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Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung zur Stromunterbrechung, mit einem Schalter. Die Trennvorrichtung ist bevorzugt ein Bestandteil eines Schutzschalters. Die Erfindung betrifft ferner einen Schutzschalter und ein Verfahren zum Betrieb einer Trennvorrichtung.
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Photovoltaikanlagen weisen üblicherweise eine Anzahl von Photovoltaikmodulen auf, die elektrisch in Reihe bzw. parallel zueinander geschaltet sind. Der Zusammenschluss der Photovoltaikmodule selbst ist mittels einer Stromleitung mit einem Umrichter kontaktiert, mittels dessen die von den Photovoltaikmodulen bereitgestellte elektrische Energie in ein Versorgungsnetzwerk eingespeist wird, welches üblicherweise einen Wechselstrom aufweist. In der Stromleitung hingegen wird prinzipbedingt ein Gleichstrom geführt. Um im Fehlerfall die Photovoltaikmodule von dem Umrichter zu trennen, werden üblicherweise Schutzschalter eingesetzt, mittels derer eine Beschädigung des Umrichters oder ein Abbrand der Photovoltaikmodule aufgrund eines bestehenden elektrischen Stromflusses unterbunden wird. Hierbei werden üblicherweise elektrische Ströme mit einer Stromstärke von einigen 10 Ampere geschaltet, wobei aufgrund einer geeigneten Verschaltung innerhalb des Photovoltaikmoduls an den Kontakten eine elektrische Spannung mit einigen 100 Volt anliegt.
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Ein weiteres Einsatzgebiet für Schutzschalter zur Gleichstromunterbrechung stellen Fahrzeuge dar, wie beispielsweise Flugzeuge oder Kraftfahrzeuge. Hierbei weisen Kraftfahrzeuge, die mittels eines Elektromotors angetrieben werden, üblicherweise ein Hochvoltbordnetz auf, das eine Hochvoltbatterie umfasst. Mittels der Hochvoltbatterie wird eine elektrische Spannung zwischen 400 und 500 Volt und eine Stromstärke bis zu einigen 100 Ampere bereitgestellt. Bei einer Fehlfunktion der Hochvoltbatterie oder einem Kurzschluss innerhalb des hiermit verbundenen Umrichters oder Elektromotors ist aus Sicherheitsgründen eine möglichst schnelle Abschaltung des Hochvoltbordnetzes erforderlich. Um einen Abbrand der Hochvoltbatterie zu vermeiden ist eine möglichst geringe Schaltdauer erforderlich. Dies ist auch bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs und einem hierdurch bedingten Kurzschluss innerhalb des Elektromotors oder Umrichters zu gewährleisten.
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Wenn derartige Ströme bzw. derartige elektrische Spannungen geschaltet werden, kann im Bereich des Schalters, sofern es sich bei diesem um einen mechanischen Schalter handelt, zu einer Ausbildung eines Lichtbogens führen. Infolgedessen wird der Schalter sowie diesen umgebende Bauteile erwärmt, was zu einem Versagen bis zu einem Abbrand des Schalters führen kann. Zudem besteht für einen bestimmten Zeitraum aufgrund des Lichtbogens ein Stromfluss weiter, sodass beispielsweise im Falle eines Kraftfahrzeugs der Elektromotor bei einem Unfall noch für einen bestimmten Zeitraum betrieben wird.
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In
US 2014/0 126 098 A ist ein System zum Unterbrechen von Gleichstrom gezeigt, welches geeignet ist, eine Gleichstrom-Leitung mit induktivem Verhalten zu öffnen. Das System umfasst einen primären mechanischen Schalter, einen sekundären mechanischen Schalter und eine elektronische Schaltung zum Schützen vor Überspannung, mit mindestens einem Transistor. Das System weist zusätzlich ein elektronisches System zum Öffnen auf.
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Aus
DE 10 2014 110 481 A1 ist eine Schutzeinrichtung für elektrische Energieversorgungsnetze bekannt, in denen wenigstens eine Last aus wenigstens einer Energiequelle speisbar ist. Die Schutzeinrichtung umfasst wenigstens eine Unterspannungs-Überwachungseinrichtung zum Detektieren, ob eine aus einer von der wenigstens einen Energiequelle abgebbaren Versorgungsspannung ableitbare Messgleichspannung einen ersten Schwellenwert unterschreitet, wenigstens eine Überspannungs-Überwachungseinrichtung zum Detektieren, ob die Messgleichspannung einen zweiten Schwellenwert überschreitet, und wenigstens eine Schalteinrichtung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der wenigstens einen Energiequelle und der wenigstens einen Last, wenn die Messgleichspannung mindestens dem ersten und höchstens dem zweiten Schwellenwert entspricht.
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In
DE 10 2010 007 452 A1 ist eine Schaltentlastung für einen Trennschalter für die Anwendung im Bereich elektrischer Fahrzeuge offenbart, bei der der Trennschalter eine galvanische Trennung zwischen Batterie und Zwischenkreis vornehmen muss. Dazu wird wenigstens ein Halbleiterschalter eingesetzt. Für die Trennung der elektrischen Verbindung wird der abzuschaltende Strom über den Halbleiterschalter geleitet. Davor oder danach wird der Trennschalter bei reduziertem Spannungsaufbau abgeschaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Trennvorrichtung zur Stromunterbrechung sowie einen besonders geeigneten Schutzschalter als auch ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb einer Trennvorrichtung anzugeben, wobei insbesondere eine Sicherheit erhöht und vorzugsweise Herstellungskosten gesenkt sind.
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Hinsichtlich der Trennvorrichtung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Schutzschalters durch die Merkmale des Anspruchs 9 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Trennvorrichtung dient der Stromunterbrechung. Folglich wird mittels der Trennvorrichtung ein elektrischer Strom geschaltet, der beispielsweise ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom ist. Zweckmäßigerweise ist die Trennvorrichtung vorgesehen und geeignet, einen Gleichstrom zu unterbrechen. Sofern mittels der Trennvorrichtung ein Wechselstrom geschaltet wird, weist dieser beispielsweise eine Frequenz größer 500 Hz, 800 Hz oder 900 Hz auf. Zweckmäßigerweise ist die Frequenz größer oder gleich 1 kHz, 1,5 kHz, 2 kHz, 5 kHz oder 10 kHz. Insbesondere ist die Frequenz kleiner oder gleich 10 MHz, 5 MHz oder 1 MHz. Insbesondere ist die Trennvorrichtung geeignet, bevorzugt vorgesehen und eingerichtet, einen Nennstrom zu tragen, der größer oder gleich 100 A, 300 A, 500 A oder 800 A ist. Zweckmäßigerweise ist die maximal mittels der Trennvorrichtung schaltbare elektrische Stromstärke des Nennstroms 2 kA, 3 kA oder 5 kA. Beispielsweise ist die Trennvorrichtung für einen Nennstrom von 1 kA vorgesehen und eingerichtet, wobei beispielsweise Abweichungen von +/–10%, +/–5% oder +/–2% vorgesehen sind. Geeigneterweise ist die Trennvorrichtung geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, einen Kurzschlussstrom, insbesondere für einen vergleichsweise kurzen Zeitraum, von bis zu 10 kA, 12 kA, 17 kA, 20 kA, 22 kA, 25 kA oder 30 kA zu tragen. Zweckmäßigerweise ist der maximal tragbare Kurzschlussstrom zwischen 15 kA und 20 kA. Unter tragbarem Strom wird insbesondere derjenige elektrische Strom verstanden, der mittels der Trennvorrichtung geführt werden kann, ohne dass hierdurch eine Beschädigung hervorgerufen wird.
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Beispielsweise ist die Trennvorrichtung geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, eine elektrische Spannung zu trennen bzw. zu schalten, die größer oder gleich 100 V, 200 V, 300 V, 400 V oder 500 V ist. Beispielsweise ist die maximal zu schaltende elektrische Spannung 1.100 V, 1.000 V, 900 V oder 800 V, insbesondere sofern der elektrische Strom ein Wechselstrom ist. Sofern der elektrische Strom ein Gleichstrom ist, ist die maximal zu schaltende elektrische Spannung geeigneterweise kleiner oder gleich 2.000 V, 1.800 V, 1.500 V, 1.200 V oder 1.000 V.
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Beispielsweise wird die Trennvorrichtung im Bereich der E-Mobilität verwendet. Mit anderen Worten wird mittels der Trennvorrichtung ein Bordnetz eines Fahrzeugs Kraftfahrzeugs geschaltet, welches insbesondere ein Hochvolt-Bordnetz ist. Alternativ wird mittels der Trennvorrichtung ein Bordnetz eines Flugzeuges geschaltet. Eine weitere Alternative der Anwendung ist im Bereich einer Photovoltaikanlage. Zweckmäßigerweise ist mittels der Trennvorrichtung ein elektrisches Trennen eines Photovoltaikmoduls von einem Umrichter ermöglicht. Alternativ hierzu ist mittels der Trennvorrichtung ein Zwischenkreis eines Umrichters geschaltet, wobei der Umrichter beispielsweise ein Bestandteil einer Photovoltaikanlage ist. In einer Alternative hierzu ist der Umrichter ein Bestandteil einer Industrieanlage. Zweckmäßigerweise wird mittels der Trennvorrichtung eine Bestromung eines Roboters der Industrieanlage gesteuert. Insbesondere wird mittels der Trennvorrichtung ein Zwischenkreis geschaltet, mit dem eine Anzahl an Robotern elektrisch kontaktiert ist. Alternativ wird die Trennvorrichtung in einem weiteren Bereich der Industrieanlage oder einem sonstigen Bereich der Automation verwendet. Zweckmäßigerweise wird die Trennvorrichtung zum Schalten einer induktiven Last verwendet.
