DE102014118982A1

DE102014118982A1 - Schutzschaltung

Info

Publication number: DE102014118982A1
Application number: DE102014118982.5A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Berndt
Original assignee: Turck Holding GmbH
Current assignee: Turck Duotec GmbH
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für ein in einem explosionsgefährdeten Bereich betriebenes Elektrogerät, bei der die Klemmen (1, 2) eines Eingangsklemmenpaars mit den Klemmen (3, 4) eines Ausgangsklemmenpaars jeweils durch eine elektrische Leitverbindung verbunden sind, mit einer Überwachungseinrichtung (D14, D9) zur Überwachung einer elektrischen Größe, mit einem Kurzschließer (T1), der in einem Normalfall hochohmig ist und der in einem Fehlerfall, wenn die elektrische Größe einen Schwellwert erreicht oder überschreitet, die Leitverbindungen miteinander kurzschließt, und mit einer in einer der elektrischen Leitverbindungen angeordneten Sicherung (F1), die als Folge des beim Kurzschließens durch den Kurzschließer (T1) fließenden Kurzschlussstroms auslöst und die zugeordnete Leitverbindung zwischen Eingangsklemme (1) und Ausgangsklemme (3) unterbricht, wobei der Kurzschließer (T1) ein Feldeffekttransistor ist. Um eine eigensichere Schutzschaltung mit einem wirksamen Kurzschließer anzugeben, mit dem auch höhere Ströme in einen explosionsgeschützten Bereich übertragbar sind, wird vorgeschlagen, dass eine Hilfsschaltung (T2, T3, D9) die den Feldeffekttransistor (T1) schaltende Gate-Spannung über zumindest die Auslösezeit der Sicherung (F1) aufrechterhält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für ein in einem explosionsgefährdeten Bereich betriebenes Elektrogerät, bei der die Klemmen eines Eingangsklemmenpaars mit den Klemmen eines Ausgangsklemmenpaars jeweils durch eine elektrische Leitverbindung verbunden sind, mit einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung einer elektrischen Größe, mit einem Kurzschließer, der in einem Normalfall hochohmig ist und der in einem Fehlerfall, wenn die elektrische Größe einen Schwellwert erreicht oder überschreitet, die Leitverbindungen miteinander kurzschließt, und mit einer in einer der elektrischen Leitverbindungen angeordneten Sicherung, die als Folge des beim Kurzschließens durch den Kurzschließer fließenden Kurzschlussstroms auslöst und die zugeordnete Leitverbindung zwischen Eingangsklemme und Ausgangsklemme unterbricht, wobei der Kurzschließer ein Feldeffekttransistor ist
Derartige Schutzschaltungen sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreiben DE 10 2006 054 354 B4 und die dort genannten Druckschriften Schutzschaltungen für ein in einem explosionsgefährdeten Bereich betriebenes Elektrogerät. Zur Vermeidung der Bildung von Funken mit einer Funkenleistung, die zu einer Zündung einer chemischen Reaktion führen können, wird mit einer gattungsgemäßen Schutzschaltung die in den explosionsgefährdeten Bereich eingespeiste Leistung begrenzt. Die von der Überwachungseinrichtung überwachte elektrische Größe kann eine Spannung, ein Strom oder das Produkt von Spannung und Strom sein. Zur Überwachung der Spannung wird üblicherweise einer ZENER-Diode verwendet. Zur Überwachung eines Stroms wird die an einem Shunt-Widerstand abfallende Spannung überwacht. Dies kann auch mittels einer ZENER-Diode erfolgen. Überschreitet die zu überwachende elektrische Größe einen Schwellwert, fällt bspw. an einem mit der ZENER-Diode in Reihe geschalteten Widerstand eine Spannung ab, so wird diese Spannung im Stand der Technik dazu benutzt, um einen als Kurzschließer geschalteten Thyristor zu zünden. Zwischen Anode und Kathode des Thyristors fällt beim Durchschalten eine Restspannung von 1,2 V bis 1,7 V ab. Der relativ hohe Kurzschlussstrom führt zu einer hohen Leistungsaufnahme des Thyristors. Der durch den Thyristor hindurchfließende Kurzschlussstrom soll aufgabengemäß die in einer der beiden Leitverbindungen angeordnete Sicherung zum Schmelzen bringen, so dass die Leitverbindung zwischen Eingangsklemme und Ausgangsklemme sicher getrennt ist.
