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Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter mit einem Hauptstrompfad, der ein steuerbares erstes Schaltelement mit einem ersten Steuereingang aufweist. Der erste Steuereingang ist gegen ein steuerbares zweites Schaltelement einer Ansteuerschaltung geführt und somit mittels dieser betätigt.
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Telekommunikation-Anlagen oder Datencenter-Anlagen sind üblicherweise an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossen. Mittels des Versorgungsnetzes wird meist eine Wechselspannung bereitgestellt, deren Frequenz 50 Hz oder 60 Hz beträgt. Da die funktionellen Komponenten der Anlage meist mittels Gleichspannung betrieben sind, ist an das elektrische Versorgungsnetz ein Gleichrichter der Anlage angeschlossen. Mittels dessen wird die Wechselspannung in eine Gleichspannung gewandelt, die zwischen 10 V und mehreren 100 V betragen kann, und die in einen Gleichstromkreis eingespeist wird. Mit dem Gleichstromkreis sind die weiteren Komponenten der Anlage elektrisch kontaktiert und werden somit über diesen bestromt.
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Bei einer Fehlfunktion des Gleichrichters oder einer der Komponenten ist es möglich, dass ein übermäßiger elektrischer Strom auftritt, der die weiteren Komponenten oder sonstigen Bestandteile der Infrastruktur im Gleichstromkreis zerstören kann. Um dies zu vermeiden ist es erforderlich, den Gleichstromkreis und/oder die Verbindung der Komponenten zu dem Gleichstromkreis zu unterbrechen. Hierfür werden üblicherweise Schutzschalter herangezogen, die ein Schaltelement aufweisen, das in Abhängigkeit des Vorliegens des Fehlverhaltens, wie einem übermäßigen elektrischen Strom, betätigt ist.
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In einer Alternative ist das Schaltelement beispielsweise mittels eines Bimetall-Streifens gebildet, mittels dessen der elektrische Strom geführt wird. Bei einem Fluss eines übermäßigen elektrischen Stroms durch den Bimetall-Streifen erfolgt eine ungleiche Auslängung der Seiten des Streifens, sodass dieser verbogen wird. Infolgedessen löste sich ein Ende des Bimetall-Streifens von einem (Fest-) Kontakt des Schutzschalters und der elektrische Stromfluss wird unterbrochen. Somit sind zu Überwachung des elektrischen Stroms keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, weswegen Materialkosten vergleichsweise gering sind. Jedoch ist die Fertigung des Bimetall-Streifens mit vergleichsweise großen Toleranzen behaftet, sodass bei Montage des Bimetall-Streifens dessen mechanische Vorspannung exakt eingestellt und auf den jeweiligen Schutzschalter angepasst werden muss. Somit sind eine Herstellungszeit und auch Herstellungskosten erhöht.
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Weiterhin lässt sich der Bimetall-Streifen mit einer Spulenanordnung ergänzen. Dieser dann thermisch-magnetische Schutzschalter kann im Vergleich zum rein thermischen Prinzip schneller auf kurze Überstromereignisse reagieren. Auch hier können jedoch große Toleranzen auftreten, die es erschweren, den Schutzanforderungen des Gleichstromkreises (DC-Netzes) mit ggf. sehr hohen kurzen Stromspitzen im Nennbetrieb und mit begrenzter Dauerkurzschlussleistung und einer geforderten möglichst schnellen Abschaltung im Fehlerfall zu genügen.
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Eine Alternative hierzu sieht vor, dass das Schaltelement unabhängig von der Bestimmung des Fehlerfalls ausgestaltet ist. Hierbei ist das Schaltelement beispielsweise ein Halbleiterschalter oder ein Relais. Diese werden mittels einer Ansteuerschaltung betätigt, die üblicherweise einen Mikroprozessor und einen Stromsensor aufweist. Mittels des Stromsensors wird hierbei der mittels des Schaltelements geführte elektrische Strom erfasst. Der Stromsensor ist mit dem Mikroprozessor signaltechnisch gekoppelt, sodass in dem Mikroprozessor das Wissen um den Wert des aktuell fließenden elektrischen Stroms vorhanden ist. Mittels dessen erfolgt eine Auswertung hiervon, und in Abhängigkeit der Auswertung erfolgt eine Betätigung des Schaltelements durch den Mikroprozessor. Mittels Programmierung und/oder Auswahl des Mikroprozessors ist es somit möglich, unterschiedliche Schaltcharakteristiken des Schutzschalters zu realisieren. Daher ist es möglich, den Schutzschalter bei unterschiedlichen Anwendungsfällen einzusetzen, wobei lediglich der Mikroprozessor entsprechend programmiert werden muss. Aufgrund des Mikroprozessors sind jedoch Herstellungskosten sowie eine Störanfälligkeit erhöht.
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Aus
US 6,262,871 B ist eine elektronische Testschaltung zum Selbsttest von Fehlererkennungsgeräten wie Fl-Schutzschaltern bekannt. Es wird dabei die Funktionsweise eines primären Leistungsschalters überprüft. Auch werden Fehlerstellen, wie geschweißte Kontakte, überprüft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Schutzschalter anzugeben, wobei vorteilhafterweise Herstellungskosten verringert sind, und wobei zweckmäßigerweise eine Anpassung an unterschiedliche Anwendungen erhöht ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Schutzschalter dient der Absicherung eines Bauteils, wie einer Leitung oder einer sonstigen Komponente, beispielsweise einer Lasteinheit oder einer Last. Hierfür wird mittels des Schutzschalters im Normalfall ein bestimmter elektrischer Strom geführt. Bei einem Fehlverhalten, beispielsweise einem Überstrom, einem Kurzschlussstrom oder einem Fehlerstrom, erfolgt ein Auslösen des Schutzschalters, sodass der Fluss des elektrischen Stroms (Stromfluss) unterbrochen wird. Der im Normalfall mittels des Schutzschalters geführte elektrische Strom ist beispielsweise größer als 0,5 A, 1 A, 5 A, 10 A, 20 A oder 50 A. Insbesondere ist der maximale im Normalfall geführte elektrische Strom geringer als 200 A, 150 A oder 100 A. Besonders bevorzugt wird mittels des Schutzschalters ein Gleichstrom geführt. Hierfür ist der Schutzschalter geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Falls der elektrische Strom unterbrochen ist, liegt an dem Schutzschalters insbesondere eine elektrische Spannung an, die größer als 12 V, 48 V, 100 V oder 200 V ist. Beispielsweise ist die elektrische Spannung geringer als 2.000 V, 1.000 V, 900 V oder 800 V. Insbesondere ist der Schutzschalter ein Hochvolt-Schutzschalter.
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Zum Beispiel wird der Schutzschalter bei einem Kraftfahrzeug verwendet und ist somit ein Bestandteil des Kraftfahrzeugs. Zweckmäßigerweise weist das Kraftfahrzeug einen Hochvoltenergiespeicher auf, der mit einem Antrieb, wie einem Elektromotor, elektrisch verbunden ist. Insbesondere ist in eine Leitung zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Antrieb, die vorzugsweise ein Bestandteil eines Hochvoltbordnetzes ist, der Schutzschalters im Montagezustand eingebracht. Hierfür ist der Schutzschalter geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. In einer Alternative hierzu wird der Schutzschalter beispielsweise bei einer Ladesäule für ein Elektrofahrzeug verwendet.