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Die Trennvorrichtung weist einen Schalter auf, der im geschlossenen Zustand den mittels der Trennvorrichtung geführten elektrischen Strom trägt. In diesem Fall fließt vorzugsweise ein elektrischer Strom zwischen zwei Anschlüssen des Schalters. Im geöffneten Zustand liegt zwischen den beiden Anschlüssen eine elektrische Spannung an. Der elektrische Schalter ist beispielsweise ein mechanischer Schalter, der zweckmäßigerweise elektrisch betätigbar ist. Zweckmäßigerweise ist der mechanische Schalter ein Relais und weist insbesondere einen Bewegkontakt auf. Im geschlossenen Zustand liegt der Bewegkontakt insbesondere mechanisch direkt an einem weiteren Kontakt an, der beispielsweise ebenfalls ein Bewegkontakt oder alternativ ein Festkontakt ist. Zum Schalten des Schalters werden die beiden Kontakte mechanisch zueinander beabstandet. In einer Alternative ist der Schalter ein Halbleiterschalter, wie insbesondere ein Feldeffekttransistor (FET). Beispielsweise ist der Halbleiterschalter ein MOSFET oder ein IGBT.
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Parallel zu dem Schalter ist ein Spannungsbegrenzer geschaltet. Der Spannungsbegrenzer weist vorzugsweise zwei Anschlüsse auf, von denen jeweils einer einem der Anschlüsse des Schalters zugeordnet sind. Der Spannungsbegrenzer weist eine Anzahl an zueinander parallel geschalteten Strängen auf, wobei jeder Strang zweckmäßigerweise parallel zu dem Schalter geschaltet ist. Jeder der Stränge weist einen Widerstand auf, und jeder der Stränge umfasst ein Schaltelement, das in Reihe zu dem Widerstand des jeweiligen Strangs geschaltet ist. Diese Reihenschaltungen sind parallel zu dem Schalter geschaltet. Die Widerstände der Stränge sind zweckmäßigerweise ohmsche Widerstände und weisen vorzugsweise einen Widerstand von mindestens 1 mOhm, 5 mOhm, 10 mOhm, 50 mOhm, 100 mOhm, 500 mOhm, 1 Ohm, 2 Ohm, 5 Ohm, 10 Ohm, 20 Ohm, 50 Ohm, 100 Ohm, 200 Ohm, 500 Ohm, 1 kOhm, 2 kOhm, 5 kOhm oder 10 kOhm auf. Der Widerstand ist bevorzugt kleiner oder gleich 1 kOhm, 500 Ohm oder 100 Ohm. Vorzugsweise umfasst der Spannungsbegrenzer 2 Stränge, 3 Stränge oder 5 Stränge. Insbesondere ist die Anzahl der Stränge größer oder gleich 2 Stränge, 3 Stränge oder 4 Stränge. Zum Beispiel ist die Anzahl der Stränge kleiner oder gleich 20 Stränge oder 10 Stränge.
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Mittels der Schaltelemente ist es ermöglicht, einen Stromfluss in dem jeweiligen Strang zu unterbinden und folglich den elektrischen Widerstand des Spannungsbegrenzers einzustellen. Infolgedessen kann die über dem Schalter anfallende elektrische Spannung mittels des Spannungsbegrenzers eingestellt werden, was eine Sicherheit erhöht. Auch kann die Trennvorrichtung für unterschiedliche Anforderungen herangezogen werden.
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Zweckmäßigerweise wird mindestens eines der Schaltelemente in Abhängigkeit von einer über den Schalter anfallenden elektrischen Spannung und/oder einer Schaltanforderung an dem Schalter betätigt. Geeigneterweise wird mindestens eines der Schaltelemente in einen elektrischen leitenden Zustand versetzt, wenn der Schalter in einen elektrisch nicht leitenden Zustand versetzt wird. Zweckmäßigerweise wird mindestens eines der Schaltelemente eine Zeitspanne vor Betätigung des Schalters in den elektrisch leitenden Zustand versetzt. Infolgedessen fließt ein elektrischer Strom sowohl über den Schalter als auch über jeden der Stränge des Spannungsbegrenzers. Aufgrund der Widerstände der Stränge ist der über den Spannungsbegrenzer fließende elektrische Strom vergleichsweise gering, zumindest im Vergleich zu dem über dem Schalter fließenden elektrischen Strom, da der Schalter einen vergleichsweise geringen ohmschen Widerstand aufweist. Wird der Schalter betätigt, kommutiert der elektrische Strom vollständig auf den Spannungsbegrenzer.
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Sofern mittels der Trennvorrichtung eine induktive Last geschaltet wird, besteht der elektrische Stromfluss fort, wobei aufgrund der Widerstände an der Trennvorrichtung eine elektrische Spannung anliegt. Aufgrund der Parallelschaltung der Stränge ist die elektrische Spannung vergleichsweise gering. Wegen des Schaltelemente ist es ermöglicht, den das jeweilige Schaltelement aufweisenden Strang zu trennen, weswegen der elektrische Strom vollständig auf den oder die weiteren Stränge des Spannungsbegrenzers kommutiert, sodass der Widerstand des Spannungsbegrenzers erhöht ist.
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Zusammenfassend kann mittels der Schaltelemente der elektrische Widerstand des Spannungsbegrenzers angepasst werden, sodass eine über die Trennvorrichtung anfallende elektrische Spannung bei einer Betätigung des Schalters angepasst werden kann. Hierbei ist mittels der Anzahl der Stränge sowie mittels Wahl des jeweiligen Widerstands eine Skalierbarkeit der Trennvorrichtung gegeben, sodass diese auf unterschiedlichste elektrische Spannungen und/oder elektrische Ströme angepasst werden kann. Folglich ist ein Einsatzbereich der Trennvorrichtung vergrößert. Mittels der Stränge wird die über den Schalter anfallende elektrische Spannung begrenzt. Hierbei ist die elektrische Spannung vorzugsweise derart begrenzt, dass eine Ausbildung eines Lichtbogens unterbunden ist, sofern der Schalter ein mechanischer Schalter ist. Sofern der Schalter ein Halbleiterschalter ist, ist das Ausbilden einer an diesem anliegenden Durchbruchspannung unterbunden, die zu einer Zerstörung des Halbleiterschalters führen könnte. Infolgedessen ist eine Sicherheit erhöht. Auch ist die Trennvorrichtung mittels einer vergleichsweise geringen Anzahl von kostengünstigen elektrischen Bauelementen realisierbar, was Herstellungskosten senkt.
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Mindestens eines der Schaltelemente ist insbesondere ein Halbleiterschaltelement, beispielsweise ein Transistor, wie ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOSFET. Beispielsweise ist mindestens eines der Schaltelemente ein Feldeffekttransistor, ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) oder ein MOSFET. Da die elektrischen Spannungen auf die Stränge aufgeteilt sind, liegt an den Schaltelementen eine im Vergleich zum Schalter verringerte elektrische Spannung an, weswegen vergleichsweise kostengünstige Schaltelemente herangezogen werden können. Sofern der Schalter der Trennvorrichtung geschlossen ist, befindet sich die Trennvorrichtung in einem elektrisch leitenden Zustand. Hierbei ist der mittels mindestens eines der Schaltelemente, sofern sich dieses in einem geschlossenen Zustand befindet, geführte elektrische Strom aufgrund des Widerstands des Strangs vergleichsweise gering, sodass eine Verlustleistung vergleichsweise gering ist, die aufgrund der Wahl des Schaltelements als Halbleiterschaltelement bedingte ist.
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Bei einer Kommutierung des elektrischen Stroms auf den Spannungsbegrenzer, wenn der Schalter in eine geöffnete Position verbracht und die Trennvorrichtung in einen elektrisch nicht leitenden Zustand überführt wird, ist der elektrische Strom aufgrund der Widerstände der Stränge weiter reduziert, sodass auch in diesem Fall eine vergleichsweise geringe Verlustleistung entsteht. Zusammenfassend ist lediglich eine vergleichsweise geringe Verlustleistung gegeben. Aufgrund der Wahl als Halbleiterschaltelement ist jedoch eine Ausbildung eines Lichtbogens unterbunden, weswegen eine Sicherheit erhöht ist.