In Grenzfällen kann es vorkommen, dass der durch den Thyristor hindurchfließende Kurzschlussstrom gerade nicht ausreicht, um die Sicherung zum Durchbrennen zu bringen. Der Thyristor muss in derartigen Grenzfällen für eine längere Zeit eine relativ hohe Leistung, bspw. von 4 bis 5 W aufnehmen. Wenn große Leistungen über die Schutzschaltung fließen sollen, bspw. Ströme von mehr als einem Ampere, könnte eine derart hohe Leistungsaufnahme den Thyristor zerstören.
Schutzschaltungen sind zwar üblicherweise dreifach mit Überwachungseinrichtungen und zugeordneten Kurzschließern ausgestattet. Es kann jedoch nicht verhindert werden, dass die Thyristoren kaskadenartig zerstört werden.
Eigensichere Schutzschaltungen, bei denen durch Kurzschließen von Ausgangsklemmen eine Sicherung zum Durchbrennen gebracht werden soll, bei der der Kurzschlussstrom oder ein Teil des Kurzschlussstroms durch einen Feldeffektor fließt, sind aus der DE 195 13 910 A1 vorbekannt. Beschrieben wird dort eine Crowbar-Schaltung einer eigensicheren Stromquelle. Es sind drei redundante Kurzschließschaltungen vorgesehen, bei denen die Kurzschlussstrecke jeweils über einen Feldeffekttransistor läuft. Der Feldeffekttransistor wird über eine zwei Widerstände, zwei weitere Feldeffekttransistoren und einen Kondensator aufweisende Zündschaltung geschaltet. Die Zündschaltung wird wiederum von einer Abschaltschaltung mit einem Abschaltsignal versorgt. Die Crowbar-Schaltung schaltet die Eingangsstromversorgung ab.
Zum Stand der Technik gehören ferner folgende Druckschriften:
DE 35 24 998 A1 , DE 299 09 903 U1 , DE 694 20 476 T2 , DE 690 29 891 T2 , DE 691 20 228 T2 , DE 692 24 420 T2 , DE 694 28 690 T2 , DE 695 15 991 T2 , DE 695 30 131 T2 , DE 695 30 167 T2 , DE 10 2004 025 420 B4 , DE 10 2005 024 321 B4 , DE 10 2005 024 346 B4 , DE 10 2005 024 347 B4 , DE 10 2006 009 236 A1 , DE 10 2009 046 616 A1 , DE 10 2010 040 833 A1 , DE 11 2012 002 682 T5 , US 6,414,524 B1 , US 6,448,852 B1 und US 6,600,668 B1 .
Bei einer Crowbar wird der Kurzschließer üblicherweise von einem Thyristor gebildet, weil dieser den Vorteil hat, den in durch die Zündung erreichten leitenden Zustand solange zu behalten, bis er gelöscht wird. Ein Transistor als Kurzschließer verhält sich hier anders. Er schließt die Kurzschlussstrecke nur solange kurz, wie bei einem bipolaren Transistor der Basisstrom fließt bzw. bei einem Feldeffekttransistor die Gate-Spannung anliegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eigensichere Schutzschaltung mit einem wirksamen Kurzschließer anzugeben, mit dem auch höhere Ströme in einen explosionsgeschützten Bereich übertragbar sind.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung der Aufgabe ist.
Der Anspruch 1 sieht eine Hilfsschaltung vor, mit der die den Feldeffektor schaltende Gate-Spannung über zumindest die Auslösezeit der Sicherung aufrechterhalten wird. Im Fehlerfall, in dem bspw. an den beiden Eingangsklemmen eine zu hohe Eingangsspannung anliegt oder durch eine der Leitverbindungen ein zu hoher Strom fließt, liefert die Überwachungseinrichtung eine Gate-Spannung, die am Gate des Feldeffekttransistors anliegt. Der Feldeffekttransistor wird leitend. Da der Feldeffekttransistor im durchgeschalteten Zustand die Eigenschaft eines idealen Schalters besitzt. Es liegt am Drain des Feldeffekttransistors im durchgeschalteten Zustand dieselbe Spannung an, die auch an der Source des Feldeffekttransistors anliegt. Über den Feldeffekttransistor fällt somit keine nennenswerte Spannung ab, so dass dort auch keine Leistung abgeführt werden muss. Der Feldeffekttransistor ist nur so lange leitend, wie am Gate eine Gate-Spannung anliegt. Erfindungsgemäß wird mit einer von der Hilfsschaltung gebildeten Speichereinrichtung sichergestellt, dass diese Gate-Spannung zumindest solange am Gate anliegt, bis die Sicherung die Leitverbindung zwischen Eingangsklemme und Ausgangsklemme getrennt hat. Bevorzugt sind Maßnahmen vorgesehen, mit denen die Gate-Spannung im Fehlerfall permanent aufrecht erhalten wird, also über die Zeit bis zum Durchbrennen der Sicherung hinaus. Die Hilfsschaltung umfasst bevorzugt eine Kippschaltung. Die Kippschaltung kann ein Zündsignal zur Erzeugung der Gate-Spannung liefern, damit permanent oder zumindest bis zum Durchbrennen der Sicherung aufrecht erhalten wird. Die Gate-Spannung wird insbesondere auch dann aufrecht erhalten, wenn