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In einer besonders bevorzugten Alternative dient der Schutzschalter der Absicherung einer Telekommunikationsanlage, beispielsweise einer Mobilfunkanlage, oder bei einer Datencenteranlage. Hierbei ist der Schutzschalter beispielsweise in einen Gleichstromkreis (DC-Netz) eingebracht, der mittels eines Gleichrichters der jeweiligen Anlage gespeist wird. Mittels des Gleichrichters wird insbesondere eine mittels eines elektrischen Versorgungsnetzes bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung transformiert, wobei die Wechselspannung insbesondere eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz aufweist. In dem Gleichstromkreis liegt zweckmäßigerweise eine Gleichspannung an, die zwischen 10 V und mehreren 100 V beträgt. Beispielsweise ist die anliegende elektrische (Gleich-)Spannung zwischen 10 V und 500 V, zwischen 50 V und 200 V oder zwischen 100 V und 150 V. Vorzugsweise dient der Schutzschalter der Absicherung des Gleichstromkreis oder einer Komponente der jeweiligen Anlage, die mittels des Gleichstromkreises gespeist wird.
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Der Schutzschalter weist einen Hauptstrompfad mit einem steuerbaren ersten Schaltelement auf. Im ordnungsgemäßen Betrieb wird mittels des Hauptstrompfads der elektrische Strom geführt. Das Schaltelement ist innerhalb des Hauptstrompfads derart angeordnet, dass mittels des ersten Schaltelements der durch den Hauptstrompfad fließende elektrische Strom unterbrochen werden kann. Somit wird bei Betätigung des ersten Schaltelements der Hauptstrompfad unterbrochen. Das erste Schaltelement weist zweckmäßigerweise zwei Arbeitskontakte auf, die ein Bestandteil des Hauptstrompfads sind. Beim Schalten des ersten Schaltelements wird der elektrische Widerstand zwischen den beiden Arbeitskontakten zweckmäßigerweise erhöht.
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Das erste Schaltelement ist steuerbar ausgestaltet und weist einen ersten Steuereingang auf. Der erste Steuereingang ist kein Bestandteil des Hauptstrompfads. In Abhängigkeit eines an dem ersten Steuereingang anliegenden (elektrischen) Pegels wird das erste Steuerelement betätigt und somit der Hauptstrompfad unterbrochen. Das erste Schaltelement ist entsprechend verschaltet.
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Beispielsweise ist das erste Schaltelement ein Halbleiterschalter, wie ein Leistungshalbleiterschalter. Vorzugsweise ist das erste Schaltelement ein Feldeffekttransistor, wie ein MOSFET. In diesem Fall weist das erste Schaltelement somit als Arbeitskontakte einen Drain- und einen Source-Eingang auf, die ein Bestandteil des Hauptstrompfads sind. Der Gate-Eingang bildet den ersten Steuereingang oder ist ein Bestandteil hiervon. Besonders bevorzugt jedoch ist das erste Schaltelement mittels eines Relais gebildet. Die beiden Arbeitskontakten können hierbei mechanisch mittels eines Ankers zueinander beabstandet und/oder mechanisch aneinander direkt angelegt werden. Vorzugsweise sind die Arbeitskontakte mechanisch vorgespannt, beispielsweise mittels einer Feder, sodass mittels des Ankers die Federkraft bei entsprechender Bewegung betätigt wird. Der Anker ist insbesondere ein Bestandteil eines Relaisantriebs, der eine elektrische Spule aufweist, mittels derer auf den Anker bei entsprechender Bestromung eine entsprechende Kraft ausgeübt wird. Beispielsweise ist einer der Anschlüsse der Spulen der erste Steuereingang oder zumindest elektrisch mit diesem kontaktiert.
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Zum Beispiel weist das erste Schaltelement eine Verschaltung aus einem Relais sowie einem Halbleiterschalter auf. Insbesondere ist der Halbleiterschalter parallel zu dem Relais geschaltet. Vorzugsweise ist die Verschaltung derart, dass bei Öffnen des Relais der elektrische Strom auf den Halbleiter kommutiert, sodass eine Ausbildung eines Lichtbogens bei dem Relais unterbunden ist. Im Anschluss hieran wird insbesondere der Halbleiterschalter betätigt und somit der elektrische Strom unterbrochen.
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Der Schutzschalter weist ferner ein steuerbares zweites Schaltelement auf, wobei der erste Steuereingang des ersten Schaltelements gegen das zweite Schaltelement geführt ist. Das zweite Schaltelement ist beispielsweise ein Relais, ein Halbleiterschalter oder eine Kombination hieraus. Mittels des zweiten Schaltelements wird insbesondere ein Ansteuerstrom geschaltet und auf diese Weise an dem erste Steuereingang ein bestimmter elektrischer Pegel angelegt. Das zweite Schaltelement weist dabei insbesondere ebenfalls zwei Arbeitskontakten auf, die beispielsweise mittels eines Relais oder eines Halbleiterschalters oder eine Kombination hieraus gebildet ist. Hierbei ist insbesondere einer der Arbeitskontakten des zweiten Schaltelements elektrisch fest mit dem ersten Steuereingang des ersten Schaltelements kontaktiert. Somit ist es möglich, mittels des zweiten Schaltelements ein Bezugspotential an dem ersten Steuereingang anzulegen.
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Das zweite Schaltelement ist hierbei ebenfalls steuerbar ausgestaltet, sodass dieses in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen betätigt ist. Vorzugsweise weist das zweite Schaltelement hierfür einen zweiten Steuereingang auf. Somit ist das erste Schaltelement mittels des zweiten Schaltelements betätigt, und bei einer Betätigung des zweiten Schaltelements wird insbesondere das erste Schaltelement betätigt. Hierbei ist es möglich, das erste Schaltelement derart auszugestalten, dass dieses bereits bei einem vergleichsweise geringen an dem ersten Steuereingang anliegenden Pegels betätigt wird. Somit ist es nicht erforderlich, mittels des zweiten Schaltelements vergleichsweise große elektrische Ströme und/oder elektrische Spannungen zu schalten, sodass hierfür vergleichsweise kostengünstiges Bauteile herangezogen werden kann. Beispielsweise ist die mittels des zweiten Schaltelements geschaltete elektrische Spannung geringer als 30 V oder 20 V. Dahingegen wird mittels des ersten Schaltelements zweckmäßigerweise eine elektrische Spannung zwischen 100 V und 1.000 V geschaltet.
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Das zweite Schaltelement ist ein Bestandteil einer Ansteuerschaltung, die ferner einen Stromsensor umfasst, der mit dem Hauptstrompfad gekoppelt ist. Beispielsweise ist hierfür der Stromsensor in den Hauptstrompfad eingebracht oder zumindest in Wirkverbindung mit diesem. Somit ist es möglich, mittels des Stromsensors den mittels des Hauptstrompfads geführten elektrischen Strom zu erfassen. Der Stromsensor selbst weist zwei Ausgänge auf, wobei bei Betrieb die zwischen den Ausgängen des Stromsensors anliegende elektrische Spannung abhängig von dem mittels des Hauptstrompfads geführten elektrischen Strom ist. Der Stromsensor ist hierfür geeignet ausgestaltet. Insbesondere liegt zwischen dem elektrischen Strom der elektrischen Spannung ein funktioneller Zusammenhang vor, wobei die Funktion vorzugsweise stetig und/oder differenzierbar ist. Besonders bevorzugt ist die zwischen den Ausgängen anliegende elektrische Spannung im Wesentlichen proportional zu dem mittels des Hauptstrompfads geführten elektrischen Stroms. Zum Beispiel entspricht eine elektrische Spannung von 2 V einem geführten elektrischen Strom zwischen 10 A und 100 A. Somit liegen in der Ansteuerschaltung lediglich vergleichsweise geringe elektrische Spannungen und/oder vergleichsweise geringe elektrische Ströme an, insbesondere unterhalb von 1 A, 0,5 A, 0,1 oder 0,01 A. Somit ist es möglich, vergleichsweise kostengünstige Bauteile für die Ansteuerschaltung heranzuziehen, was Herstellungskosten des Schutzschalters weiter reduziert.