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Jeder Strang weist ein derartiges Schaltelement auf. Hierbei sind die Schaltelemente der Stränge beispielsweise baugleich. Alternativ oder in Kombination hierzu sind die Schaltelemente auf den Widerstand des jeweiligen Strangs angepasst. Jeder Strang weist zusammenfassend sowohl den Widerstand als auch das Schaltelement auf, die zueinander in Reihe geschaltet sind. Aufgrund der Schaltelemente ist somit eine Skalierbarkeit der Trennvorrichtung vergrößert, sodass der elektrische Widerstand der Trennvorrichtung und folglich die an dem Schalter anliegende elektrische Spannung mittels der Schaltelemente eingestellt werden kann. Insbesondere sind die Stränge baugleich. Mit anderen Worten weisen sowohl sämtliche Widerstände den gleichen ohmschen Widerstand auf, und sämtliche Schaltelemente sind vom gleichen Typ. Zumindest jedoch sind die Stränge schaltungsgleich. Mit anderen Worten umfasst jeder Strang die gleiche Art an elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen, wobei jedoch die jeweiligen Spezifikationen unterschiedlich sein können. Die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile sind hierbei in der gleichen Art miteinander verschaltet. Geeigneterweise weisen die Stränge Widerstände mit unterschiedlichen ohmschen Widerständen auf. Sofern die Trennvorrichtung eine Anzahl an Strängen aufweist, sind hierbei die Werte des ohmschen Widerstands vorzugsweise um jeweils ein bestimmtes konstantes Vielfaches erhöht. Das Vielfache ist insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches und zum Beispiel zwei oder drei. Geeigneterweise weist somit jeweils einer der Stränge einen ohmschen Widerstand von 20 Ohm, 40 Ohm, 80 Ohm, ... bzw. 20 Ohm, 60 Ohm, 180 Ohm, ... auf, sofern der kleinste Widerstand jeweils einen ohmschen Widerstand von 20 Ohm aufweist. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise präzise Einstellung der über den Schalter anfallenden elektrischen Spannung ermöglicht. Zudem sind Herstellungskosten aufgrund der Verwendung von Gleichteilen reduziert.
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Der Spannungsbegrenzer weist bevorzugt ein Schieberegister auf, das einen ersten und einen zweiten Ausgang aufweist. Hierbei befindet sich der zweite Ausgang bevorzugt direkt neben dem ersten Ausgang. Bei Betrieb des Schieberegisters wird vorzugsweise zunächst der erste Ausgang angesteuert und im Anschluss hieran der zweite Ausgang. Zweckmäßigerweise wird der zweite Ausgang genau dann angesteuert, wenn die Ansteuerung des ersten Ausgangs abgeschlossen ist. Wenn das Schieberegister angesteuert wird, wird somit eine Ansteuerung des ersten Ausgangs beendet und die des zweiten Ausgangs aufgenommen.
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Jedes Schaltelement weist einen Steuereingang auf, mittels dessen eine Schaltstellung des Schaltelements beeinflusst werden kann. Mit anderen Worten wird mittels Ansteuerung des Steuereingangs der Schaltzustand des Schaltelements beeinflusst, und dieses folglich in einen leitenden oder einen elektrisch nicht leitenden Zustand versetzt. Das Schaltelement ist zweckmäßigerweise elektrisch leitend, sofern an dem Steuereingang ein Signal anliegt, also sofern dieses angesteuert wird. Der Steuereingang eines der Schaltelemente ist gegen den ersten Ausgang des Schieberegisters geführt, insbesondere direkt. Mit anderen Worten ist der Steuereingang dieses Schaltelements elektrisch direkt bzw. signaltechnisch direkt mit dem ersten Ausgang des Schieberegisters kontaktiert. Ferner ist der Steuereingang dieses des Schaltelements gegen einen ersten Eingang eines Oder-Logikschalters geführt.
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Ein zweiter Eingang des Oder-Logikschalters ist gegen den zweiten Ausgang des Schieberegisters geführt, insbesondere direkt. Der Oder-Logikschalter weist ferner einen Ausgang auf, der gegen den Steuereingang eines der weiteren Schaltelemente geführt ist. Sofern an einem der Eingänge des Oder-Logikschalters ein Pegel anliegt, liegt vorzugsweise auch an dem Ausgang des Oder-Logikschalters ein Pegel an. Folglich ist der Oder-Logikschalter aktiv, sofern ein aktives Signal an einem dessen beider Eingänge anliegt. Lediglich, wenn weder an dem ersten noch an dem zweiten Eingang ein aktives Signal (Pegel) anliegt, ist auch der Ausgang des Oder-Logikschalters nicht aktiv. Der Oder-Logikschalter ist insbesondere ein Oder-Gatter. Falls mittels des Schieberegisters somit an dem ersten Ausgang ein Signal anliegt, wird das Schaltelement, welches mit dem ersten Ausgang gekoppelt ist, aktiviert. Auch wird das weitere Schaltelement aktiviert, da an dem ersten Eingang des Oder-Logikschalters ein Signal anliegt. Folglich sind zumindest zwei Schaltelemente des Spannungsbegrenzers geschaltet, weswegen zumindest zwei der Stränge des Spannungsbegrenzers elektrisch leitend sind. Infolgedessen ist die über den Schalter abfallende elektrische Spannung vergleichsweise gering.
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Falls mittels des Schieberegisters das Ausgangssignal von dem ersten Ausgang zu dem zweiten Ausgang geschoben wird, wird das Schaltelement, dessen Steuereingang mit dem ersten Ausgang kontaktiert ist, in den elektrisch nicht leitenden Zustand versetzt. Das weitere Schaltelement hingegen bleibt in einem elektrisch leitenden Zustand. Infolgedessen ist der elektrische Widerstand des Spannungsbegrenzers erhöht. Vorzugsweise weist das Schieberegister noch weitere Ausgänge auf, beispielsweise einen dritten, vierten, fünften ... Ausgang. Insbesondere ist die Anzahl dieser Ausgänge gleich der Anzahl der Stränge. Hierbei ist jeweils der Steuereingang jedes der Schaltelemente gegen den Ausgang eines Oder-Logikschalters geführt, dessen einer Eingang gegen den Steuereingang eines weiteren Schaltelements geführt und dessen zweiter Eingang gegen einen der Ausgänge des Schieberegisters geführt ist.
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So ist insbesondere der Steuereingang eines dritten Schaltelements, welches einem dritten Strang zugeordnet ist, gegen einen Ausgang eines zweiten Oder-Logikschalters geführt, dessen erster Eingang gegen den Steuereingang des weiteren Schaltelements und dessen zweiter Eingang gegen den dritten Ausgang des Schieberegisters geführt ist. Folglich sind sämtliche Schaltelemente elektrisch leitend geschaltet, falls der erste Ausgang des Schieberegisters angesteuert ist. Falls nunmehr der zweite Ausgang des Schieberegisters angesteuert wird, sind mit Ausnahme des mit dem ersten Ausgang kontaktierten Schaltelements sämtliche verbleibende Schaltelemente angesteuert, sodass die Anzahl der elektrisch leitenden Stränge des Spannungsbegrenzers um genau 1 reduziert ist. Sofern der dritte Ausgang des Schieberegisters angesteuert wird, sind zwei der Stränge des Spannungsbegrenzers elektrisch nicht leitend. Infolgedessen ist es ermöglicht, mittels Ansteuerung des Schieberegisters den elektrischen Widerstand des Spannungsbegrenzers sukzessive, stufenweise zu erhöhen.
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Der erste Ausgang des Schieberegisters entspricht insbesondere einem Kanal 1, und der zweite Ausgang entspricht insbesondere einem Kanal 2. Besonders bevorzugt ist ein Startausgang des Schieberegisters frei. Der Startausgang entspricht insbesondere einem Kanal 0 und befindet sich vor dem ersten Ausgang. Insbesondere befindet sich der erste Ausgang zwischen dem Startausgang und dem zweiten Ausgang. Bei Aktivierung des Schieberegisters wird der Startausgang angesteuert. Erst wenn das Schieberegister ein Signal erhält, wird die Ansteuerung des Startausgangs beendet und die des ersten Ausgangs aufgenommen.
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Der Startausgang ist nicht belegt, und es ist kein elektrisches oder elektronisches Bauteil an diesem angeschlossen. Folglich ist der Startausgang elektrisch lose und kein weiteres oder elektronisches Bauteil ist mit diesem elektrisch kontaktiert. Folglich befinden sich im Normalzustand die Schaltelemente in dem elektrisch nicht leitenden Zustand, und der elektrische Widerstand des Spannungsbegrenzers ist vergleichsweise groß. Daher ist bei einer Fehlfunktion des Schieberegisters oder sonstiger Bestandteile des Spannungsregisters ein ungewollter elektrischer Stromfluss über den Spannungsbegrenzer im Wesentlichen ausgeschlossen, auch wenn die über den Schalter anfallende elektrische Spannung vergleichsweise groß ist.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Schieberegister einen Reset-Eingang. Mittels Ansteuerung des Reset-Eingangs wird das Schieberegister in einen definierten Zustand gebracht. Insbesondere erfolgt eine Aktivierung des Startausgangs des Schieberegisters, sofern an dem Reset-Eingang ein Signal anliegt. Zweckmäßigerweise ist ein Endausgang des Schieberegisters gegen den Reset-Eingang geführt. Der Endausgang des Schieberegisters ist insbesondere derjenige Ausgang des Schieberegisters, der sich direkt neben einem Ausgang des Schieberegisters sich befindet, der gegen einen Oder-Logikschalter geführt ist. Sofern folglich lediglich der erste oder zweite Eingang des Oder-Logikschalters belegt ist, also sofern lediglich zwei Schaltelemente mittels des Schieberegisters angesteuert werden, entspricht der Endausgang dem dritten Ausgang. Sofern folglich sukzessive die Anzahl der angesteuerten Schaltelemente reduziert wurde, wird der Endausgang des Schieberegisters angesteuert, und das Schieberegister wird folglich erneut in den ursprünglichen Zustand versetzt. Hierbei ist zweckmäßigerweise der Startausgang des Schieberegisters frei, sodass dieser zeitlich nachfolgend zu dem Endausgang angesteuert wird. Somit wird, sofern der Endausgang angesteuert wird, keines der Schaltelemente angesteuert, weswegen keiner der Stränge elektrisch leitend ist. Zweckmäßigerweise ist eine Diode zwischen dem Endausgang und dem Reset-Eingang geschaltet, was eine Beschädigung des Schieberegisters vermeidet. Zusammenfassend ist der Endausgang der letzte belegte Kanal des Schieberegisters.