die elektrisch überwachte Größe, also eine Spannung, ein Strom oder eine Leistung den Schwellwert vor dem Durchbrennen der Sicherung wieder unterschreiten würde. Allerdings bewirkt ein optionales Verzögerungsglied, dass die Gate-Spannung erst dann erzeugt wird, wenn die elektrische Größe über eine gewisse Zeit hinweg oberhalb des Schwellwertes liegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Hilfsschaltung von einer Hilfsenergiequelle, insbesondere einer Hilfsspannungsquelle gespeist. Die Hilfsspannungsquelle kann einen Kondensator aufweisen, der als Energiespeicher wirkt. Da der Feldeffekttransistor im Wesentlichen stromlos geschaltet wird, kann die Speicherschaltung sehr hochohmig ausgelegt werden. Es reichen somit geringe Ströme, bspw. Ströme von weniger als 100 μA aus, damit die Speicherschaltung die Gate-Spannung über eine längere Zeit liefern kann. Die Hilfsspannungsquelle kann darüber hinaus eine Transformatorwicklung aufweisen, mit der sie permanent mit Leistung versorgt wird. Einer Sekundärwicklung kann ein aus einer Diode und einem Kondensator bestehender Gleichrichter nachgeordnet sein. Die Schutzschaltung besitzt bevorzugt einen Transformator. Dieser Transformator besitzt ein Hauptwicklungspaar, mit dem von einer Primärseite eine Wechselspannung in den geschützten sekundärseitigen Bereich übertragen wird. Die Sekundärspule ist mit den Eingangsklemmen verbunden. Es ist bevorzugt zumindest eine Nebenwicklung vorgesehen, mit der eine Hilfsspannung am Transformator abgegriffen werden kann, mit der die Speichereinrichtung energieversorgt wird. Es ist aber auch möglich, die Hilfsspannung anderweitig zu erzeugen, bspw. über eine Kondensatoranordnung, die von der Primärseite auf die Sekundärseite Spannung überträgt. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Hilfsspannung direkt an der Hauptwicklung abgegriffen wird. Es können auch mehrere Transformatoren vorgesehen sein, die parallel oder in Reihe geschaltet sind, wobei ein Transformator eine Hilfsspannung überträgt. Wie beim Stand der Technik ist die Schutzschaltung mehrfach, insbesondere dreifach redundant vorgesehen. Mehrere Schutzschaltungen sind elektrisch parallel geschaltet, so dass im Falle, dass zwei Schutzschaltungen versagen, die dritte Schutzschaltung wirkt. Jede Schutzschaltung kann ihre eigene Hilfsspannungsversorgung aufweisen. Die Verwendung eines Feldeffekttransistors bringt den Vorteil eines Verpolungsschutzes. Diesen bewirkt die bauartbedingte, zwischen Source und Drain gerichtete Inverse-Diode (Bodydiode). Wird die Schutzschaltung verpolt verwendet oder die Gleichrichterdiode D6 (1) verpolt ist, so wird der Kurzschließer niederohmig, was zum Durchbrennen der Sicherung führt. Der Avalanche-Effekt des Feldeffekttransistors führt darüber hinaus zu einem Überspannungsschutz. Die Unterdrückung von kurzzeitigen Spannungsspitzen am Drain-Source des MOSFET wird über den Avalanche-Effekt des MOSFETs erreicht. Es ist ferner vorgesehen, die Speicherschaltung mittels Schutzdioden, insbesondere ZENER-Dioden gegen Überspannungen zu schützen. Die Speicherschaltung kann einen im Normalfall durchgeschalteten Übertragungstransistor aufweisen. Dieser kann ein Bipolar-Transistor sein. Der Übertragungstransistor hält die Gate-Spannung auf Null Volt, so dass der Feldeffekttransistor sperrt. Durch das von der Überwachungseinrichtung erzeugte und durch die Kippschaltung aufrecht erhaltene Zündsignal wird der Übertragungstransistor zum Sperren gebracht, so dass eine aus der Hilfsspannung abgeleitete Spannung am Gate des Feldeffekttransistors anliegt und ihn durchschaltet. Die Überwachungseinrichtung kann, wie beim Stand der Technik auch, eine ZENER-Diode aufweisen. Diese kann über eine in Durchlassrichtung geschaltete Diode mit dem Drain des Feldeffektors verbunden sein. Im Fehlerfall liegt am Drain des Feldeffekttransistors kein Spannung an, so dass die Diode verhindert, dass die Kippschaltung in den Normalzustand zurückkippt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels,
3 das Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels,
4 das Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels,
5 das Schaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels,
6 das Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels
7 das Schaltbild eines siebten Ausführungsbeispiels, und
8 das Schaltbild eines achten Ausführungsbeispiels.