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Die Ansteuerschaltung umfasst eine microcontrollerfreie Kennlinienschaltung. Mit anderen Worten weist die Kennlinienschaltung keinen Mikrokontroller und/oder Mikroprozessor auf. Vorzugsweise ist die Kennlinienschaltung analog aufgebaut und umfasst somit keine digitalen Bauteile, insbesondere keine elektronischen Bauteile. Vorzugsweise ist die vollständige Ansteuerschaltung microcontrollerfreie und/oder analog aufgebaut. Mit anderen Worten weist die vollständige Ansteuerschaltung keine digitalen Bauteile und/oder elektronischen Bauteile auf. Zumindest jedoch umfasst die Ansteuerschaltung keinen Mikroprozessor/Microcontroller und ist somit frei von Mikroprozessoren/ Microcontrollern. Zum Beispiel umfasst die Ansteuerschaltung einen Komparator und einen Schmitt-Trigger. Vorzugsweise ist der vollständige Schutzschalter analog aufgebaut und weist somit keine digitalen/elektronischen Bauteile oder zumindest keinen Mikroprozessor/Microcontroller auf. Mit anderen Worten ist der Schutzschalter mikroprozessorfrei/microcontrollerfrei.
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Die Kennlinienschaltung weist zwei Eingänge auf, wobei jeder der Ausgänge des Stromsensors gegen einen jeweiligen Eingang der Kennlinienschaltung geführt ist. Somit liegt bei Betrieb an den Eingängen der Kennlinienschaltung die mittels des Stromsensors bereitgestellte elektrische Spannung an. Folglich wird mittels des Stromsensors die elektrische Spannung für die Kennlinienschaltung bereitgestellt. Die Kennlinienschaltung weist zwei weitere Ausgänge auf, zwischen denen bei Betrieb eine weitere elektrische Spannung anliegt. Die weitere elektrische Spannung steht in funktionellem Zusammenhang mit der elektrischen Spannung. Vorzugsweise ist ein funktioneller Zusammenhang zwischen der weiteren elektrischen Spannung und dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung vorhanden. Der funktionelle Zusammenhang entspricht zweckmäßigerweise einer bestimmten Kennlinie oder korrespondiert zumindest zu dieser. Beispielsweise ist die weitere elektrische Spannung lediglich dann verschieden von einem dem Nennstrom entsprechenden Ruhespannungspegel, falls die elektrische Spannung einen bestimmten Grenzwert überschreitet oder sich innerhalb eines bestimmten Zeitfensters um mehr als einen weiteren Grenzwert ändert, zum Beispiel ansteigt. Mittels der Kennlinienschaltung wird somit eine bestimmte Kennlinie oder zumindest ein Schaltpunkt vorgegeben, sodass die zwischen den weiteren Ausgängen anliegende weitere elektrische Spannung abhängig von der bestimmten Kennlinie ist.
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Insbesondere erfolgt bei Sprüngen des mittels des Hauptstrompfads geführten elektrischen Stroms, die zu Sprüngen der mittels des Stromsensors bereitgestellten elektrische Spannung korrespondieren, innerhalb von bestimmten Zeitfenstern eine bestimmte Änderung der weiteren elektrischen Spannung, sodass dies vorzugsweise einen bestimmten Wert überschreitet. Hierbei ist zweckmäßigerweise jeder Sprunghöhe (Änderung) des elektrischen Stroms ein Zeitfenster zugeordnet, wobei die auf diese Weise gebildeten Paare insbesondere jeweils einen Schaltpunkt des Schutzschalters definieren. Zweckmäßigerweise sind mittels der Kennlinienschaltung mehrere derartige Schaltpunkte definiert, also zwei Schaltpunkte, drei Schaltpunkte oder mehr Schaltpunkte. Mittels des Stromsensors wird hierbei die jeweilige Sprunghöhe des elektrischen Stroms auf eine entsprechende Änderung der elektrischen Spannung abgebildet.
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Das zweite Schaltelement ist in Abhängigkeit der zwischen den weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung anliegenden weiteren elektrischen Spannung betätigt. Somit wird das zweite Schaltelement dann betätigt, wenn die elektrische Spannung, die an den Eingängen der Kennlinienschaltung anliegt, eine bestimmte Bedingung erfüllt. Diese elektrische Spannung ist jedoch abhängig von dem mittels des Hauptstrompfads geführten elektrischen Strom. Somit wird das zweite Schaltelement dann betätigt, wenn der elektrische Strom, der mittels des Hauptstrompfads geführt wird, eine bestimmte Bedingung erfüllt. Vorzugsweise erfolgt eine Betätigung des zweiten Schaltelements, wenn aufgrund einer Änderung des elektrischen Stroms ein Schaltpunkt erreicht wird, also wenn die Änderung des elektrischen Stroms innerhalb des Zeitfensters eines der Schaltpunkte größer oder gleich der Sprunghöhe des elektrischen Stroms des gleichen Schaltpunkts ist, bzw. wenn die Änderung des elektrischen Stroms gleich der Sprunghöhe des elektrischen Stroms eines der Schaltpunkte ist, wobei die Änderung innerhalb des mittels des gleichen Schaltpunkts vorgegebenen Zeitfensters erfolgt.
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Wenn das zweite Schaltelement betätigt wird, wird das erste Schaltelement betätigt, sodass zusammenfassend dieses in Abhängigkeit des mittels des Hauptstrompfads geführten elektrischen Stroms betätigt wird. Mittels der Kennlinienschaltung werden insbesondere zwei Bedingungen oder mehr Bedingungen definiert, die der zeitliche Verlauf des elektrischen Stroms und daher auch der Verlauf der elektrischen Spannung aufweisen muss, sodass eine Betätigung des zweiten Schaltelements erfolgt.
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Aufgrund der microcontrollerfreien Kennlinienschaltung sind keine vergleichsweise kostenintensiven Bauteile erforderlich, weswegen Herstellungskosten reduziert sind. Auch sind die bei Betrieb in der Ansteuerungsschaltung vorhandenen elektrischen Ströme/elektrischen Spannungen vergleichsweise gering, sodass für diese vergleichsweise kostengünstige Bauteile herangezogen werden können. Daher sind die Herstellungskosten des Schutzschalters weiter reduziert. Da die Auslösecharakteristik des Schutzschalters mittels der Kennlinienschaltung eingestellt wird, ist es möglich mittels entsprechender Anpassung der Kennlinienschaltung den Schutzschalters für unterschiedlichste Anwendungsfälle heranzuziehen. Dabei ist lediglich ein Austausch der einzelnen Komponenten der Kennlinienschaltung oder der vollständigen Kennlinienschaltung erforderlich, wohingegen die weiteren Komponenten stets nicht verändert werden müssen. Somit können vergleichsweise viele Gleichteile herangezogen werden, was Herstellungskosten weiter senkt. Auch ist eine neue Anpassung des Schutzschalters, insbesondere eine Neukonstruktion des Schutzschalters, hierbei nicht erforderlich. Da die Kennlinienschaltung zudem microcontrollerfrei ausgestaltet ist, ist diese vergleichsweise unempfindlich und somit robust. Folglich sind eine Zuverlässigkeit und eine Sicherheit erhöht. Auch erfolgt die Einstellung der Auslösecharakteristik mittels der Kennlinienschaltung, die vergleichsweise präzise gefertigt werden kann, und die somit vergleichsweise geringe Fertigungstoleranzen aufweist. Folglich ist eine Kalibrierung jedes Schutzschalters nach dessen Fertigung oder während des Betriebs nicht erforderlich, was Herstellungs- und Betriebskosten reduziert.
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Beispielsweise ist einer der Ausgänge des Stromsensors und/oder einer der Eingänge der Kennlinienschaltung elektrisch gegen Masse geführt und ist somit auf dem elektrischen Potential von Masse. Alternativ oder in Kombination hierzu ist zum Beispiel einer der weiteren Ausgänge der Kennlinienschaltung elektrisch gegen Masse geführt und somit auf dem elektrischen Potential von Masse. Infolgedessen ist eine Verschaltung des Schutzschalters vereinfacht.