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Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu ist eine Spannungsversorgungsquelle gegen den Reset-Eingang des Schieberegisters geführt, beispielsweise über einen Kondensator. Die Spannungsversorgungsquelle selbst ist beispielsweise ein Kondensator. Besonders bevorzugt ist der Kondensator derart mit dem Schalter verschaltet, dass bei einer Öffnung des Schalters eine über den Schalter erzeugte elektrische Spannung zur Speisung der Spannungsversorgungsquelle dient. Hierbei ist insbesondere der Schalter ein mechanischer Schalter, und eine etwaig entstehende Lichtbogenspannung dient zur Speisung der Spannungsversorgungsquelle. Sofern folglich die Spannungsversorgungsquelle aktiviert ist, wird das Schieberegister in einen bestimmten definierten Zustand überführt, sodass dieses für einen Betrieb bereit ist.
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Besonders bevorzugt umfasst das Schieberegister einen Zeit-Eingang. Bei Ansteuerung des Zeit-Eingangs des Schieberegisters werden sukzessive die Ausgänge des Schieberegisters durchgesteuert. Hierbei wird jedes Mal dann, wenn an dem Zeit-Eingang ein Signal anliegt, die Ansteuerung der Ausgänge derart verändert, dass diese jedes Mal weitergeschaltet werden. Zweckmäßigerweise ist der Zeit-Eingang des Schieberegisters mit einem Steuereingang des Schalters wirkverbunden. Insbesondere ist die Wirkverbindung derart, dass ein Ansteuern der Ausgänge des Schieberegisters auch dann möglich ist, wenn an dem Steuereingang des Schalters kein Signal anliegt. Vorzugsweise ist der Schalter in einem elektrisch leitenden Zustand, wenn an dem Steuereingang des Schalters ein Signal anliegt. Folglich wird das Schieberegister dann aktiviert, wenn der Schalter geöffnet wird. Auf diese Weise ist ein unbeabsichtigtes Aktivieren des Schieberegisters im Wesentlichen ausgeschlossen, was die Sicherheit erhöht.
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Vorzugsweise umfasst der Spannungsbegrenzer einen Zeitgeber. Der Zeitgeber ist mit dem Zeit-Eingang des Schieberegisters wirkverbunden. Folglich wird mittels des Zeitgebers das Schieberegister angesteuert, wobei mittels des Zeitgebers vorzugsweise ein bestimmtes Taktsignal bereitgestellt wird, welches insbesondere eine konstante Periode aufweist. Beispielsweise ist der Zeitgeber direkt mit dem Zeit-Eingang des Schieberegisters verbunden. Geeigneterweise ist der Steuereingang des Schalters gegen einen ersten Eingang eines Logikschalters und ein Zeit-Ausgang des Zeitgebers gegen den zweiten Eingang des Logikschalters geführt. An dem Zeit-Ausgang des Zeitgebers wird zweckmäßigerweise periodisch ein Ansteuersignal bereitgestellt. Der Ausgang des Logikschalters ist insbesondere gegen den Zeit-Eingang des Schieberegisters geführt. Geeigneterweise weist der Ausgang des Logikschalters dann einen Pegel auf, wenn an dem ersten Eingang des Logikschalters und/oder an dem zweiten Eingang des Logikschalters ein Pegel anliegt, wobei der Pegel hierbei insbesondere ein Signal bezeichnet, welches verschieden von null (0) ist. Mit anderen Worten liegt an dem Ausgang des Logikschalters dann ein Ausgangssignal an, wenn an dem ersten und/oder an dem zweiten Eingang ein Ansteuersignal anliegt. Vorzugsweise ist der Steuereingang des Schalters mit dem Zeitgeber wirkverbunden. Hierbei wird vorzugsweise ein Zählen, also eine Ausgabe des Taktsignals unterbunden, solange ein Signal am Steuereingang des Schalters anliegt. Insbesondere ist der Steuereingang des Schalters mit einem Reset-Anschluss des Zeitgebers verbunden. Solange ein Signal an dem Reset-Anschluss des Zeitgebers anliegt, wird dieser insbesondere in einem Grund- oder Startzustand gehalten. Somit wird das Schieberegister lediglich dann weitergezählt, wenn der Schalter der Trennvorrichtung geöffnet ist.
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Beispielsweise ist der Logikschalter mittels zwei NOR-Gattern gebildet oder umfasst diese, wobei der Steuereingang des Schalters und der Zeit-Ausgang des Zeitgebers gegen die beiden Eingänge eines der NOR-Gatter geführt sind. Der Ausgang des NOR-Gatters ist auf die beiden Eingänge des weiteren NOR-Gatters aufgesplittet, dessen Ausgang gegen den Zeit-Eingang des Schieberegisters geführt ist.
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Beispielsweise ist der Zeitgeber ein NE555. Geeigneterweise ist „OUT” der Zeit-Ausgang, der beispielsweise gegen den Logikschalter oder direkt gegen den Zeit-Eingang des Schieberegisters geführt ist. Insbesondere ist „OUT'” mittels einer Diode gegen den „TRIG” (Trigger-Anschluss) geführt, welcher insbesondere mittels eines Widerstandsteilers gegen einen Anschluss des Schalters geführt ist, welcher bei Betrieb vorzugsweise ein elektrisches Potential aufweist, welches verschieden von null (0) ist. Beispielsweise ist „GND” (GND-Anschluss) gegen den verbleibenden Schaltkontakt des Schalters geführt. Beispielsweise ist „RESET” (Reset-Anschluss) mit dem Steuereingang des Schalters wirkverbunden, beispielsweise mittels eines NOR-Gatters. Zweckmäßigerweise ist der NE555 als monostabile Kippstufe realisiert.
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Vorzugsweise ist parallel zu einem der Schaltelemente eine Reihenschaltung eines weiteren Widerstands und einer Kapazität geschaltet. Sofern der Spannungsbegrenzer eine Anzahl derartiger Schaltungselemente aufweist, deren Steuereingang jeweils über einen Oder-Logikschalter zu einem Ausgang des etwaigen Schieberegisters geführt ist, ist vorzugsweise die Reihenschaltung parallel zu demjenigen Schaltelement geschaltet, welches gegen den Ausgang des Schieberegisters geführt ist, der benachbart zu dem Endausgang ist. Die Kapazität ist bevorzugt ein Kondensator. Sofern das Schaltelement in dem elektrisch nicht leitenden Zustand ist, ist mittels des Widerstands dieses Strangs sowie der weitere Widerstand und der Kapazität ein RC-Kreis gebildet, welcher einen etwaigen weiter fließenden elektrischen Strom aufnimmt. Somit ist stets ein elektrischer Stromfluss über den Spannungsbegrenzer ermöglicht, auch wenn der elektrische Widerstand vergleichsweise groß ist. Zweckmäßigerweise ist der weitere Widerstand vergleichsweise groß, sodass der elektrische Strom gegen null (0) geführt wird, auch wenn eine vergleichsweise große Induktivität mittels der Trennvorrichtung geschaltet wird. Aufgrund der Stränge des Spannungsbegrenzers ist der fließende elektrische Strom vergleichsweise gering, sodass die Kapazität vergleichsweise klein dimensioniert werden kann, was Herstellungskosten spart. Geeigneterweise ist zur Kapazität ein zusätzlicher Widerstand parallel geschaltet. Mittels des zusätzlichen Widerstands ist sichergestellt, dass die Kapazität stets entladen wird.
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Zweckmäßigerweise basiert der Spannungsbegrenzer auf Analogtechnik. Mit anderen Worten ist der Spannungsbegrenzer in Analogtechnik erstellt. Sofern der Spannungsbegrenzer folglich den Oder-Logikschalter, den Zeitgeber, den Logikschalter und/oder das Schieberegister aufweist, basieren diese insbesondere auf Analogtechnik und sind in dieser gefertigt. Auf diese Weise ist eine Robustheit erhöht. Zudem sind Herstellungskosten reduziert.
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Die Trennvorrichtung wird besonders bevorzugt bei einem Schutzschalter verwendet. Insbesondere wird die Trennvorrichtung verwendet, um eine induktive Last zu schalten, beispielsweise um diese von einem Stromnetz zu trennen. Beispielsweise wird für den Betrieb der Trennvorrichtung eine Energiequelle herangezogen, welche beispielsweise die Spannungsversorgungsquelle ist. Mittels der Energiequelle wird insbesondere das Schieberegister, der Zeitgeber und/oder das Schaltelement bestromt.