Bei dem in der 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird von einer nicht dargestellten Wechselspannungsquelle eine Wechselspannung geliefert, die in eine erste Spule L₁ eines Transformators eingespeist wird. Die Primärspule L₁ befindet sich im ungesicherten Bereich. Die Sekundärspule L₂ befindet sich jenseits der Grenze 19 im ungeschützten Bereich des eigensicheren Stromkreises, also im explosionsgeschützten Bereich. Die an der Sekundärwicklung L₂ anliegende Sekundärspannung kann 30 V betragen und wird über eine Diode D₆ gleichgerichtet. Lediglich die oberen Halbwellen der Wechselspannung liegen somit an den Eingangsklemmen 1, 2 an. Die Eingangsklemme 2 ist über eine Leitverbindung direkt mit der Ausgangsklemme 4 verbunden. Die Eingangsklemme 1 ist hingegen über eine Schmelzsicherung F₁ mit der Ausgangsklemme 3 leitverbunden. Es ist zudem ein Glättungskondensator C₆ vorgesehen, der parallel zu den Ausgangsklemmen 3, 4 geschaltet ist.
Eine weitere Sekundärspule L₃, die in einem derartigen Wicklungsverhältnis zur Primärspule L₁ steht, dass an der Sekundärspule L₃ etwa eine Spannung von 5 V abfällt, befindet sich ebenfalls im explosionsgeschützten Bereich. Die Wechselspannung wird über eine Diode D₁₇ und einen Kondensator C₁₃ gleichgerichtet. Der Kondensator C₁₃ wirkt darüber hinaus auch als Speicherkondensator, so dass zwischen der Eingangsklemme 2 und dem Ausgang der Hilfsspannungsquelle 5 eine Hilfsspannung abfällt. Die Hilfsspannung erzeugt einen etwa 50 μA großen Strom durch den Widerstand R₇, der durch den im Normalfall geschalteten Transistor T₄ abfließt. Im Normalfall liegt somit am Gate eines Feldeffekttransistors T₁ keine Gate-Spannung 6 an. Die Source des Feldeffekttransistors T₁ ist mit der Eingangsklemme 2 bzw. Ausgangsklemme 4 verbunden. Das Drain des Feldeffekttransistors T₁ ist hingegen mit der Ausgangsklemme 3 verbunden. Der Feldeffekttransistor T₁ hat somit die Funktion eines Kurzschließers. Sobald eine Gate-Spannung 6 anliegt und der Feldeffekttransistor T₁ leitend wird, werden die Ausgangsklemme 3 und 4 miteinander elektrisch verbunden, was zu einem erhöhten Strom durch die Sicherung F1 führt, die dann schmilzt.
Eine ZENER-Diode D₁₄ ist über eine in Durchlassrichtung geschaltete Diode D₉ und optionalen Widerstandes R10 mit der Sekundärseite der Sicherung F₁ verbunden. Die ZENER-Spannung der ZENER-Diode D₁₄ ist größer als die Normalspannung, die an den Ausgangsklemmen 3, 4 anliegt. Die ZENER-Spannung der ZENER-Diode D₁₄ definiert einen Schwellwert. Wird dieser Schwellwert überschritten, so soll der Feldeffekttransistor T₁ leitend werden und die Ausgangsklemmen 3, 4 kurzschließen.
Die Anode der ZENER-Diode D₁₄ ist über einen Widerstand R₄ von bspw. 10 kΩ an Masse angeschlossen. Dem Widerstand R4 ist ein Kondensator C₁₀ parallel geschaltet. Der bspw. eine Kapazität von 100 nF aufweisende Kondensator C₁₀ bildet mit dem Widerstand R₄ und dem Widerstand R10 ein Verzögerungsglied. Überschreitet die Ausgangsspannung den Schwellwert, so baut sie über die stetige Aufladung des Kondensators C₁₀ eine Spannung auf, die nach etwa 400 μs ausreichend groß ist, um die Schaltspannung eines Transistors T₃ zu erreichen, an dessen Basis die Anode der ZENER-Diode D₁₄ anliegt. Der Emitter des Transistors T₃ ist mit Masse verbunden und der Kollektor des Transistors T₃ ist über einen hochohmigen Widerstand R₈ von bspw. 100 kΩ mit der Hilfsspannung 5 verbunden. Im Normalfall sperrt der Transistor T₃, da seine Basisspannung 7 auf dem Masseniveau liegt. Erst wenn die Ausgangsspannung den Schwellwert überschreitet und sich der Kondensator C₁₀ aufgeladen hat, erreicht die Basisspannung 7 die Schaltspannung des Transistors T₃, so dass dieser leitend wird.