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Der Schutzschalter weist eine Komparatorschaltung auf, die insbesondere einen Komparator umfasst. Zweckmäßigerweise ist die Komparatorschaltung ebenfalls analog aufgebaut und weist einen Schnitt-Trigger auf. Die Komparatorschaltung weist zwei Eingänge auf, die mit den weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung verbunden sind. Insbesondere sind diese elektrisch direkt miteinander verbunden, sodass bei Betrieb an den Eingängen der Komparatorschaltung die weitere elektrische Spannung anliegt. Ferner weist die Komparatorschaltung einen Referenzeingang auf, der zweckmäßigerweise gegen ein elektrisches Referenzpotential geführt ist. Mittels des Referenzpotentials wird insbesondere eine bestimmte konstante elektrische Spannung bezüglich eines weiteren elektrischen Potentials bereitgestellt, wobei dieses elektrische Potential beispielsweise ebenfalls an der Komparatorschaltung anliegt. Besonders bevorzugt wird als weiteres elektrisches hierbei das elektrische Potential eines der weiteren Ausgänge der Kennlinienschaltung herangezogen. Somit ist eine Verschaltung vereinfacht.
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Zudem weist die Komparatorschaltung einen Ausgang auf, der gegen den etwaigen zweiten Steuereingang des zweiten Schaltelements geführt ist. Insbesondere liegt an dem Ausgang der Komparatorschaltung ein elektrischer Pegel auf, falls die zwischen den weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung anliegende weitere elektrische Spannung einer bestimmten Bedingung bezüglich des Referenzpotentials genügt. Insbesondere wird das elektrische Potential, das an einem der Eingängen der Komparatorschaltung anliegt bezüglich des elektrischen Potentials verglichen, das an dem Referenzeingang anliegt, also vorzugsweise dem Referenzpotential. Insbesondere ist hierbei der andere Eingang der Komparatorschaltung elektrisch gegen Masse geführt. Wenn beispielsweise das elektrische Potential, das an dem einen dem Eingänge anliegt größer als das Referenzpotential ist, liegt an dem Ausgang der Komparatorschaltung ein bestimmter elektrischer Pegel an, der dem Ruhespannungspegel, welcher dem Nennstrom zugeordnet werden kann, entspricht. Somit wird dann, wenn das elektrische Potential an dem einen in deren Eingänge größer als das Referenzpotential ist, das zweite Schaltelement betätigt.
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Besonders bevorzugt sind die Ausgänge des Stromsensors galvanisch von dem Hauptstrompfad getrennt. Vorzugsweise ist die vollständige Ansteuerschaltung galvanisch von dem Hauptstrompfad getrennt, was eine Sicherheit und den Anlagen- und/oder Personenschutz erhöht. Beispielweise umfasst der Stromsensor einen Hallsensor oder ist mittels dessen gebildet. Mittels des Hallsensors wird bei Betrieb ein den Hauptstrompfad umgebendes Magnetfeld erfasst, das aufgrund des damit geführten elektrischen Stroms hervorgerufen wird. In einer Alternative ist beispielsweise der Stromsensor ein magnetoresisitiver Sensor oder umfasst diesen. Mittels des magnetoresisitiven Sensors wird bei Betrieb ebenfalls das den Hauptstrompfad umgebende Magnetfeld erfasst, das aufgrund des elektrischen Stroms hervorgerufen wird. Somit ist der Stromsensor von dem Hauptstrompfad beabstandet, was eine galvanische Trennung erleichtert. Alternativ umfasst der Stromsensor beispielsweise einen Shunt, also zweckmäßigerweise einen Messwiderstand, der in den Hauptstrompfad eingebracht ist. Somit ist der Stromsensor zumindest teilweise auch ein Bestandteil des Hauptstrompfads. Vorzugsweise umfasst der Stromsensor eine galvanische Trennung des Shunts zu den Ausgängen, sodass auf diese Weise ebenfalls die galvanische Trennung realisiert ist. Alternativ ist diese nicht vorhanden, was Herstellungskosten reduziert.
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Vorzugsweise ist einer der Eingänge der Kennlinienschaltung mittels eines Auslösepfads gegen einen der weiteren Ausgänge der Kennlinienschaltung geführt. Mit anderen Worten ist zwischen diesem Eingang der Kennlinienschaltung und dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung der Auslösepfad vorhanden, und dieser Eingang der Kennlinienschaltung ist mittels des Auslösepfads mit dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung verbunden. Beispielsweise ist zwischen dem verbleibenden Eingang der Kennlinienschaltung, nachfolgend insbesondere weiterhin als „verbleibender Eingang“ bezeichnet, und dem verbleibenden weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung, nachfolgend insbesondere weiterhin als „verbleibender weiterer Ausgang“ bezeichnet, ebenfalls ein Pfad vorhanden, der mehrere elektrische Komponenten aufweist. Besonders bevorzugt jedoch ist der verbleibende Eingang der Kennlinienschaltung direkt gegen den verbleibenden weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung geführt und somit direkt mit diesem elektrisch kontaktiert. Folglich ist das elektrische Potential, das an dem verbleibenden Eingang der Kennlinienschaltung anliegt, gleich dem elektrischen Potential, das an dem weiteren verbleibenden Ausgang der Kennlinienschaltung anliegt, und diese sind mechanisch vorzugsweise mittels des gleichen Anschlusses bereitgestellt. Vorzugsweise sind der verbleibende Eingang der Kennlinienschaltung und der verbleibende weitere Ausgang der Kennlinienschaltung mit Masse kontaktiert. Somit ist eine Konstruktion des Schutzschalters vereinfacht. Insbesondere ist somit ein Zweitor gebildet. Die Bereitstellung der Kennlinienfunktionalität erfolgt mittels des Auslösepfads. Zur Anpassung des Schutzschalters auf den jeweiligen Anwendungsfall ist somit lediglich ein Anpassen des Auslösepfads erforderlich.
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Zweckmäßigerweise weist der Auslösepfad einen ersten Widerstand auf. Somit ist der Eingang der Kennlinienschaltung mittels des ersten Widerstands mit dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung verbunden. Beispielsweise sind hierbei zusätzliche elektrische Bauteile zwischen dem ersten Widerstands und dem Eingang bzw. dem Ausgang angeordnet. Auf Seiten des weiteren Ausgangs ist der erste Widerstand mittels einer ersten Kapazität gegen den verbleibenden weiteren Ausgang geführt und somit auch gegen den verbleibenden Eingang der Kennlinienschaltung. Die erste Kapazität ist besonders bevorzugt ein Kondensator.
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Wenn an den beiden Eingängen der Kennlinienschaltung die elektrische Spannung anliegt, ergibt sich über den ersten Widerstand ein Stromfluss, mittels dessen die erste Kapazität geladen wird. Hierbei wird die Zeitdauer des Ladens mittels des ersten Widerstands eingestellt. In Abhängigkeit der an den Eingängen der Kennlinienschaltung anliegende elektrische Spannung und der Wahl des ersten Widerstands ergibt sich die an der ersten Kapazität anliegende Spannung sowie deren zeitlicher Verlauf. Die an der ersten Kapazität anliegende elektrische Spannung ist hierbei insbesondere die weitere elektrische Spannung, die an den weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung anliegt.
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Aufgrund der Verwendung der ersten Kapazität und des ersten Widerstands unterscheidet sich der Verlauf der elektrischen Spannung, die an den Eingängen der Kennlinienschaltung anliegt, von dem Verlauf der weiteren elektrischen Spannung, die an den weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung anliegt. Somit ist die weitere elektrische Spannung abhängig von der Wahl des ersten Widerstands sowie der Wahl der ersten Kapazität und von der anliegenden elektrischen Spannung. Sofern diese vergleichsweise schnelle Fluktuation aufweist, also insbesondere Spannungsspitzen, werden dies mittels des ersten Widerstands sowie der ersten Kapazität geglättet. Mit anderen Worten wirken der erste Widerstands sowie die erste Kapazität als Tiefpass. Infolgedessen erfolgt insbesondere keine Betätigung des zweiten Schaltelements und somit kein Auslösen des Schutzschalters. Daher ist es möglich, mittels geeigneter Wahl des ersten Widerstands und der ersten Kapazität zumindest teilweise das Verhalten eines thermischen Schutzschalters nachzuahmen.