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Der Schutzschalter umfasst einen Sensor und eine Trennvorrichtung, die insbesondere miteinander gekoppelt sind, beispielsweise elektrisch oder signaltechnisch. Die Trennvorrichtung weist einen Schalter und einen parallel zu dem Schalter geschalteten Spannungsbegrenzer auf, der eine Anzahl an zueinander parallel geschalteten Strängen umfasst, wobei jeder Strang einen Widerstand aufweist, und wobei jeder der Stränge ein Schaltelement umfasst, das in Reihe zu dem Widerstand des Strangs geschaltet ist. Der Sensor ist beispielsweise ein Spannungs- oder Stromsensor. Mit anderen Worten ist der Sensor ertüchtigt, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, einen elektrischen Strom bzw. eine elektrische Spannung zu erfassen. Insbesondere wird mittels des Sensors bei Betrieb ein mittels der Trennvorrichtung getragener elektrischer Strom bzw. eine anliegende elektrische Spannung bzw. eine elektrisches Potentialdifferenz gegenüber einem Bezugspotential, wie Masse, insbesondere Erde, erfasst. Zweckmäßigerweise ist die Trennvorrichtung in Abhängigkeit eines Messwerts des Sensors betätigt. Insbesondere wird die Trennvorrichtung betätigt, wenn der elektrische Strom bzw. die elektrische Spannung größer oder gleich eines Schwellwerts ist. Beispielsweise umfasst der Schutzschalter eine Steuervorrichtung, wie einen Mikroprozessor, mittels dessen die Messwerte des Sensors ausgewertet und/oder der Schalter betätigt wird.
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Der Schutzschalter ist beispielsweise mittels einer Photovoltaikanlage oder einem Photovoltaikmodul elektrisch kontaktiert und beispielsweise ein Bestandteil einer Photovoltaikanlage oder eines Photovoltaikkraftwerks. In einer Alternative hierzu ist der Schutzschalter ein Bestandteil eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Hochvoltbordnetzes, das eine elektrische Spannung größer als 100 Volt, 200 Volt, 300 Volt oder 400 Volt und beispielsweise geringer als 1.000 Volt oder 900 Volt aufweist. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Flugzeug und das Bordnetz dient beispielsweise der Versorgung von Stellantrieben des Flugzeugs. In einer Alternative hierzu ist das Fahrzeug ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Insbesondere ist hierbei der Schutzschalter ein Bestandteil des Bordnetzes, das der Bestromung eines Hauptantriebs des Kraftfahrzeugs dient. Alternativ ist der Schutzschalter ein Bestandteil einer Industrieanlage und dient vorzugsweise der Absicherung eines Roboters, der beispielsweise mittels eines Umrichterzwischenkreises bestromt ist.
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Der Schutzschalter ist insbesondere vorgesehen, elektrische Ströme größer oder gleich 10 Ampere, 100 Ampere, 200 Ampere, 300 Ampere, 500 Ampere oder 600 Ampere zu schalten. Zweckmäßigerweise ist die maximal mit dem Schutzschalter schaltbare elektrische Stromstärke 900 Ampere, 1.000 Ampere, 1.500 Ampere oder 2.000 Ampere. Beispielsweise ist die mit dem Schutzschalter schaltbare elektrische Spannung größer als 10 Volt, 50 Volt, 100 Volt oder 200 Volt. Insbesondere ist die schaltbare elektrische Spannung kleiner als 500 Volt, 600 Volt, 700 Volt oder 1.000 Volt.
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Zur Absicherung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, wie eines Kraftfahrzeugs oder eines Flugzeugs, wird ein Schutzschalter verwendet, der einen Sensor und einer Trennvorrichtung aufweist, die insbesondere miteinander gekoppelt sind, beispielsweise elektrisch und/oder signaltechnisch. Die Trennvorrichtung weist einen Schalter und einen parallel zu dem Schalter geschalteten Spannungsbegrenzer auf, der eine Anzahl an zueinander parallel geschalteten Strängen umfasst, wobei jeder Strang einen Widerstand aufweist, und wobei jeder der Stränge ein Schaltelement umfasst, das in Reihe zu dem Widerstand des jeweiligen Strangs geschaltet ist. Der Sensor ist beispielsweise ein Spannungs- oder Stromsensor.
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Das Bordnetz ist besonders bevorzugt ein Hochvoltbordnetz, mittels dessen ein elektrischer Strom mit einer Stromstärke größer als 10 Ampere, 20 Ampere, 50 Ampere, 100 Ampere oder 200 Ampere geführt wird. Insbesondere ist die maximal von dem Hochvoltbordnetz getragene elektrische Stromstärke kleiner als 2.000 Ampere, 1.800 Ampere, oder 1.500 Ampere. Insbesondere ist die elektrische Spannung des Hochvoltbordnetzes größer als 100 Volt, 200 Volt, 300 Volt oder 350 Volt. Zweckmäßigerweise ist die elektrische Spannung des Hochvoltbordnetzes geringer als 1.000 Volt, 800 Volt oder 600 Volt.
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Alternativ wird der Schutzschalter zur Absicherung eines Versorgungskreises, wie eines Zwischenkreises, einer Industrieanlage verwendet. Insbesondere umfasst ein Umrichter den Schutzschalter. Geeigneterweise wird der Schutzschalter bei einer Industrieanwendung verwendet, beispielsweise zur Absicherung eines Roboters. Der Versorgungskreis weist zum Beispiel eine elektrische Spannung zwischen 500 V und 1000 V auf, insbesondere 800 V.
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Das Verfahren dient dem Betrieb einer Trennvorrichtung zur Stromunterbrechung, insbesondere eines Schutzschalters, mit einem Schalter und mit einem parallel zu dem Schalter geschalteten Spannungsbegrenzer, der eine Anzahl an zueinander parallel geschalteten Strängen aufweist, wobei jeder Strang einen Widerstand aufweist, und wobei jeder Strang ein Schaltelement umfasst, das in Reihe zu dem Widerstand des jeweiligen Strangs geschaltet ist. Das Verfahren sieht vor, dass nach dem Öffnen des Schalters eines der Schaltelemente für eine Zeitspanne geschlossen wird. Hierbei ist dieses Schaltelement, beispielsweise eine zweite Zeitspanne, vor dem Öffnen des Schalters bereits in einen elektrisch leitenden Zustand verbracht worden. Geeigneterweise wird dieses Schaltelement dann geschlossen, wenn der Schalter geschlossen wird. Alternativ hierzu wird dieses Schaltelement zeitgleich mit dem Öffnen des Schalters geschlossen. Nach Ablauf der Zeitspanne wird dieses Schaltelement geöffnet.
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Somit kommutiert bei Öffnen des Schalters der über die Trennvorrichtung fließende elektrische Strom vollständig auf den Spannungsbegrenzer und zwar auf die Stränge. Aufgrund der Parallelschaltung der Widerstände ist der elektrische Widerstand verringert. Nach Ablauf der Zeitspanne wird dieses Schaltelement geöffnet, was zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands des Spannungsbegrenzers führt. Sofern der Spannungsbegrenzer eine Anzahl an Strängen mit Schaltelementen aufweist, sieht das Verfahren vor, dass diese zeitlich sukzessive geöffnet werden, wobei sämtliche Schaltelemente zweckmäßigerweise beim Öffnen des Schalters zunächst geschlossen werden. Geeigneterweise ist zwischen Betätigung der einzelnen Schaltelemente jeweils die Zeitspanne vorhanden, sodass der elektrische Widerstand des Spannungsbegrenzers erhöht wird.
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Falls mittels der Trennvorrichtung eine induktive Last geschaltet wird, ist die über den Schalter anfallende elektrische Spannung begrenzt. Nach Ablauf der Zeitspanne ist der fließende elektrische Strom aufgrund des elektrischen Widerstands des Spannungsbegrenzers reduziert. Wenn nun dieses Schaltelement betätigt wird, steigt der elektrische Widerstand und folglich die elektrische Spannung erneut an. Dies führt zu einer weiteren und ausgeprägteren Verringerung des elektrischen Stromflusses. Somit wird mittels Erhöhung des elektrischen Widerstands der elektrische Stromfluss sukzessive unterbunden, wobei die maximal anliegende elektrische Spannung reduziert ist. Daher kann ein vergleichsweise kostengünstiger Schalter herangezogen werden. So ist bei einem mechanischen Schalter ein Lichtbogen unterbunden. Bei einem Schalter basierend auf Halbleitertechnik ist eine vergleichsweise geringe Spannungsfestigkeit erforderlich. Sofern dem Schaltelement die Kapazität und der weitere Widerstand parallel geschaltet ist, wird mittels dieser Reihenschaltung nach Betätigung des Schaltelements ein etwaiger verbleibender elektrischer Stromfluss aufgenommen und gegen null gebracht.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug mit einem einen Schutzschalter aufweisenden Hochvoltbordnetz,
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2 schematisch den Schutzschalter mit einer Trennvorrichtung,
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3 schematisch die Trennvorrichtung,
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4 einen Schaltplan der Trennvorrichtung, und
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5 ein Verfahren zum Betrieb der Trennvorrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in sämtlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Sofern einzelne Bauteil als erstes, zweites, drittes... Bauteil bezeichnet wird, dient dies insbesondere lediglich der Bezeichnung des jeweiligen Bauteils. Insbesondere impliziert dies nicht das Vorhandensein einer bestimmten Anzahl von Bauteilen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 mit Antriebsrädern 4 sowie nicht angetriebenen Rädern 6 dargestellt. Die Antriebsräder 4 sind mit einem Elektromotor 8 gekoppelt, der einen nicht näher dargestellten Umrichter aufweist. Die Bestromung des Umrichters/Elektromotors 8 erfolgt mittels einer Hochvoltbatterie 10, mittels derer eine elektrische Energie bereitgestellt wird, wobei zwischen den beiden Polen der Hochvoltbatterie eine elektrische Spannung von 400 Volt anliegt. Die Hochvoltbatterie 10 ist mittels einer elektrischen Leitung 12 mit dem Umrichter/Elektromotor 8 gekoppelt, wobei mittels der elektrischen Leitung 12 ein elektrischer Stromfluss von bis zu 1.000 Ampere geführt wird. Die Hochvoltbatterie 10, die elektrischen Leitung 12 und der Umrichter/Elektromotor 8 sind Bestandteile eines Hochvoltbordnetzes 14.
