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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von mindestens einem Schalter, wobei über einen Signalgenerator und wenigstens einen Kondensator ein Wechselspannungssignal in den Strompfad des zu überwachenden Schalters eingekoppelt wird und wobei das Wechselspannungssignal über wenigstens einen weiteren Kondensator zur Erfassung einer Ausgangsspannung wieder ausgekoppelt wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung geht es darum, die Funktionsfähigkeit von Schaltern, insbesondere Relais, zu überprüfen. Die Überwachung der Funktionsfähigkeit ist bei diesen Schaltern vor allem dann von Interesse, wenn diese sicherheitsrelevante Aufgaben in Stromkreisen haben. So kann es erforderlich sein, im Fehlerfall z. B. bei einem Kurzschluss sicherzustellen, dass der Stromkreis vom Netz getrennt wird. Dies ist nur möglich, wenn der für die Trennung zuständige Schalter auch zuverlässig funktioniert und insbesondere zuverlässig öffnet, um den Stromkreis vom Stromnetz zu trennen.
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Eine derartige Sicherheitsschaltvorrichtung zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers geht aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 054 877 A1 hervor. Die darin offenbarte Sicherheitsschaltvorrichtung dient zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers in einer automatisiert betriebenen Anlage und besitzt zumindest einen Eingang zum Anschließen eines Meldegeräts. Die Sicherheitsschaltvorrichtung besitzt außerdem einen Auswerte- und Steuereinheit und zumindest ein Schaltelement, das von der Auswerte- und Steuereinheit ansteuerbar ist. Das Schaltelement ist dazu ausgebildet, einen Stromversorgungspfad zu dem Verbraucher zu unterbrechen. Dabei ist vorgesehen, dass das Schaltelement ein Wechselschalter mit zumindest zwei zueinander alternativen Schaltpfaden ist, wobei ein erster Schaltpfad im Stromversorgungspfad zu dem Verbraucher liegt, wobei ein zweiter Schaltpfad zu einer Überwachungseinheit führt. Die Schaltereinheit kann so einen ersten Schalteingang entweder mit einem zweiten Schalteingang oder mit einem dritten Schalteingang verbinden. Zur Überwachung der Funktionsfähigkeit wird der zweite Schalteingang oder der dritte Schalteingang mit einem Testsignal beaufschlagt. Als Testsignal wird ein elektrisches Wechselspannungssignal verwendet. Wenn der erste Schalteingang mit dem zweiten Schalteingang verbunden ist, so gelangt das Testsignal zur Signalauswerteeinheit und kann erfasst werden. Dies bedeutet, dass mit der Sicherheitsschaltvorrichtung festgestellt werden kann, ob der Schalter geschlossen ist.
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Nachteilig an der zuvor genannten Sicherheitsschalteinrichtung ist jedoch, dass bei geöffnetem Schalter kein Signal zurückgelesen wird und deshalb nicht eindeutig festgestellt werden kann, ob der Schalter geöffnet ist oder anderweitig eine Unterbrechung vorliegt oder nur das Testsignal ausgefallen ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von mindestens einem Schalter zu schaffen, welche es erlaubt, den geöffneten Zustand des Schalters eindeutig und zweifelsfrei zu erfassen und so die Sicherheit beim Abschalten elektrischer Spannung sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich grundsätzlich zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von beliebigen Schaltern. Sie eignet sich aber insbesondere dazu, die Funktionsfähigkeit von Relais zu überprüfen. Bei Relais besteht die Gefahr, dass bei häufigen Schaltvorgängen insbesondere bei großen Strömen, beim Schaltvorgang hohe Temperaturen auftreten und dadurch die Gefahr besteht, dass die Schaltkontakte miteinander verschweißt werden. Dies führt dazu, dass das Relais nicht mehr öffnet und somit der Stromkreis nicht mehr getrennt werden kann. Dies stellt ein Sicherheitsrisiko dar und muss daher in sicherheitsrelevanten Stromkreisen zuverlässig erkannt werden. Mit der vorliegenden Erfindung ist dies zuverlässig möglich. Dazu verwendet die Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von mindestens einem Schalter einen Signalgenerator, welcher über wenigstens einen Kondensator ein Wechselspannungssignal in den Strompfad des überwachenden Schalters einkoppelt. Weiterhin kann dieses