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Vorzugsweise ist parallel zu der ersten Kapazität ein charakteristischer Zweig geschaltet, der eine Reihenschaltung aus einer Kapazität und einem Widerstand aufweist. Die Kapazität ist zweckmäßigerweise mittels eines Kondensators gebildet. Beispielsweise befindet sich die Kapazität hierbei auf Seiten des ersten Widerstands oder auf Seiten des verbliebenen weiteren Ausgangs/Eingangs bezüglich des zugeordneten Widerstands. Insbesondere ist der charakteristische Zweig mittels der Reihenschaltung gebildet. Somit wird zusätzlich zu der ersten Kapazität auch mittels des charakteristischen Zweigs eine weitere Bedingung für die weitere elektrische Spannung angegeben. Mittels des charakteristischen Zweigs ist insbesondere ein Tiefpass gebildet, und/oder ein Tiefpass bildet den charakteristischen Zweig. Der Tiefpass ist bevorzugt linear.
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Mittels des charakteristischen Zweigs ist es möglich, die bereits bestehende Kennlinie mittels Hinzufügen eines weiteren Schaltpunkts zu verändern, wobei der Schaltpunkt insbesondere einen bestimmten zeitlichen Anstieg der anliegenden elektrischen Spannung, und somit des mittels des Hauptstrompfads geführten elektrischen Stroms, innerhalb eines bestimmten Zeitfensters definiert. Dann wenn der Schaltpunkte realisiert oder überschritten wird, erfolgt geeigneterweise eine Ansteuerung des zweite Schaltelements. Mit anderen Worten erfüllt in diesem Fall die weitere elektrische Spannung eine bestimmte Bedingung, die zum Schalten des zweiten Schaltelements führt.
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Zum Beispiel ist lediglich ein einziger derartiger charakteristischer Zweig vorhanden. Besonders bevorzugt jedoch umfasst der Schutzschalter, also die Kennlinienschaltung, zumindest einen derartige weitere charakteristischen Zweig, vorzugsweise mehrere weitere charakteristische Zweige. Jeder dieser charakteristischen Zweige ist insbesondere mittels der jeweiligen Kapazität und dem jeweiligen Widerstand gebildet. Die charakteristischen Zweige sind insbesondere zueinander gleichartig und unterscheiden sich technisch jeweils lediglich durch die Dimensionierung der jeweiligen Bauteile, jedoch nicht durch die Anordnung und/oder Art der Bauteile.
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Vorzugsweise unterscheiden sich die die charakteristischen Zweige insbesondere aufgrund der Wahl des jeweiligen Widerstands, wobei beispielsweise die Kapazitäten stets gleich sind. Alternativ hierzu sind beispielsweise die Kapazitäten stets gleich, und die Widerstände unterscheiden sich. Besonders bevorzugt unterscheiden sich sowohl die Widerstände als auch die Kapazitäten zwischen zumindest zweien der charakteristische Zweige. Vorzugsweise weist Schutzschalters 4, 5, 6, 8, 10 oder mehr derartige charakteristische Zweige auf.
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Mittels jedes der charakteristischen Zweige wird insbesondere ein Schaltpunkt der Kennlinie oder eine vollständige Kennlinie bestimmt, also eine Bedingung definiert. Diese korrespondieren hierbei zu einer Änderung des mittels des Hauptstroms geführten elektrischen Stroms innerhalb eines bestimmten Zeitfensters. Sofern einer dieser Schaltpunkte überschritten wird, ist die jeweilige Bedingung erfüllt, was mittels der weiteren elektrischen Spannung angegeben wird. Beispielsweise ist in diesem Fall, also wenn jeweilige Bedingung erfüllt ist, die weitere elektrische Spannung größer als ein bestimmter Grenzwert, insbesondere größer als das etwaige Referenzpotential. Somit erfolgt in diesem Fall die Ansteuerung des zweiten Schaltelements.
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Besonders bevorzugt ist der erste Widerstand auf Seiten des Eingangs der Kennlinienschaltung mittels eines zweiten Widerstands gegen den verbleibenden weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung geführt. Somit ist der zweite Widerstand auch gegen den verbleibenden Eingang der Kennlinienschaltung geführt. Vorzugsweise weist der zweite Widerstand einen vergleichsweise großen Wert auf, sodass dieser vergleichsweise hochohmig ist. Der Widerstandswert des zweiten Widerstands ist beispielsweise größer als 20 kOhm, 50kOhm, 100kOhm. Somit wird die weitere elektrische Spannung mittels des zweiten Widerstands im Wesentlichen nicht beeinflusst.
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Insbesondere erfolgt nach Auslösen des Schutzschalters, also dann, wenn mittels des Stromsensors die elektrische Spannung nicht mehr bereitgestellt wird, eine Entladung der ersten Kapazität sowie der etwaigen weiteren Kapazitäten mittels des zweiten Widerstands. Somit wird der Schutzschalters nach dem Auslösen in einen sicheren Zustand überführt, und an den einzelnen Bauteilen liegt keine elektrische Spannung mehr an.
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In einer Alternative weist der Auslösepfad einen dritten Widerstand auf, der parallel zu der ersten Kapazität geschaltet ist. Somit ist der dritte Widerstand ebenfalls mit den beiden weiteren Ausgängen der Kennlinienschaltung elektrisch kontaktiert. Infolgedessen erfolgt mittels des dritten Widerstands stets eine Entladung der ersten Kapazität, sodass auf diese Weise etwaige Spannungsspitzen in der elektrischen Spannung abgefedert werden, weswegen ein thermisches Verhalten des Schutzschalters nachgeahmt werden kann. Auch ist eine übermäßige Ladung der ersten Kapazität vermieden, weswegen diese stets ihre Wirkungsweise aufweist. Mittels des dritten Widerstands wird somit der Schaltpunkt bzw. die Kennlinie, die mittels des Auslösepfad bereitgestellt ist, weiter angepasst.
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Vorzugsweise umfasst der Auslösepfad eine Diode, die zwischen dem ersten Widerstand und dem Eingang der Kennlinienschaltung angeordnet ist. Hierbei ist insbesondere ein Stromfluss von dem Eingang der Kennlinienschaltung zu dem ersten Widerstand möglich umgekehrt jedoch nicht. Alternativ oder bevorzugt in Kombination ist eine Diode zwischen dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung und dem ersten Widerstand und daher auch zwischen der ersten Kapazität und dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung geschaltet. Vorzugsweise ist aufgrund der Sperrrichtung ein elektrischer Stromfluss von dem ersten Widerstand zu dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung möglich. Besonders bevorzugt sind die beiden Dioden vorhanden, sodass ein Stromfluss über den ersten Widerstand möglich ist. Aufgrund der beiden Dioden ist eine Wirkungsweise des Auslösepfads verbessert, und es ist sichergestellt, dass die erste Kapazität stets auf Seiten der weiteren Ausgänge der Kennlinienschaltung entladen wird.
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In einer weiteren Alternative ist ein zusätzlicher Widerstand zwischen dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung und dem ersten Widerstand und daher auch zwischen der ersten Kapazität und dem weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung geschaltet. Mittels des weiteren Widerstands wird hierbei zumindest teilweise die Funktion einer der oben genannten Dioden übernommen.