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Zur Absicherung des Hochvoltbordnetzes 14 weist dieses einen Schutzschalter 16 auf, der bei einem Überstrom, also bei einem elektrischen Stromfluss, der 1.000 Ampere überschreitet, und der beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses innerhalb des Umrichters/Elektromotors 8 hervorgerufen wird, auslöst und folglich die Hochvoltbatterie 10 elektrisch von dem Umrichter/Elektromotor 8 trennt. Das Kraftfahrzeug 2 weist ferner ein Niedervoltbordnetz 18 mit einer Niedervoltbatterie 20 auf, zwischen deren jeweiligen elektrischen Polen eine elektrische Spannung von 12 Volt oder 48 Volt anliegt. Das Niedervoltbordnetz 18 umfasst ferner eine Anzahl an Stellantrieben 22, mittels derer Verstellteile, wie z. B. Fensterscheiben oder Sitze, elektrisch verstellt werden können.
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Der Schutzschalter 16 ist in 2 schematisch vereinfacht dargestellt und umfasst eine Trennvorrichtung 24, die in die elektrische Leitung 12 eingebracht ist. Mittels der Trennvorrichtung 24 ist es ermöglicht, einen elektrischen Stromfluss über die elektrische Leitung 12 zu unterbrechen. Die Trennvorrichtung 24 ist signaltechnisch mit einer Steuereinheit 26 gekoppelt, die mit einem Sensor 28 signaltechnisch gekoppelt ist. Der Sensor 28 ist ein Stromsensor, mittels dessen ein in der elektrischen Leitung 12 vorherrschender elektrischer Stromfluss berührungslos messbar ist. Hierfür umfasst der Sensor 28 einen Hall-Sensor. Die Steuereinheit 26 ist ferner mit einer Schnittstelle 30 gekoppelt, die im Montagezustand an ein Bus-System des Kraftfahrzeugs 2 angeschlossen ist. Mittels der Schnittstelle 30 ist es ermöglicht, die Steuereinheit 26 zu steuern. Bei Betrieb wird beispielsweise mittels des Sensors 28 ein Überstrom erfasst, oder ein bestimmtes Signal wird über die Schnittstelle 30 empfangen. Im Anschluss hieran wird mittels der Steuereinheit 26 die Trennvorrichtung 24 betätigt, sodass ein elektrischer Stromfluss über die elektrische Leitung 12 unterbunden ist. Sofern dies erfolgt ist, wird der Zustand der Trennvorrichtung 24 über die Schnittstelle 30 an das Bus-System weitergeleitet.
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In 3 ist schematisch vereinfacht die Trennvorrichtung 24 dargestellt. Die Trennvorrichtung 24 weist einen Schalter 32 auf, der in die elektrische Leitung 12 eingebracht ist. Der Schalter umfasst einen IGBT und weist eine Steuereingang 34 auf, mittels dessen der Schaltzustand des IGBTs verändert werden kann. Parallel zu dem Schalter 32 ist ein Spannungsbegrenzer 36 geschaltet. Mit anderen Worten ist der Schalter 32 mittels des Spannungsbegrenzers 36 überbrückt. Der Spannungsbegrenzer 36 weist eine Anzahl an zueinander parallel geschalteten und schaltungsgleichen Strängen 38 auf. Sämtliche Stränge 38 sind parallel zu dem Schalter 32 geschaltet. Ferner umfasst der Spannungsbegrenzer 36 einen Zeitgeber 40. Der Zeitgeber 40 ist ein NE555-Baustein, und an dem Zeitgeber 40 liegt eine elektrische Spannung an, sofern der Schalter 32 in einer geöffneten Position ist, also elektrisch nicht leitend ist. Der Spannungsbegrenzer 36 umfasst ein Schieberegister 42. Das Schieberegister 42 wird mittels des Zeitgebers mit bestimmten Takten versorgt. Auch ist das Schieberegister 42 mit dem Steuereingang 34 des Schalters 32 wirkverbunden. Mittels des Schieberegisters 42 werden die Stränge 38 gesteuert. Der Spannungsbegrenzer 36 basiert auf Analogtechnik. Mit anderen Worten sind sowohl die Stränge 38 als auch der Zeitgeber 40 sowie das Schieberegister 42 als Analog-Bauteile ausgeführt.
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In 4 ist ein vergleichsweise detaillierter Schaltplan der Trennvorrichtung 36 dargestellt, mit den zu dem Schalter 32 parallel geschalteten Strängen 38. Der Spannungsbegrenzer 36 weist einen ersten Strang 38a, einen zweiten Strang 38b, einen dritten Strang 38c, einen vierten Strang 38d sowie einen fünften Strang 38e auf, die zueinander parallel und parallel zu dem Schalter 32 geschaltet sind. Hierbei ist beispielsweise einer der Anschlüsse des Schalters 32 gegen Masse geführt, sodass auch sämtliche Stränge 38a, 38b, 38c, 38d, 38e gegen Masse geführt sind. Die Stränge 38 sind zueinander baugleich und weisen jeweils einen Widerstand 44 sowie ein Schaltelement 46 in Form eines IGBTs auf. Zusammenfassend weist jeder der Stränge 38 jeweils eines der Schaltelemente 46 auf. Der Widerstand 44 und das Schaltelement 46 jedes Strangs 38 sind zueinander in Reihe geschaltet. Der ohmsche Widerstand der einzelnen Stränge 38a, 38b, 38c, 38d, 38e ist zumindest teilweise um jeweils ein ganzzahliges Vielfaches erhöht. Der ohmsche Widerstand des Widerstands 44 des ersten Strangs 38a beträgt 20 Ohm, der ohmsche Widerstand des Widerstands 44 des zweiten Strangs 38b beträgt 40 Ohm, der ohmsche Widerstand des Widerstands 44 des dritten Strangs 38c beträgt 80 Ohm, und der ohmsche Widerstand des Widerstands 44 des vierten und des fünften Strangs 38d, 38e beträgt jeweils 160 Ohm. Parallel zu dem Schaltelement 46 des fünften Strangs 38e ist eine Reihenschaltung eines weiteren Widerstandes 48 und einer Kapazität 50 in Form eines Kondensators geschaltet. Hierbei ist der Kondensator 50 gegen das Potential eines der Anschlüsse des Schalters 32 geführt, also Masse. Die Kapazität 50 selbst ist mittels eines zusätzlichen Widerstands 52 überbrückt, der folglich parallel zu der Kapazität 50 geschaltet ist. Der ohmsche Widerstand des weiteren Widerstands 48 ist gleich dem ohmsche Widerstand des Widerstands 44 des fünften Strangs 38e und beträgt 160 Ohm. Der ohmsche Widerstand des zusätzlichen Widerstands 52 beträgt beispielsweise 1 MOhm.
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Jedes Schaltelement 46 weist einen Steuereingang 54 auf, mittels dessen der Schaltzustand des jeweiligen Schaltelements 46 eingestellt werden kann. Sofern das Schaltelement 46 mittels des Steuereingangs 54 derart eingestellt ist, dass dieses in einem elektrisch nicht leitenden Zustand ist, ist ein Stromfluss über eben diesen Strang 38 unterbunden. Der Spannungsbegrenzer 36 weist einen ersten Oder-Logikschalter 56, einen zweiten Oder-Logikschalter 58, einen dritten Oder-Logikschalter 60 sowie einen vierten Oder-Logikschalter 62 auf, die jeweils Oder-Gatter sind. Der Steuereingang 54 des Schaltelements 46 des ersten Strangs 38a ist gegen einen ersten Ausgang 64 des Schieberegisters 42 sowie gegen einen ersten Eingang 66 des ersten Oder-Logikschalters 56 geführt. Der Steuereingang 54 des Schaltelements 46 des zweiten Strangs 38b ist gegen einen Ausgang 68 des ersten Logikschalters 56 sowie gegen einen ersten Eingang 70 des zweiten Oder-Logikschalters 58 geführt. Der Steuereingang 54 des Schaltelements 46 des dritten Strangs 38c ist gegen einen Ausgang 72 des zweiten Oder-Logikschalters 58 sowie einen ersten Eingang 72 des dritten Oder-Logikschalters 60 geführt. Der Steuereingang 54 des Schaltelements 46 des vierten Strangs 38d ist gegen einen Ausgang 76 des dritten Oder-Logikschalters 60 sowie einen ersten Eingang 78 des vierten Oder-Logikschalters 62 geführt. Der Steuereingang 54 des Schaltelements 46 des fünften Strang 38e ist gegen einen Ausgang 80 des vierten Oder-Logikschalters 62 sowie beide Eingänge eines ersten NOR-Gatters 82 geführt.