Am Kollektor des Transistors T₃ liegt die Basis eines weiteren Schalttransistors T₂ an. Im Normalfall, bei dem der Transistor T₃ nicht leitend ist, liegt die Basisspannung 8 des Transistors T₂ auf HI. Dies hat zur Folge, dass der Transistor T₂ ebenfalls sperrt. Der Emitter des pnp-Transistors T₂ ist über einen Widerstand R₉, der bspw. 100 kΩ betragen kann, mit der Hilfsspannung 5 verbunden. Der Kollektor des Transistors T₂ ist mit der Basis des npn-Transistors T₃ verbunden. Der Transistor T2 sperrt, so dass die Emitterspannung 10 auf HI geht und den Transistor T4 durchschaltet.
Wird der Transistor T₃ leitend, liegt die Basis des Transistors T₂ auf Masse, so dass der Transistor T₂ ebenfalls leitend wird und die Basisspannung 7 ansteigt. Ist die Basisspannung 8 des Transistors T₂ LO, ist auch dessen Emitterspannung 10 LO. Dies hat zur Folge, dass die Basisspannung 9 des Transistors T₄ ebenfalls LO wird. Der Emitter des Transistors T₂ ist über zwei in Reihe geschaltete Dioden D₈, D8', mit der Basis des Transistors T₄ verbunden. Die Dioden D8 und D8' mit ihren beiden pn-Übergängen sollen sicherstellen, dass der Transistor T4 sicher sperrt. Der Transistor T₄ sperrt dann, so dass der durch den Widerstand R₇ hindurchfließende Strom durch die ZENER-Diode D₁₁ (ZENER-Spannung etwa 18 V) fließt. Am Gate 6 des Feldeffekttransistors T₁ liegt dann eine Gate-Spannung an, die den Feldeffekttransistor T₁ zum Leiten bringt, was zur Folge hat, dass die Anode der Diode D₉ auf Masse liegt, da sie jedoch in Sperrrichtung geschaltet ist, ändert sich das Potential 7 der Basis des Transistors T₃ nicht, so dass die Kippschaltung ihren Wert behält.
Der Transistor T1 besitzt bauartbedingt eine Diode D₁ zwischen Source und Drain. Diese Diode D₁ bewirkt einen Verpolungsschutz.
Der Avalanche-Effekt des Feldeffekttransistors (MOSFET) unterdrückt darüber hinaus kurzzeitige Spannungsspitzen. Mit den Dioden D₂ und D₃, bei denen es sich um ZENER-Dioden handelt, wird ein Überspannungsschutz für die Kippschaltung erreicht. Eventuelle Überspannungen werden an den Transistoren T₂ und T₃ vorbeigeleitet.
Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die in der 1 dargestellte Schaltung dreifach als Schaltungen A, B, C parallel nebeneinander angeordnet sind. Es sind drei getrennte Hilfsspannungsquellen 31, 32, 33 jeweils mit einer Sekundärwicklung L₃, L₄, L₅ vorgesehen, um jeweils eine Hilfsspannung 5 zu erzeugen. In den in der 2 dargestellten Schutzschaltungen sind der Übersichtlichkeit, die lediglich eine Überspannungsschutzfunktion aufweisenden ZEHNER-Dioden D₂ und D₃ nicht dargestellt.
Bei dem in der 3 dargestellten Schaltbild ist zusätzlich der Primärkreis 21 dargestellt. Es handelt sich im Wesentlichen um ein Netzgerät, das mit einer Sicherung F₂ und einem Vorwiderstand abgesichert ist. Es erzeugt mit einem DC/DC-Wandler 23 eine Gleichspannung von bspw. 30 bis 50 V. Über einen Zerhacker 24 wird eine Wechselspannung von bspw. 200 kHz erzeugt, mit der die Primärspule L₁ bestromt wird. Mit der Bezugsziffer 20 ist ein Filter bezeichnet, der im Wesentlichen die Diode D6 und den Kondensator C6 aufweist. Die Bezugsziffer 22 bezeichnet einen sekundärseitigen weiteren Strombegrenzer oder einen sekundärseitigen Verbraucher.