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Zum Beispiel ist lediglich der einzige Auslösepfad vorhanden. Besonders bevorzugt jedoch umfasst die Kennlinienschaltung zumindest einen weiteren Auslösepfad oder mehr weitere Auslösepfade, beispielsweise 2, 3, 4, 5 oder 10 weitere Auslösepfade. Die weiteren Auslösepfade sind parallel zu dem Auslösepfad geschaltet und somit gegen den einen Eingang der Kennlinienschaltung sowie den einen weiteren Ausgang der Kennlinienschaltung geführt. Sämtliche Auslösepfade sind vorzugsweise zueinander gleichartig aufgebaut und weisen somit insbesondere die gleiche Anzahl und/oder Arten von Bauteilen auf. Auch unterscheidet sich deren jeweilige Verschaltung nicht. Zweckmäßigerweise unterscheidet sich jedoch zumindest eines der Bauteile der Auslösepfade aufgrund der Dimensionierung/des jeweiligen Werts. Insbesondere sind der erste, zweite und/oder dritte Widerstand zumindest zwischen zwei der Auslösepfade unterschiedlich. So ist es möglich, mittels der Kennlinienschaltung eine vergleichsweise komplexen Kennlinie bereitzustellen, anhand derer ein Auslösen des Schutzschalters erfolgt.
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Das Bestimmen der Werte für den ersten Widerstand, die erste Kapazität sowie die weiteren Kapazitäten/Widerstände erfolgt beispielsweise mittels eines heuristischen Verfahrens und/oder eines iterativen Verfahrens, insbesondere sofern mehrere derartige Auslösepfade/charakteristische Zweige vorhanden sind.
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Sofern eine Komponente als erste, zweite, dritte,... Komponente bezeichnet wird, ist insbesondere lediglich darunter eine bestimmte Komponente zu verstehen. Insbesondere bedeutet dies nicht, dass eine bestimmte Anzahl an derartigen Komponenten vorhanden ist. So impliziert insbesondere nicht, dass der zweite Widerstand vorhanden ist, sofern der dritte Widerstand vorhanden ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines Schutzschalters mit einer Kennlinienschaltung,
- 2 vereinfacht einen Schaltplan einer Ausführungsform der Kennlinienschaltung,
- 3 eine mittels der Kennlinienschaltung bereitgestellte Kennlinie, und
- 4 gemäß 2 eine weitere Ausführungsform der Kennlinienschaltung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Gleichstromsystem 2 mit zwei Wandlern 4 gezeigt, die mittels eines Gleichstromkreises 6 miteinander verbunden sind. Mittels eines der Wandler 4 ist eine Last 8 bestromt. Beispielsweise ist das Gleichstromsystem 2 ein Bestandteil einer Ladesäule für die Elektromobilität, sodass die Last 8 ein Kraftfahrzeug oder dergleichen darstellt. Alternativ ist das Gleichstromsystem 2 beispielsweise ein Bestandteil einer Telekommunikations- oder Datencenteranlage, und die Last 8 ist mittels eines Mobilfunkanlage(-station) oder einer sonstigen Komponente gebildet. Einer der Wandler 4 ist als Gleichrichter ausgestaltet und an ein Versorgungsnetz 10 angeschlossen, das beispielsweise eine (elektrische) Gleichspannung oder eine (elektrische) Wechselspannung führt. Zum Beispiel ist das Versorgungsnetz 10 mittels einer Batterie oder eines sonstigen Energiespeichers bereitgestellt.
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Der Gleichstromkreis 6 weist zwei Strompfade 12 auf, mittels derer bei Betrieb ein Übertrag von elektrischer Energie zwischen den beiden Wandlern 4 ermöglicht ist. Zur Absicherung in einem Fehlerfall ist in einen der Strompfade 12 ein Schutzschalter 14 eingebracht, der somit zumindest teilweise einen der Strompfad 12 bildet. Der Schutzschalter 14 weist einen Hauptstrompfad 16 auf, der mittels nicht näher dargestellter Anschlüsse an weiteren Bestandteilen des zugeordneten Strompfads 12 angeschlossen ist. Mit anderen Worten bildet die Hauptstrompfad 16 zumindest teilweise den Strompfad 12. Der Schutzschalters 14 weist ein erstes Schaltelement 18 mit zwei Arbeitskontakten 20 auf, wobei ein elektrischer Widerstand zwischen diesen eingestellt werden kann. Zudem weist das erste Schaltelement 18 einen erste Steuereingang 22 auf, mittels dessen der elektrische Widerstand zwischen den beiden Arbeitskontakten 20 eingestellt wird. Somit ist das erste Schaltelement 18 steuerbar ausgestaltet.
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Beispielsweise ist das erste Schaltelement 18 mittels eines Halbleiterschalters, beispielsweise eines Leistungshalbleiterschalters gebildet. Hierbei wird mittels Veränderung einer Ladungszone der elektrische Widerstand zwischen den beiden Arbeitskontakten 20 eingestellt, die insbesondere mittels „Drain“ und „Source“ bereitgestellt sind. Bevorzugt jedoch ist das erste Schaltelement 18 mittels eines Relais gebildet, und die Arbeitskontakte 20 sind zueinander beweglich gelagert, sodass der elektrische Widerstand mittels Beabstandung dieser erhöht wird. Zumindest einer der Arbeitskontakten 20 ist in Wirkverbindung mit einem nicht näher dargestellten Anker, wobei mittels des Ankers die Position der beiden Arbeitskontakten 20 zueinander eingestellt wird. Der Anker ist beispielsweise aus einem magnetischen oder ferromagnetischen Material erstellt und mittels einer nicht näher dargestellten Spule eines Relaisantriebs angetrieben. Sofern an dem ersten Steuereingang 22 eine bestimmte elektrische Spannung anliegt erfolgt eine Bestromung der Spule.
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Der Schutzschalters 14 umfasst ferner eine Ansteuerschaltung 24, mittels derer eine Ansteuerung des ersten Schaltelements 18 erfolgt. Mit anderen Worten ist die Ansteuerschaltung 24 gegen den ersten Steuereingang 22 des ersten Schaltelements 18 geführt. Die Ansteuerschaltung 24 weist einen Stromsensor 26 auf, der einen Hallsensor 28 umfasst. Der Hallsensor 28 umgibt hierbei den Hauptstrompfad 16 umfangsseitig, sodass mittels dessen ein Magnetfeld erfasst werden kann, das aufgrund eines mittels des Hauptstrompfads 16 geführten elektrischen Stroms hervorgerufen wird, der im Normallfall 30 A beträgt (Nennstrom, „inenn“).
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Der Hallsensor 28 ist mechanisch von dem Hauptstrompfad 16 beabstandet und mittels einer auf Auswerteschaltung 30 des Stromsensors 26 betrieben also bestromt. Hierfür ist die Auswerteschaltung 30 elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle 32 verbunden, mittels derer eine elektrische Gleichspannung von 24 V gegenüber Masse 34 bereitgestellt ist, wobei die Auswerteschaltung 30 ebenfalls elektrisch mit Masse 34 verbunden. In weiteren, nicht gezeigten Alternativen ist die elektrische Gleichspannung gegenüber Masse 34 zwischen 1 V und 50 V, zwischen 10 V und 30 V und beträgt beispielsweise 12 V. Zudem weist der Stromsensor 26, nämlich die Auswerteschaltung 30 zwei Ausgängen 36 auf, von denen einer ebenfalls gegen Masse geführt ist. Mit anderen Worten liegt an diesem Ausgang 36 als elektrisches Potential stets Masse 34 an. Die zwischen den Ausgängen 36 anliegende elektrische Spannung 38 (2) ist abhängig von dem mittels des Hauptstrompfads 16 geführten elektrischen Strom. Insbesondere ist aufgrund der Heranziehung des Hallsensors 28 die elektrische Spannung 38 direkt proportional zu dem mittels des Hauptstrompfads 16 geführten Strom. Hierbei entspricht ein mittels des Hauptstrompfads 16 geführter elektrischer Strom von 30 A einer zwischen den Ausgängen 36 anliegende elektrische Spannung 38 von 0,9 V zuzüglich eines festen Offsets, und ein mittels des Hauptstrompfads 16 geführter elektrischer Strom von 60 A entspricht einer zwischen den Ausgängen 36 anliegende elektrische Spannung 38 von 1,8 V zuzüglich des festen Offsets. Somit ist der Proportionalitätsfaktor 0,03 V/A. Aufgrund der Verwendung des Hallsensors 28 sind zu dem die Ausgänge 36 des Stromsensors 26 galvanisch von dem Hauptstrompfad 16 getrennt.