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Ein zweiter Ausgang 84 des Schieberegisters 42 ist gegen einen zweiten Ausgang 86 des ersten Oder-Logikschalters 56 geführt. Ein dritter Ausgang 88 des Schieberegisters 42 ist gegen einen zweiten Eingang 90 des zweiten Oder-Logikschalters 58 geführt. Ein vierter Ausgang 92 des Schieberegisters 42 ist gegen einen zweiten Eingang 94 des dritten Oder-Logikschalters 60 geführt. Ein fünfter Ausgang 96 des Schieberegisters 42 ist gegen einen zweiten Eingang 98 des vierten Oder-Logikschalters 62 geführt. Die Oder-Logikschalter 56, 58, 58, 60, 62 sind baugleich. Ferner liegt an dem jeweiligen Ausgang 68, 72, 76, 80 jeweils dann ein Pegel an, wenn an zumindest einem der Eingänge 66, 68 bzw. 70, 90 bzw. 74, 94 bzw. 78, 98 ein Pegel anliegt.
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Ein Startausgang 100 des Schieberegisters 42 ist frei und folglich mit keinem weiteren elektrischen oder elektronischen Bauteil elektrisch kontaktiert. Ein Endausgang 102 des Schieberegisters 42 ist über eine erste Diode 104 gegen einen Reset-Eingang 106 des Schieberegisters 42 geführt. Hierbei ist mittels der Diode 104 lediglich ein Stromfluss von dem Endausgang 102 zu dem Reset-Eingang 106 ermöglicht. Sofern das Schieberegister 42 aktiviert ist, wird zunächst der Startausgang 100 angesteuert. Im Anschluss hieran wird der erste Ausgang 64, der zweite Ausgang 84, der dritte Ausgang 88, der vierte Ausgang 92, der fünfte Ausgang 96 und im Anschluss hieran der Endausgang 102 angesteuert, wobei die Ansteuerung in Abhängigkeit eines an einem Zeit-Eingang 108 anliegenden Ansteuersignals erfolgt. Der Startausgang 100 entspricht somit dem Kanal Q0, der erste Ausgang 64 dem Kanal Q1, der zweite Ausgang 84 dem Kanal Q2 ... bis zu dem End-Ausgang 102, der dem Kanal Q6 entspricht.
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Der Reset-Eingang 106 des Schieberegisters 42 ist über einen zweiten Kondensator 110 gegen eine Spannungsversorgungsquelle 112 geführt, mittels derer eine Gleichspannung von 15 Volt bereitgestellt ist. Auch ist der Reset-Eingang 106 über einen zweiten Widerstand 114 gegen Masse geführt. Dem zweiten Widerstand 114 ist parallel eine zweite Diode 116 geschaltet, mittels derer ein Stromfluss von Masse zu dem Reset-Eingang 106 ermöglicht ist.
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Der Zeitgeber 40 ist als monostabile Kippstufe verschaltet. So sind ein GND-Anschluss 118 gegen Masse und ein Versorgungsspannungsanschluss 120 gegen die Spannungsversorgungsquelle 112 geführt. Ein Control-Anschluss 122 ist über einen dritten Kondensator 124 gegen Masse geführt. Ein Discharge-Anschluss 126 ist gegen eine Threshold-Anschluss 128 sowie über einen vierten Kondensator 130 gegen Masse geführt. Auch sind der Discharge-Anschluss 126 und der Threshold-Anschluss 128 mittels eines dritten Widerstands 132 gegen die Spannungsversorgungsquelle 112 geführt. Ein Trigger-Anschluss 134 ist mittels eines Spannungsteilers 136 mit der elektrischen Leitung 12 elektrisch kontaktiert. Hierfür ist der Trigger-Anschluss 134 mittels eines vierten Widerstands 138 mit der elektrischen Leitung 12 und mittels eines fünften Widerstands 139 gegen Masse geführt.
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Ein Zeit-Ausgang 140 des Zeitgebers 40 ist mittels einer dritten Diode 142 zu dem Trigger-Anschluss 134 geführt, wobei ein Stromfluss an die Zeit-Ausgang 140 zu dem Trigger-Anschluss 134 ermöglicht ist. Der Zeit-Ausgang 140 ist ferner gegen einen zweiten Eingang 144 eines Logikschalters 146 geführt. Ein erster Eingang 148 des Logikschalters 146 ist gegen den Steuereingang 34 des Schalters 32 geführt. Der Logikschalter 146 weist ein zweites NOR-Gatter 150 auf, dessen Eingänge die Eingänge 144, 148 des Logikschalters 146 bilden. Der Ausgang des zweiten NOR-Gatters 150 ist gegen die beiden Eingänge eines dritten NOR-Gatters 152 geführt. Der Ausgang des dritten NOR-Gatters 152 bildet einen Ausgang 154 des Logikschalters 146, der gegen den Zeit-Eingang 108 des Schieberegisters 42 geführt ist. Infolgedessen weist der Ausgang 154 des Logikschalters 148 genau dann einen Pegel auf, wenn entweder an dem ersten Eingang 148 oder am zweiten Eingang 144 des Logikschalters 146 ein Pegel (Signal) anliegt. Zusammenfassend ist der Zeit-Eingang 108 des Schieberegisters 42 mit dem Steuereingang 34 des Schalters 32 wirkverbunden. Ferner ist der Steuereingang 34 gegen einen Eingang eines vierten NOR-Gatters 154 geführt, dessen weiterer Eingang gegen den Ausgang des ersten NOR-Gatters 82 geführt ist. Der Ausgang des vierten NOR-Gatters ist gegen einen Reset-Anschluss 156 des Zeitgebers 40 geführt.
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In 5 ist ein Verfahren 158 zum Betrieb der Trennvorrichtung 24 gezeigt. In einem ersten Arbeitsschritt 160 wird mittels der Spannungsversorgungsquelle 112 ein Pegel an dem Reset-Eingang 106 des Schieberegisters 42 angelegt, sodass der Startausgang 100 angesteuert wird. Zusammenfassend liegt eine elektrische Spannung bei der Spannungsversorgungsquelle 112 an, weswegen auch an dem Reset-Eingang 106 des Schieberegisters 42 ein Signal anliegt, und weswegen folglich der Startausgang 100 angesteuert wird. Infolgedessen sind sämtliche Schaltelemente 46 gesperrt, und es ist im Wesentlichen kein Stromfluss über den Spannungsbegrenzer 36 möglich. Der Schalter 32 befindet sich in dem geöffneten Zustand und über die Trennvorrichtung 24 kann kein elektrischer Strom fließen.
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In einem anschließenden zweiten Arbeitsschritt 162 wird der Schalter 32 derart angesteuert, dass dieser schließt. Infolgedessen liegt ein Signal am Steuereingang 34 an, welches den Zeitgeber 40 aktiviert. Aufgrund des Logikschalters 146 liegt somit ein Pegel an dem Zeit-Eingang 108 des Schieberegisters 42 an, weswegen der erste Ausgang 64 angesteuert wird. Infolgedessen werden aufgrund der Oder-Logikschalter 56, 58, 60, 62 sämtliche Schaltelemente 46 der Stränge 38 angesteuert, sodass diese elektrisch leitend sind. Diese weisen jedoch einen im Vergleich zu dem Schalter 32 erhöhten ohmschen Widerstand auf, so dass der elektrische Strom im Wesentlichen lediglich über den Schalter 32 fließt. Aufgrund des ersten NOR-Gatters 82 und des vierten NOR-Gatters 154 wird der Zeitgeber 40 in einem Reset-Zustand gehalten, und es ist sichergestellt, dass der Zeitgeber 40 lediglich dann aktiviert ist, wenn der Schalter 32 in einer geöffneten Position ist, also elektrisch nicht leitend ist.