Bei dem in der 4 dargestellten Schaltbild wird die Hilfsspannung über die Hilfsstrecke 31, 32, 33 übertragen, die eine Kondensatoranordnung aufweist. Mit A, B, C ist jeweils eine in 1 dargestellte Zeichnung bezeichnet.
Bei dem in der 5 dargestellten Schaltbild wird die Hilfsspannung an der Eingangsklemme 1 abgegriffen. Sie wird jeweils in einem der Kondensatoren C₁₃ gespeichert.
Bei dem in der 6 dargestellten Schaltbild ist ein Haupttransformator vorgesehen, der die Wicklungen L1 und L2 aufweist. Die Hilfsenergieübertrager 31 bis 33 werden jeweils von Hilfstransformatoren mit Wicklungen L₆, L₃, bzw. L₇, L₄ bzw. L₈, L₅ gebildet, die jeweils eine Hilfsspannung an eine der drei Schutzschaltungen A, B, C liefern.
Während bei dem in der 6 dargestellten Ausführungsbeispiel die Hilfstransformatoren und der Haupttransformator parallel bestromt werden, sind bei dem in der 7 dargestellten Ausführungsbeispiel die Primärwicklungen L₁, L₆, L₇, L₈ des Haupttransformators bzw. der drei Hilfstransformatoren in Reihe geschaltet.
Während in 7 ein Haupt- und der Hilfstransformatoren verwendet werden, kann eine Hilfswicklung L3 auch auf dem Haupttransformator aufgebracht sein. Die beiden anderen Hilfstransformatoren sind separat platziert. 8
Die erfindungsgemäße Schaltung besitzt einen Feldeffekttransistor T₁, der mit Hilfe der Speicherschaltung T₂, T₃, D₁₄ ein Thyristor-artiges Schaltverhalten bekommt. Der Kondensator C₁₃, der bspw. mit der Hilfswicklung L₃ aufgeladen wird, liefert eine de facto leistungslose Gate-Spannung. Durch den niedrigen Haltestrom dieser pseudo-„Thyristor-Struktur” bleibt der Transistor T₄ im Fehlerfall gesperrt. Es fließt ein außerordentlich geringer Strom über das Gate 6 des Feldeffekttransistors T₁, der gleichsam als idealer Schalter arbeitet, so dass dort nur eine äußerst geringe Verlustleistung abfällt. Diese liegt bei etwa 0,1 Watt, also etwa um einen Faktor 50 geringer, als bei einem Thyristor in einer zum Stand der Technik gehörenden Schaltung. Im Ausführungsbeispiel ist die Spannungsbegrenzungsschaltung dreifach und unabhängig voneinander ausgeführt. Die drei Hilfswicklungen und die dazu gehörigen elektronischen Schaltungen arbeiten unabhängig voneinander. Ein Ausfall einer Schutzschaltung führt nicht zum Ausfall der anderen. Auch ein Kurzschluss einer oder zweier Hilfswicklungen bzw. der Glättungskondensatoren C₁₃ führt nicht zum Versagen der anderen Schaltungen. Nicht dargestellte Ausführungsformen besitzen lediglich eine zweifache oder nur eine einfache Ausführung der Schutzschaltung. Der MOSFET ist für eine maximale Spannung von 60 V ausgelegt. Die Ausgangsspannung kann bspw. auf 5 V stabilisiert werden. Die ZENER-Diode D₁₄ in Kombination mit der Diode D9 ist so ausgelegt, dass bei einer Schwellspannung von 8 V die „Crowbar-Schaltung” zündet. Um zu vermeiden, dass die Crowbar-Schaltung auch bei sehr kurzen Überspannungen zündet, ist das Verzögerungsglied R10, R4, C₁₀ vorgesehen, dass eine Verzögerung von etwa 400 μs bewirkt. In der Zwischenphase dieser 400 μs können mögliche Überspannungsimpulse durch den dem Feldeffekttransistor innewohnenden Avalanche-Effekt zwischen Drain und Source begrenzt werden. Die Überspannungen werden auf maximal 60 V beschränkt, da der Avalanche-Effekt ähnlich einer ZENER-Diode wirkt. Die Ausgangsspannung kann auch Werte bis 47 V einnehmen, wenn zusätzlich Zenerdioden zwischen Drain und Source geschaltet werden.