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In einer Alternative wird anstatt des Hallsensors 28 ein magnetoresistiver Sensor verwendet. Auch hier sind konstruktionsbedingt die Ausgänge 36 des Stromsensors 26 galvanisch von dem Hauptstrompfad 16 getrennt. In einer weiteren Alternative wird anstatt des Hallsensors 28 ein Shunt herangezogen, der in den Hauptstrompfad 16 eingebracht ist. Hierbei erfolgt eine galvanische Trennung die Ausgänge 36 zu dem Hauptstrompfad 16 mittels einer entsprechenden Anpassung der Auswerteschaltung 30.
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Die Ansteuerschaltung 24 weist ferner eine Kennlinienschaltung 40 auf, die zwei Eingänge 42 und zwei weitere Ausgänge 44 umfasst. Einer der Eingänge 42 sowie einer der Ausgänge 44 sind mittels des gleichen physikalischen Anschlusses gebildet und gegen Masse 34 geführt. Somit ist dieser Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 auch mit einem der Ausgänge 36 des Stromsensors 26 elektrisch kontaktiert. Der andere Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 ist mit dem anderen Ausgang 36 des Stromsensors 26 elektrisch kontaktiert.
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Der anderen Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 ist gegen einen von insgesamt zwei Eingängen 46 einer Komparatorschaltung 48 geführt, die einen nicht näher dargestellten Komparator umfasst. Der andere Eingang 46 der Komparatorschaltung 48 ist gegen Masse 34 geführt. Zudem weist die Komparatorschaltung 48 einen Referenzeingang 50 auf, der gegen die Gleichspannungsquelle 32 geführt ist. Somit liegt an dem Referenzeingang 50 bezüglich Masse 34 das mittels der Gleichspannungsquelle 32 bereitgestellte elektrische Potential als Referenzpotential an, nämlich 24 V. Die Komparatorschaltung 48 umfasst ferner einen Ausgang 52, wobei an diesem lediglich dann ein Pegel anliegt, wenn die zwischen den Eingängen 46 der Komparatorschaltung 48 anliegende elektrische Spannung größer als die elektrische Spannung zwischen dem Referenzeingang 50 und Masse 34 ist. In einer Weiterbildung erfolgt insbesondere mittels der Komparatorschaltung 48 eine Anpassung des Referenzpotentials.
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Der Ausgang 52 der Komparatorschaltung 48 ist gegen einen zweiten Steuereingang 54 eines steuerbaren zweiten Schaltelements 56 geführt, das zwischen den ersten Steuereingang 22 sowie die Gleichspannungsquelle 32 geschaltet ist. Das zweite Schaltelement 56 ist mittels eines Halbleiterschalters, nämlich eines MOSFETs, bereitgestellt. Somit weist das zweite Schaltelement 56 ebenfalls zwei Arbeitskontakte 20 auf, von denen einer mittels „Drain“ und das andere mittels „Source“ gebildet sind. Mittels der Arbeitskontakten 20 ist es möglich, den ersten Steuereingang 22 auf das mittels der Gleichspannungsquelle 32 bereitgestellte elektrische Potential zu legen. Die Einstellung der Arbeitskontakte 20 des zweiten Schaltelements 56 erfolgt hierbei des zweiten Steuereingangs 54, der mittels „Gate“ gebildet ist.
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Somit ist das zweite Schaltelement 56 in Abhängigkeit einer zwischen den weiteren Ausgängen 44 der Kennlinienschaltung 40 anliegenden weiteren elektrischen Spannung 58 (2) betätigt. Hierfür sind nämlich die weiteren Ausgänge 44 der Kennlinienschaltung 40 mit den Eingängen 50 der Komparatorschaltung 48 verbunden, deren Ausgang 52 gegen den zweiten Steuereingang 54 geführt ist. Hierbei weist der Ausgang 52 nur dann einen Pegel auf, wenn die weitere elektrische Spannung 58 größer als die mittels der Gleichspannungsquelle 32 bereitgestellte elektrische Spannung ist, die somit ein Referenzpotential bildet. Die Kennlinienschaltung 40 sowie die weiteren Bestandteile der Ansteuerschaltung 24 sind mittels analoger Bauteile erstellt, und mittels der microcontrollerfreien Kennlinienschaltung 40 ist ein funktioneller Zusammenhang zwischen der weiteren elektrischen Spannung 58, die an den Ausgängen 42 der Kennlinienschaltung 40 anliegt, und der elektrischen Spannung 38, die an den Eingängen 42 der Kennlinienschaltung 40 und somit auch an den Ausgängen 36 des Stromsensors 26 anliegt, realisiert. Zumindest ist die Ansteuerschaltung 24 microcontrollerfrei.
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In 2 ist eine erste Ausgestaltungsform der Kennlinienschaltung 40 mit den beiden Eingängen 42 dargestellt, zwischen denen bei Betrieb die elektrische Spannung 38 anliegt. Zwischen den weiteren Ausgängen 44 der Kennlinienschaltung 40 liegt bei Betrieb die weitere elektrische Spannung 58 an. Einer der Eingänge 42 der Kennlinienschaltung 40 ist mittels eines Auslösepfads 60 gegen einen der weiteren Ausgänge 44 der Kennlinienschaltung 40 geführt. Der verbleibende Eingang 42 sowie der verbleibende Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 sind elektrische gegen Masse 34 geführt und somit direkt miteinander elektrisch kontaktiert.
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Der Auslösepfad 60 weist einen ersten Widerstand 62 auf, der zwischen den Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 sowie den weiteren Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 geschaltet ist, und diese somit miteinander verbindet. Der Wert des ersten Widerstands 62 ist 1 kOhm. Auf seitens des zugeordneten weiteren Ausgangs 44 der Kennlinienschaltung 40 ist der erste Widerstand 62 mittels einer ersten Kapazität 64 gegen den verbleibenden weiteren Ausgang 44 und somit gegen Masse 34 geführt. Die erste Kapazität 64 ist mittels eines Kondensators gebildet und weist als Wert 3,16 µF auf. Auf Seiten des Eingangs 42 ist der erste Widerstand 62 mittels eines zweiten Widerstands 66 gegen den verbleibenden weiteren Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 und somit auch gegen Masse 34 geführt. Der Wert des zweiten Widerstands 66 beträgt hierbei 51 kOhm.
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Parallel zu der ersten Kapazität 64 sind mehrere charakteristische Zweige 68, in diesem Fall vier charakteristische Zweige 68, geschaltet, von denen hier zwei gezeigt sind. Mit anderen Worten sind mittels der charakteristischen Zweige 68 die beiden weiteren Ausgängen 44 in der Kennlinienschaltung 40 miteinander elektrisch verbunden. Jeder charakteristische Zweig 68 ist mittels einer Reihenschaltung aus einer Kapazität 70 und einem Widerstand 72 gebildet, wobei sich die Kapazität 70 in diesem Beispiel auf Seiten des ersten Widerstands 62 bezüglich des jeweiligen Widerstands 72 befindet. Somit sind die charakteristischen Zweige 68 gleichartig aufgebaut, wobei der Wert der Kapazität 70 bei einem der charakteristischen Zweige 68 gleich 3,16 µF ist, und wobei der Wert des Widerstands 72 des gleichen charakteristischen Zweigs 68 gleich 1,049 kOhm ist. Der Wert der Kapazität 70 bei einem weiteren der charakteristischen Zweige 68 ist gleich 4,64 µF, und der Wert des Widerstands 72 dieses charakteristischen Zweigs 68 ist gleich 4,319 kOhm. Der Wert der Kapazität 70 bei einem weiteren der charakteristischen Zweige 68 ist gleich 8,25 µF, und der Wert des Widerstands 72 dieses charakteristischen Zweigs 68 ist gleich 475,4 Ohm.