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In einem dritten Arbeitsschritt 164 wird der Schalter 32 geöffnet, sodass kein Signal mehr an dem Steuereingang 34 anliegt. Infolgedessen kommutiert der elektrische Strom vollständig auf die Stränge 38, sodass auch bei einer induktiv an die elektrische Leitung 12 angeschlossenen Last ein elektrischer Stromfluss über die Trennvorrichtung 24 fortbesteht, und somit ein Ausbilden einer vergleichsweise großen elektrischen Spannung an dem Schalter 32 unterbunden ist. Da der ohmsche Widerstand des Spannungsbegrenzers 36 im Vergleich zu dem ohmsche Widerstand des Schalters 32 erhöht ist, steigt eine über den Spannungsteiler 136 anfallende elektrische Spannung an. Mittels des Spannungsteilers 136 wird die anliegende elektrische Spannung auf den Trigger-Anschluss 134 des Zeitgebers 40 gegeben. Sobald diese elektrische Spannung auf ein Drittel der Betriebsspannung gefallen ist, wird nach einer bestimmten Zeitspanne über den Zeit-Ausgang 140 ein Puls ausgegeben und an den Logikbaustein 146 geleitet. Infolgedessen wird das Schieberegister 42 gesteuert und nunmehr dessen zweiter Ausgang 84 angesteuert. Infolgedessen wird das Schaltelement 46 des ersten Strangs 38a elektrisch nicht leitend geschaltet, wohingegen die verbleibenden Schaltelemente 46 der verbleibenden Stränge 38b, 38c, 38d und 38e elektrisch leitend verbleiben. Infolgedessen steigt der elektrische Widerstand des Spannungsbegrenzers 36 an. Daher steigt wiederum die elektrische Spannung an, die an dem Trigger-Anschluss 134 des Zeitgebers 40 anliegt. Dieser fällt ab und sobald dieser wiederum ein Drittel der Betriebsspannung des Zeitgebers 40 aufweist, wird mittels dessen jeweils nach bestimmten Zeitspannen in weiteren Arbeitsschritten erneut ein Puls zu dem Logikbaustein 146 geleitet, sodass nunmehr der dritte Ausgang 88 bzw. vierte Ausgang 92 angesteuert ist, weswegen nunmehr auch das Schaltelement 46 des zweiten Strangs 38b bzw. des dritten Strangs 38c elektrisch nicht leitend geschaltet ist. Da der ohmsche Widerstand der Stränge 38a, 38b, 38c, 38d, 38e zumindest teilweise sukzessive erhöht ist, nimmt der andauernde elektrische Strom vergleichsweise stark ab.
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Um auch bei schwach induktiven Lasten ein sicheres Ansteuern des Schieberegisters 42 zu gewährleisten, ist der Zeitgeber 40 als monostabile Kippstufe verschaltet. Hierbei wird die Mindestimpulsbreite mittels des dritten Widerstands 132 und dem vierten Kondensator 130 bestimmt. Der vierte Kondensator 130 wird mittels des dritten Widerstands 132 geladen, wenn ein Signal an dem Zeit-Ausgang 140 anliegt. Dies erfolgt so lange, bis die an dem Threshold-Anschluss 128 anliegende Spannung unterhalb von 2/3 der Betriebsspannung liegt. Da ein neuer Impuls lediglich dann beginnen kann, wenn die elektrische Spannung an dem Trigger-Anschluss 134 unter 1/3 der Betriebsspannung gesunken ist, ist der Zeit-Ausgang mittels der dritten Diode 142 auf den Trigger-Anschluss 134 zurückgekoppelt.
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Wenn der fünfte Ausgang 96 des Schieberegisters 42 angesteuert ist, ist lediglich das Schaltelement 46 des fünften Strangs 38e elektrisch leitend geschaltet, weswegen der Spannungsbegrenzer 36 im Wesentlichen den ohmschen Widerstand des Widerstands 44 des fünften Strangs 38e aufweist. Falls nun in einem letzten Arbeitsschritt 166 ein Impuls auf den Zeit-Eingang 108 des Schieberegisters 42 gegeben wird, wird der End-Ausgang 102 angesteuert. Infolgedessen wird der Reset-Eingang 106 des Schieberegisters 42 angesteuert und folglich dieser zurückgesetzt, sodass der Startausgang 100 angesteuert wird. Auch sind nunmehr sämtliche Schaltelemente 46 der Stränge 38 elektrisch nicht leitend geschaltet. Infolgedessen nimmt der RC-Kreis, welcher aus dem weiteren Widerstand 48 und der Kapazität 50 sowie teilweise mittels der Kapazität 44 des fünften Strangs 38e gebildet ist, die verbleibende induktiv gespeicherte elektrische Energie auf, sodass der über den Spannungsbegrenzer 36 fließende elektrische Strom zu null gezwungen wird. Mittels des zusätzlichen Widerstands 52 wird eine Entladung der Kapazität 50 sichergestellt.
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Zusammenfassend wird mittels des Schieberegisters 42 der elektrische Widerstand des Spannungsbegrenzers 36 zeitlich sukzessive erhöht, wobei eine Erhöhung lediglich dann stattfindet, wenn der fließende elektrisch Strom unterhalb eines bestimmten Grenzwerts ist. Dieser Grenzwert ist mittels der Widerstände 44 eingestellt. Infolgedessen wird auch bei einer vergleichsweise ausgeprägten induktiven Last und somit einem vergleichsweise weiteren Anbestehen eines elektrischen Stromflusses, ein Ausbilden einer vergleichsweise starken elektrischen Spannung unterbunden, wenn der Schalter 32 betätigt wird. Sofern ein vergleichsweise großer Stromfluss weiter besteht, ist der elektrische Widerstand vergleichsweise gering, sodass die elektrische Spannung vergleichsweise gering ist. Erst wenn der elektrische Strom unterhalb eines Grenzwerts ist, wird der elektrische Widerstand erhöht, was auch die resultierende elektrische Spannung erhöht ist. Sobald der elektrische Strom weiter abgesunken ist – und folglich auch die anliegende elektrische Spannung – wird wiederum der elektrische Widerstand erhöht, sodass erneut die elektrische Spannung erhöht wird. Infolgedessen wird der elektrische Stromfluss weiter und in zunehmendem Maß reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Antriebsrad
- 6
- Rad
- 8
- Elektromotor
- 10
- Hochvoltbatterie
- 12
- elektrische Leitung
- 14
- Hochvoltbordnetz
- 16
- Schutzschalter
- 18
- Niedervoltbordnetz
- 20
- Niedervoltbatterie
- 22
- Stellantrieb
- 24
- Trennvorrichtung
- 26
- Steuereinheit
- 28
- Sensor
- 30
- Schnittstelle
- 32
- Schalter
- 34
- Steuereingang
- 36
- Spannungsbegrenzer
- 38
- Strang
- 38a
- erster Strang
- 38b
- zweiter Strang
- 38c
- dritter Strang
- 38d
- vierter Strang
- 38e
- fünfter Strang
- 40
- Zeitgeber
- 42
- Schieberegister
- 44
- Widerstand
- 46
- Schaltelement
- 48
- weiterer Widerstand
- 50
- Kapazität
- 52
- zusätzlicher Widerstand
- 54
- Steuereingang
- 56
- erster Oder-Logikschalter
- 58
- zweiter Oder-Logikschalter
- 60
- dritter Oder-Logikschalter
- 62
- vierter Oder-Logikschalter
- 64
- erster Ausgang des Schieberegisters
- 66
- erster Eingang des ersten Oder-Logikschalters
- 68
- Ausgang des ersten Oder-Logikschalters
- 70
- erster Eingang des zweiten Oder-Logikschalters
- 72
- Ausgang des zweiten Oder-Logikschalters
- 74
- erster Eingang des dritter Oder-Logikschalters
- 76
- Ausgang des dritten Oder-Logikschalters
- 78
- erster Eingang des vierten Oder-Logikschalters
- 80
- Ausgang des vierten Oder-Logikschalters
- 82
- erstes NOR-Gatter
- 84
- zweiter Ausgang des Schieberegisters
- 86
- zweiter Eingang des ersten Oder-Logikschalters
- 88
- dritter Ausgang des Schieberegisters
- 90
- zweiter Eingang des zweiten Oder-Logikschalters
- 92
- vierter Ausgang des Schieberegisters
- 94
- zweiter Eingang des dritten Oder-Logikschalters
- 96
- fünfter Ausgang des Schieberegisters
- 98
- zweiter Eingang des vierten Oder-Logikschalters
- 100
- Startausgang
- 102
- Endausgang
- 104
- Diode
- 106
- Reset-Eingang
- 108
- Zeit-Eingang
- 110
- zweiter Kondensator
- 112
- Spannungsversorgungsquelle
- 114
- zweiter Widerstand
- 116
- zweite Diode
- 118
- GND-Anschluss
- 120
- Versorgungsspannung-Anschluss
- 122
- Control-Anschluss
- 124
- dritter Kondensator
- 126
- Discharge-Anschluss
- 128
- Threshold-Anschluss
- 130
- vierter Kondensator
- 132
- dritter Widerstand
- 134
- Trigger-Anschluss
- 136
- Spannungsteiler
- 138
- vierter Widerstand
- 139
- fünfter Widerstand
- 140
- Zeit-Ausgang
- 142
- dritte Diode
- 144
- zweiter Eingang des Logikschalters
- 146
- Logikschalter
- 148
- erster Eingang des Logikschalters
- 150
- zweites NOR-Gatter
- 152
- drittes NOR-Gatter
- 154
- viertes NOR-Gatter
- 156
- Reset-Anschluss
- 158
- Verfahren
- 160
- erster Arbeitsschritt
- 162
- zweiter Arbeitsschritt
- 164
- dritter Arbeitsschritt
- 166
- letzter Arbeitsschritt