Wechselspannungssignal über wenigstens einen weiteren Kondensator zur Erfassung einer Ausgangsspannung wieder ausgekoppelt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun vorgesehen, dass eine Ausgangsspannung nur anliegt, wenn der eine Schalter geöffnet ist, und dass keine Ausgangsspannung anliegt, wenn der eine Schalter geschlossen ist. Dies hat den großen Vorteil, dass nur dann eine Ausgangsspannung erfasst werden kann, wenn der Schalter geöffnet ist. Sollte z. B. der Signalgenerator ausfallen, so würde ebenfalls keine Ausgangsspannung anliegen und somit signalisiert werden, dass der Schalter nicht geöffnet ist und daher ein Sicherheitsproblem vorliegt. Dies ist beim zuvor genannten Stand der Technik nicht möglich, so dass die vorliegende Erfindung die Sicherheit wesentlich erhöht.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Schalter parallel angeordnet und überwacht werden, welche über Kondensatoren mit dem Wechselspannungssignal beaufschlagt werden, und dass nur dann eine Ausgangsspannung anliegt, wenn alle Schalter geöffnet sind, und dass keine Ausgangsspannung anliegt, wenn auch nur einer der Schalter geschlossen ist. Auf diese Art und Weise ist es möglich, beliebig viele parallel angeordnete Schalter mit einem Signalgenerator und entsprechenden Koppelkondensatoren zu überwachen, weil nur dann eine Ausgangsspannung anliegt, wenn sämtliche Schalter geöffnet sind. Wenn also auch nur einer der parallel angeordneten Schalter einen Defekt aufweist und nicht mehr trennt, liegt keine Ausgangsspannung an und es wird somit signalisiert, dass wenigstens einer der Schalter defekt ist. Auf diese Art und Weise können beliebig viele Schalter kostengünstig überwacht werden, weil nur ein einziger Signalgenerator für die Erfassung einer einzigen Ausgangsspannung erforderlich ist.
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Neben der Überwachung von Relais ist es auch möglich, Halbleiterschalter zu überwachen, um z. B. festzustellen, ob die Elektroden durchlegiert haben und somit die Schaltfunktion des Halbleiterschalters nicht mehr gewährleistet ist.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Schalter im Leiter, im Nullleiter und im Schutzleiter einer Spannungsversorgung angeordnet sind. Leiter, Nullleiter und Schutzleiter sind parallele Leitungen, welche erfindungsgemäß durch jeweils einen Schalter vom Stromnetz getrennt werden können. Da die Schalter alle parallel angeordnet sind, ist es möglich, diese Schalter parallel zu überwachen um sicherzustellen, dass alle Schalter zuverlässig trennen. Wenn auch nur einer der Schalter nicht mehr zuverlässig trennt, liegt keine Ausgangsspannung an und das Sicherheitsproblem wird zuverlässig erkannt. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, durch das Vorsehen von einem Schalter jeweils im Leiter, Nullleiter und Schutzleiter das sichere Trennen einer Spannungsversorgungseinrichtung vom Stromnetz sicherzustellen.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Wechselspannungssignal über die Wicklung eines Transformators eingespeist wird. In diesem Fall müssen keine zusätzlichen Anschlüsse für das Einspeisen des Wechselspannungssignals vorgesehen sein, es genügt, dieses über die Primärwicklung des Transformators einzuspeisen. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Signalgenerator Bestandteil eines Netzteils zur Spannungsversorgung ist. In diesem Fall können hochfrequente Wechselspannungen zur Ansteuerung des Netzteils als Nebenprodukt verwendet werden, um als Wechselspannungssignale zu dienen. Diese können dann über die bereits erwähnte Transformatorwicklung des Netzteils problemlos eingespeist werden. Dies vermeidet einen separaten Signalgenerator vorzusehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erfassung der Wechselspannung mittels eines Optokopplers erfolgt. Der Optokoppler hat den Vorteil, dass er eine galvanische Trennung zwischen der erfassten Wechselspannung und der Ausgangsspannung ermöglicht. Auf diese Art und Weise kann der Stromkreis mit den Schaltern vom Signalstromkreis mit der Niederspannung der Ausgangsspannung zuverlässig galvanisch getrennt werden. Alternativ zum Optokoppler kann die erfasste Wechselspannung auch über einen Transformator zum Ausgang übertragen werden, auch in diesem Fall ist eine galvanische Trennung gewährleistet.