Die Transformatoren sind so ausgelegt, dass die Anzahl der Wicklungen der Hilfsspulen L₃ bis L₅ geringer ist, als die Anzahl der Wicklung der Primärspule L₁. Dies führt zu einer Minimierung der maximal auftretenden Überspannungen in den Hilfsspannungsquellen. Es besteht auch die Möglichkeit, auf der Primärseite durch Schutzmaßnahmen sicherzustellen, dass am Übertrager eingangsseitig nicht mit maximal 250 V zu rechnen ist. Durch eine weitere Spannungsbegrenzungsschaltung kann bspw. sichergestellt werden, dass eine Überspannung maximal 36 V betragen kann. Der Einsatz von Ferrit-Übertrager mit galvanischer Barriere kann hierzu vorgesehen sein.
Die Spannung für das Gate des Feldeffekttransistors T1 wird von einer selbstverrastenden Auslöseschaltung erzeugt, wenn die Ausgangsspannung einen vorgegebenen Schwellwert für eine vorgegebene Zeit überschreitet, wobei die Auslöseschaltung mit einer unabhängigen Hilfsenergiequelle zumindest solange mit elektrischer Energie versorgt wird, bis die Sicherung durchgebrannt ist und bevorzugt permanent mit einer Hilfsenergie versorgt wird.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, nämlich:
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Hilfsschaltung T₂, T₃, D₉ die den Feldeffekttransistor T₁ schaltende Gate-Spannung über zumindest die Auslösezeit der Sicherung F₁ aufrecht erhält.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Hilfsschaltung T₂, T₃, D₉ eine Kippschaltung umfasst, die sicherstellt, dass bei erstmaligen Erreichen oder Überschreiten des Schwellwertes die Gate-Spannung 6 unabhängig vom weiteren Verlauf der überwachten elektrischen Größe zumindest solange aufrecht erhalten wird, bis die Sicherung auslöst.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Hilfsschaltung T₂, T₃, D₉ von einer Hilfsspannungsquelle L₃, D₁₇, C₁₃ gespeist wird.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Hilfsspannungsquelle einen Kondensator C₁₃ und/oder eine Sekundärwicklung L₃, L₄, L₅ aufweist.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schutzschaltung zumindest einen Transformator oder mehrere Transformatoren aufweist mit einem Hauptwicklungspaar L₁, L₂ zur Leistungsübertragung und zumindest einer Nebenwicklung L₃, L₄, L₅ zur Energiespeisung der Speichereinrichtung.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die dem Feldeffekttransistor T₁ zugeordnete Inverse-Diode D₁ als Verpolungsschutzdiode verwendet wird.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Speichereinrichtung mit einem im Normalfall durchgeschalteten Übertragungstransistor (T₄) zusammenwirkt, der die Gate-Spannung (6) des Feldeffekttransistors (T₁) auf dem Niveau der Source-Spannung hält und der im Fehlerfall sperrt, so dass die Hilfsspannung die Gate-Spannung (6) liefert.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Überwachungseinrichtung eine ZENERdiode D₁₄ als Schwellwert bestimmendes Bauelement aufweist, die eine Basis eines ersten Schalttransistors T₃ über eine in Durchlassrichtung geschaltete Diode D₉ und optionalen Widerstand R10 mit dem Drain des Feldeffekttransistors T₁ verbindet. Die Zenerdiode D11 dient dem Schutz des Gates vom MOSFET T1.
Eine Schutzschaltung, die gekennzeichnet ist durch ein Zeitverzögerungsglied R10, R₄, C₁₀, mit dem das Kippen der Kippschaltung um bspw. 500 μs verzögert wird.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Speichereinrichtung T₂, T₃, D₉ durch mindestens eine Schutzdiode D₂, D₃ gegen Überspannungen geschützt ist.
