Sendeeinheit (1B, 2B, 3B) zur optischen Kopplung der Schalteinheiten aufweisen.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (15) der ersten Schalteinheit (1) als Mastersteuereinheit die Steuereinheiten (25, 35) der anderen Schalteinheiten (2, 3) steuert.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner mit einer Mastersteuereinheit (4) zur Steuerung der Steuereinheiten (15, 25, 35) der Schalteinheiten.
Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, ferner mit einem Kommunikationsbus (130), an den die Schalteinheiten angeschlossen sind.
Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mastersteuereinheit ausgestaltet ist, über den Kommunikationsbus (13) einer Schalteinheit, die noch keine Adresse oder Position aufweist, eine Adresse oder Position zuzuweisen.
Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) derart ausgestaltet ist, dass erst dann das Einschaltsignal an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) angelegt wird und/oder der Leistungseingang mit dem Leistungsausgang verbunden wird, wenn die Schalteinheit eine zugewiesene Adresse oder Position aufweist.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Schalteinheiten zum Empfang von Melde- und/oder Rücksetzsignalen, insbesondere über den Kommunikationsbus oder über separate Melde- und/oder Rücksetzkontakte, und zur Weitergabe von Melde- und/oder Rücksetzsignalen an andere Schalteinheiten über den Kommunikationsbus ausgestaltet sind.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) zur Steuerung der Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) derart ausgestaltet ist, dass die Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbindet oder den Leistungseingang von dem Leistungsausgang trennt, wenn sie über den Kommunikationsbus ein entsprechendes Steuersignal erhält.
Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 18, mit einer Strommesseinrichtung (16, 26, 36) zur Messung des zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließenden Stroms, nachdem die Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) den Leistungseingang und den Leistungsausgang verbunden hat, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) erst dann das Einschaltsignal anlegt und/oder die nachfolgende Schalteinheit ein Steuersignal erhält, den Leistungsausgang mit dem Leistungseingang zu verbinden, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Schwellstrom unterschreitet.
Elektronische Schaltvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Steuereinheit (15, 25, 35) so ausgestaltet ist, dass nach einer Trennung des Leistungseingangs und des Leistungsausgangs die Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) derart gesteuert wird, dass sie den Leistungseingang und den Leistungsausgang wieder verbindet, wenn einerseits an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) wieder das Einschaltsignal anliegt oder sie über den Kommunikationsbus ein entsprechendes Steuersignal erhält und wenn andererseits der Ausgangsstrom an dem Leistungsausgang vor der Trennung von dem Leistungseingang unterhalb eines oberen Schwellwertstroms lag.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheiten (15, 25, 35) ausgestaltet sind, beim Einschalten der elektronischen Schaltvorrichtung an die Kopplungsausgänge (14, 24, 34) zunächst ein Ausschaltsignal anzulegen und dann zu prüfen, ob an den Kopplungseingängen (13, 23, 33) ein Einschaltsignal anliegt, wobei die Steuereinheit (15) der ersten Schalteinheit (1) ein Einschaltsignal an ihren Kopplungsausgang (14) anlegt, wenn diese Prüfung ergibt, dass an ihrem Kopplungseingang (15) ein Einschaltsignal oder kein Ausschaltsignal anliegt.
Elektronische Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Schalteinheit (1', 2', 3') mindestens zwei Leistungseingänge (10, 10', 20, 20', 30, 30'), mindestens zwei Leistungsausgänge (11, 11, 21, 21, 31, 31') und mindestens zwei steuerbare Leistungsschalteinrichtungen (12, 12', 22, 22', 32, 32') aufweist.
Schaltverfahren für eine elektronische Schaltvorrichtung (100, 200, 300, 400, 500, 1000) mit mindestens zwei miteinander gekoppelten Schalteinheiten (1, 2, 3; 1', 2', 3') mit jeweils: – einem Leistungseingang (10, 20, 30) zum Anschließen einer elektrischen Spannung oder eines Stroms, – einem Leistungsausgang (11, 21, 31) zum Anschließen einer Last, – einer steuerbaren Leistungsschalteinrichtung (12, 22, 32) zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang, – einem Kopplungseingang (13, 23, 33) und einem Kopplungsausgang (14, 24, 34), wobei der Kopplungsausgang (14, 24) einer Schalteinheit (1, 2) mit dem Kopplungseingang (23, 33) der nachfolgenden Schalteinheit (2, 3) gekoppelt ist, – einer Steuereinheit (15, 25, 35) zur Steuerung des Kopplungsausgangs, und – einer Strommesseinrichtung (16, 26, 36) zur Messung des zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließenden Stroms, wobei das Schaltverfahren die Schritte aufweist: i) Prüfen, ob an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) ein Einschaltsignal anliegt, ii) Messung des zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang fließenden Stroms, nachdem der Leistungseingang und der Leistungsausgang verbunden sind, iii) Anlegen eines Einschaltsignals an den Kopplungsausgang (14, 24, 34), wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) ein Einschaltsignal anliegt, wobei das Einschaltsignal erst dann an den Kopplungsausgang (14, 24, 34) angelegt wird, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Schwellstrom unterschreitet, iv) Entfernen des Einschaltsignals von dem Kopplungsausgang (14, 24, 34) oder Anlegen eines Ausschaltsignals an den Kopplungsausgang (14, 24, 34), wenn an dem Kopplungseingang (13, 23, 33) das Einschaltsignal nicht mehr anliegt, insbesondere ein Ausschaltsignal anliegt.