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Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass die Schalter im Leiter und im Nullleiter einer Spannungsversorgung angeordnet sind und dass Nullleiter und Leiter durch Kondensatoren galvanisch getrennt sind. Auf diese Art und Weise ist die galvanische Trennung von Nullleiter und Leiter gewährleistet, wobei über die Kondensatoren trotzdem das Wechselspannungssignal zur Überwachung der Funktionsfähigkeit der Schalter in den jeweiligen Schalter eingespeist werden kann.
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Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass bei wenigstens einem geschlossenen Schalter die vom Signalgenerator erzeugte Wechselspannung im Wesentlichen an einem Widerstand und nicht am Optokoppler abfällt. Durch den Abfall der vom Signalgenerator erzeugten Wechselspannung am Widerstand gelangt diese Wechselspannung nicht mehr zum Optokoppler, so dass der Optokoppler keine Ausgangsspannung zur Verfügung stellt. Dadurch wird sichergestellt, dass bei wenigstens einem geschlossenem Schalter keine Ausgangsspannung anliegt und somit das Nichtöffnen des wenigstens einen Schalters zweifelsfrei festgestellt wird.
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Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass der Schutzleiter vom Nullleiter und/oder vom Leiter durch einen Kondensator galvanisch getrennt ist. In diesem Fall sind nicht nur Nullleiter und Leiter galvanisch voneinander getrennt, auch der Schutzleiter wird vom Nullleiter und vom Leiter galvanisch getrennt. Auf diese Art und Weise können die Schalter im Schutzleiter, Nullleiter und Leiter zuverlässig galvanisch voneinander getrennt werden und zugleich über die Kondensatoren mit dem Wechselspannungssignal zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit versorgt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:
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Figur den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von drei parallel angeordneten Schaltern im Leiter, Nullleiter und Schutzleiter einer Spannungsversorgung.
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Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus einer Spannungsversorgung, welche z. B. Teil eines Ladegeräts für die Akkumulatoren von Elektroautos ist. Im Falle eines Defekts im Ladegerät muss dieses von der Spannungsversorgung des Stromnetzes zuverlässig getrennt werden. Diese geschieht in der Figur mittels der drei Relais Rel-L1 in Leiter L1, Rel-N im Nullleiter N und Rel-PE im Schutzleiter PE. Auf diese Art und Weise können sowohl Leiter L1 als auch Nullleiter N als auch der Schutzleiter PE von der Spannungsversorgung des Ladegeräts abgekoppelt werden und so der Stromfluss zwischen Stromnetzladegerät zuverlässig unterbunden werden. Dies ist allerdings nur dann sichergestellt, wenn die Relais zuverlässig funktionieren. Insbesondere muss gewährleistet sein, dass die Relais zuverlässig trennen, um die Spannungsversorgung zu unterbinden. In der Figur ist ein Transformator T zu erkennen, über dessen Primärwicklung Tr ein Wechselspannungssignal eingekoppelt werden kann. Dieses Wechselspannungssignal wird vom Signalgenerator S erzeugt, welcher wiederum Teil der Ladevorrichtung sein kann und dessen Wechselspannungssignal z.B. zum Ansteuern von Halbleiterbauelementen in einem Schaltnetzteil von der Steuerelektronik der Ladevorrichtung stammt.