Eine Schutzschaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Avalanche-Effekt des MOSFETs (T₁) kurzzeitige Spannungsspitzen unterdrückt.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Eingangsklemme
2: Eingangsklemme
3: Ausgangsklemme
4: Ausgangsklemme
5: Hilfsspannung/Hilfsspannungsspule
6: Gate-Spannung
7: Basisspannung
8: Basisspannung
9: Basisspannung
10: Emitterspannung
11: Kathode der ZENER-Diode
12: Drainspannung
19: Trennung/Grenze
20: Filter
21: Primärkreis
22: sekundärkreisseitiger Verbraucher
23: DC/DC-Wandler
24: Zerhacker
31: Hilfsspannungsquelle, -übertrager
32: Hilfsspannungsquelle, -übertrager
33: Hilfsspannungsquelle, -übertrager
A: Schaltung/Schutzschaltung
B: Schaltung/Schutzschaltung
C: Schaltung/Schutzschaltung
F₁: Sicherung
L₁: Primärspule (oder -wicklung)
L₂: Sekundärspule
L₃: Sekundärspule (Hilfswicklung)
L₄: Sekundärwicklung (Hilfswicklung)
L₅: Sekundärwicklung (Hilfswicklung)
L₆: Primärwicklung
L₇: Primärwicklung
L₈: Primärwicklung
C₆: Glättangs-/Kondensator
C₁₀: Kondensator
C₁₁: Kondensator
C₁₃: Kondensator
D₁: Diode (Bodydiode des MOSFETs)
D₆: Diode
D₈: Diode
D₉: Diode
D₁₁: ZENER-Diode
D₁₃: Diode
D₁₄: ZENER-Diode
D₁₇: Diode
R₄: Widerstand/+ Verzögerungsglied
R10: Widerstand/+ Verzögerungsglied
R₇: Widerstand
R₈: Widerstand
R₉: Widerstand
T₁: Feldeffekttransistor
T₂: Transistor (Speicherschaltung)
T₃: Transistor
T₄: Transistor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 102009046616 A1 [0006]
DE 102010040833 A1 [0006]
DE 112012002682 T5 [0006]
US 6414524 B1 [0006]
US 6448852 B1 [0006]
US 6600668 B1 [0006]

Claims

Schutzschaltung für ein in einem explosionsgefährdeten Bereich betriebenes Elektrogerät, bei der die Klemmen (1, 2) eines Eingangsklemmenpaars mit den Klemmen (3, 4) eines Ausgangsklemmenpaars jeweils durch eine elektrische Leitverbindung verbunden sind, mit einer Überwachungseinrichtung (D14 + D9) zur Überwachung einer elektrischen Größe, mit einem Kurzschließer (T₁), der in einem Normalfall hochohmig ist und der in einem Fehlerfall, wenn die elektrische Größe einen Schwellwert erreicht oder überschreitet, die Leitverbindungen miteinander kurzschließt, und mit einer in einer der elektrischen Leitverbindungen angeordneten Sicherung (F₁), die als Folge des beim Kurzschließens durch den Kurzschließer (T₁) fließenden Kurzschlussstroms auslöst und die zugeordnete Leitverbindung zwischen Eingangsklemme (1) und Ausgangsklemme (3) unterbricht, wobei der Kurzschließer (T₁) ein Feldeffekttransistor ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsschaltung (T₂, T₃, D₉) die den Feldeffekttransistor (T₁) schaltende Gate-Spannung über zumindest die Auslösezeit der Sicherung (F₁) aufrecht erhält.
Schutzschaltung nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung (T₂, T₃, D₉) eine Kippschaltung umfasst, die sicherstellt, dass bei erstmaligen Erreichen oder Überschreiten des Schwellwertes die Gate-Spannung (6) unabhängig vom weiteren Verlauf der überwachten elektrischen Größe zumindest solange aufrecht erhalten wird, bis die Sicherung auslöst.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung (T₂, T₃, D₉) von einer Hilfsspannungsquelle (L₃, D₁₇, C₁₃) gespeist wird.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsspannungsquelle einen Kondensator (C₁₃) und/oder eine Sekundärwicklung (L₃, L₄, L₅) aufweist.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung zumindest einen Transformator oder mehrere Transformatoren aufweist mit einem Hauptwicklungspaar (L₁, L₂) zur Leistungsübertragung und zumindest einer Nebenwicklung (L₃, L₄, L₅) zur Energiespeisung der Speichereinrichtung.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Feldeffekttransistor (T₁) zugeordnete Inverse-Diode (D₁) als Verpolungsschutzdiode verwendet wird.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung mit einem im Normalfall durchgeschalteten Übertragungstransistor (T₄) zusammenwirkt, der die Gate-Spannung (6) des Feldeffekttransistors (T₁) auf dem Niveau der Source-Spannung hält und der im Fehlerfall sperrt, so dass die Hilfsspannung die Gate-Spannung (6) liefert.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung eine ZENER-Diode (D₁₄) aufweist, die eine Basis eines ersten Schalttransistors (T₃) über eine in Durchlassrichtung geschaltete Diode (D₉) mit dem Drain des Feldeffekttransistors (T₁) verbindet.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Zeitverzögerungsglied (R₄, C₁₀), mit dem das Kippen der Kippschaltung um bspw. 500 μs verzögert wird.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (T₂, T₃, D₉) durch mindestens eine Schutzdiode (D₂, D₃) gegen Überspannungen geschützt ist.
Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Avalanche-Effekt des MOSFETs (T₁) kurzzeitige Spannungsspitzen unterdrückt.
Schutzschaltung, gekennzeichnet durch eine oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.