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Die Leiter L1, Nullleiter N und Schutzleiter PE sind jeweils durch die Kondensatoren C2, C3, C4 mit der Sekundärwicklung Tr1 verbunden, so dass die Wechselspannung des Signalgenerators S über die Kondensatoren C2, C3, C4 in die Schalter eingekoppelt werden kann, ohne dass eine galvanische Verbindung zwischen den Leitern L1, N, PE existieren muss. Diese Wechselspannung wird über den weiteren Kondensator C1 wieder ausgekoppelt und an einen Optokoppler 1 weitergegeben, welcher mit einer parallel in Sperrrichtung geschalteten Diode D1 verbunden ist. Durch den Optokoppler 1 wird der Schaltkreis auf der linken Seite ebenfalls komplett galvanisch vom Niederspannungsbereich auf der rechten Seite getrennt.
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Wenn alle Schalter Rel-L1, Rel-N, Rel-PE geöffnet sind, fällt über dem Widerstand R1 nur eine geringe Spannung ab und es fließt ein Strom durch den Optokoppler. Dadurch kann am Ausgang des Optokopplers eine Ausgangsspannung U-out festgestellt werden. Dies bedeutet, dass immer dann, wenn rechts am Ausgang eine Ausgangsspannung U-out festgestellt werden kann, sämtliche Schalter Rel-L1, Rel-N und Rel-PE geöffnet sind und somit zuverlässig trennen. Wenn auch nur einer der drei Schalter Rel-L1, Rel-N, Rel-PE geschlossen ist, fällt die volle Spannung am Widerstand R1 ab und über den Optokoppler 1 fließt kein Strom. Dies führt dazu, dass am Ausgang auch keine Ausgangsspannung U-out anliegt.
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Derselbe Effekt tritt ein, wenn der Signalgenerator S defekt ist und überhaupt keine Wechselspannung über die Transformatorwicklung Tr einkoppelt wird. Dann fließt ebenfalls kein Strom durch den Optokoppler 1, und es liegt keine Ausgangsspannung U-out an. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass nur dann eine Ausgangsspannung U-out anliegt, wenn zum einen alle Schalter Rel-L1, Rel-N und Rel-PE trennen und zum anderen der Signalgenerator S funktioniert und eine Wechselspannung einspeist. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die Relais in Ordnung sind und die Wechselspannung vom Signalgenerator S korrekt anliegt. Somit deutet ein Ausbleiben der Ausgangsspannung U-out auf jeden Fall auf einen Fehler hin, entweder ist der Signalgenerator S defekt oder die Schalter Rel-L1, Rel-N und Rel-PE trennen nicht. In jedem Fall liegt ein Fehler vor und im Ladegerät wird eine entsprechende Warnung ausgegeben. Für die Überwachung der drei Relais Rel-L1, Rel-N und Rel-PE ist somit nur ein einziger Signalgenerator S notwendig, es könnten auch noch beliebig viele weitere Relais parallel überwacht werden. Weiterhin sind durch die Kondensatoren C3, C4 die Leiter L1 und der Nullleiter N galvanisch getrennt.
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Für den Fall, dass durch die Wechselspannung des Signalgenerators S elektromagnetische Störungen auftreten, kann die Wechselspannung durch einem Schalter Ts die Wechselspannung des Signalgenerators S an- und abgeschaltet werden. So ist es möglich, nur in bestimmten zeitlichen Abständen die Wechselspannung durch den Schalter Ts kurz einzuschalten, um den Test der Schalter Rel-L1, Rel-N und Rel-PE durchzuführen und so elektromagnetische Unverträglichkeiten auf ein Minimum zu begrenzen
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optokoppler
- L1
- Leiter
- N
- Nullleiter
- PE
- Schutzleiter
- Rel-L1
- Relais im Leiter
- Rel-N
- Relais im Nullleiter
- Rel-PE
- Relais im Schutzleiter
- Tr
- Primärwicklung
- Tr1
- Sekundärwicklung
- T
- Transformator
- C1, C2, C3, C4, C10
- Kondensatoren
- D1
- Diode
- R1, R2, R5
- Widerstände
- U-out
- Ausgangsspannung
- S
- Signalgenerator
- Ts
- Schalter
- Vcc
- Versorgungsspannung des Opokopplers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006054877 A1 [0003]