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Mittels der elektrischen Spannung 38 wird bei Betrieb die erste Kapazität 64 geladen, wobei sich an der ersten Kapazität 64 die weitere elektrische Spannung 58 eingestellt. Falls die elektrische Spannung 38 Fluktuationen aufweist, werden diese aufgrund des als Tiefpass wirkenden ersten Widerstands 72 sowie ersten Kapazität 64 und der charakteristische Zweige 68 teilweise geglättet. Sofern eine vergleichsweise große Änderung der elektrischen Spannung 38 innerhalb eines bestimmten Zeitfensters erfolgt, ist ein vergleichsweise schnelles Laden der ersten Kapazität 64 sowie der Kapazitäten 70 möglich, sodass sich auch die weitere elektrische Spannung 58 ändert. Mit anderen Worten wirkt der Auslösepfad 60 als Tiefpass n-ter Ordnung, wobei n die Anzahl der charakteristischen Zweige 68 zuzüglich „1“ ist. Also ist n gleich der Anzahl an Kapazitäten 64, 70 des Auslösepfads 60, und mittels dessen ist eine Übertragungsfunktion gebildet.
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Infolgedessen ändert sich die an den Eingängen 64 der Komparatorschaltung 48 anliegende elektrische Spannung, die somit größer als die zwischen dem Referenzeingang 50 und der Masse 34 gebildete elektrische Spannung ist. Infolgedessen wird das zweite Schaltelement 56 angesteuert und somit das erste Schaltelement 18 geöffnet, sodass der elektrische Stromfluss über den Hauptstrompfad 16 unterbrochen ist.
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Mittels der Wahl der einzelnen Werte für die elektrischen Bauteile der Kennlinienschaltung 40 ist sichergestellt, dass bei bestimmten Änderungen der elektrischen Spannung 38, die zu Änderungen des elektrischen Stroms durch den Hauptstrompfad 16 korrespondieren, innerhalb eines bestimmten Zeitfenster auch ein Auslösen des ersten Schaltelements 18 erfolgt.
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In 3 ist eine mittels der Kennlinienschaltung 40 bereitgestellte Kennlinie 73 dargestellt, wobei die Auslösezeit des Schutzschalters 14 in Millisekunden gegen den Auslösestrom, also den mittels des Hauptstrompfads 16 geführten elektrischen Strom als Vielfaches des Nennstroms, in diesem Fall 30 A, aufgetragen ist. Mittels der Komparatorschaltung 48 ist sichergestellt, dass ein Auslösen lediglich ab einem konstanten 1,8-fachen des Nennstroms erfolgt. Hierfür erfolgt eine geeignete Anpassung des Referenzpotentials.
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Aufgrund der ersten Kapazität 64 sowie des ersten Widerstands 62 als auch aufgrund der drei charakteristischen Zweige 68 ergeben sich ein erster Schaltpunkt 73a, ein zweiter Schaltpunkt 73b, ein dritter Schaltpunkt 73c und ein vierter Schaltpunkt 73d, also insgesamt vier Schaltpunkte. Der erste Schaltpunkt 73a entspricht dem Anstieg des mittels Hauptstrompfad 16 geführten elektrischen Stroms auf über das Zweifache des Nennstroms in 50 ms, der zweite Schaltpunkt 73b entspricht dem Anstieg des mittels Hauptstrompfad 16 geführten elektrischen Stroms auf über das Dreifache des Nennstroms in 15 ms, der dritte Schaltpunkt 73c entspricht dem Anstieg des mittels Hauptstrompfad 16 geführten elektrischen Stroms auf über das Fünffache des Nennstroms in 5 ms und der vierte Schaltpunkt 73d entspricht dem Anstieg des mittels Hauptstrompfad 16 geführten elektrischen Stroms auf über das Zehnfache des Nennstroms in 1ms. Stets dann, wenn einer der Schaltpunkte 73a, 73b, 73c, 73d und somit die Kennlinie 73 aufgrund der Änderung des mittels des Hauptstrompfads 16 geführten elektrischen Stroms überschritten wird, erfolgt eine Betätigung des zweiten Schaltelements 56 und daher ein Auslösen des Schutzschalters 14.
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In 4 ist eine weitere Ausgestaltungsform der Kennlinienschaltung 40 gezeigt, wobei auch hier zwischen einem der Eingänge 42 sowie einem der weiteren Ausgänge 44 der Auslösepfad 60 vorhanden ist. Die verbleibenden Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 sowie der verbleibende weitere Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 ist wiederum gegen Masse 34 geführt. Auch sind weiterhin der erste Widerstand 62 sowie die erste Kapazität 64 vorhanden. Jedoch ist die erste Kapazität 64 mittels eines dritten Widerstands 74 überbrückt, der somit parallel zu der ersten Kapazität 64 geschaltet ist.
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Zudem weist der Auslösepfad 60 zwei Dioden 76 auf, wobei der erste Widerstand 62 sich zwischen den beiden Dioden 76 befindet. Mit anderen Worten ist zwischen dem Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 sowie dem weiteren Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 eine elektrische Parallelschaltung aus den beiden Dioden 76 sowie dem erste Widerstand 62 gebildet. Somit ist eine der Dioden 76 zwischen den ersten Widerstand 62 und den Eingang 42 der Kennlinienschaltung 40 und die verbleibende Diode 76 zwischen den weiteren Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 und sowohl den ersten Widerstand 62 als auch die ersten Kapazität 64 geschaltet. Hierbei ist ein Stromfluss von dem Eingang 42 der der Kennlinienschaltung 40 zu dem weiteren Ausgang 44 der Kennlinienschaltung 40 aufgrund der Dioden 76 möglich, jedoch nicht umgekehrt.
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Zu dem Auslösepfad 60 ist elektrisch parallel ein weiterer Auslösepfad 78 geschaltet, der gleichartig zu dem Auslösepfad 60 ist und somit ebenfalls die Dioden 76, den erste Widerstand 62 sowie die erste Kapazität 64 und den dritten Widerstand 74 aufweist. Auch ist deren Verschaltung gleich. Es unterscheiden sich jedoch die Werte des erste Widerstands 62, des dritten Widerstands 74 sowie der ersten Kapazität 64. Die Dioden 76 sind stets gleich oder unterschiedlich. In einer weiteren Alternative sind mehrere derartige weitere Auslösepfade 78 vorhanden, wobei sich die Werte des ersten und dritten Widerstands 62, 74 sowie der ersten Kapazität 64 unterscheiden.
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Bei Betrieb erfolgt auch hier bei einer Änderung der anliegende elektrische Spannung 38 ein Glätten von Spitzen mittels des ersten Widerstands 62 sowie der ersten Kapazität 64. Mittels des dritten Widerstands 74 wird die erste Kapazität 64 entladen, sodass die an den Ausgängen 44 anliegende weitere elektrische Spannung 58 im normalen Betrieb unterhalb eines bestimmten Werts verbleibt. Mittels der Dioden 76 ist sichergestellt, dass die erste Kapazität 64 stets auf Seiten der Ausgänge 44 der Kennlinienschaltung 40 geladen wird.
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Lediglich dann, wenn die Änderung der elektrischen Spannung 38 eine bestimmte Bedingung erfüllt, und sich innerhalb eines vergleichsweise kurzen Zeitfenster um einen vergleichsweise großen Wert ändert, ändert sich auch die weitere elektrische Spannung 58. Hierbei sind mittels des Auslösepfad 60 und des weiteren Auslösepfads 78 unterschiedliche Bedingungen spezifiziert, also der Wert der Änderung der elektrischer Spannung 38 sowie das zugehörige Zeitfenster. Die elektrische Spannung 38 ist wiederum proportional zu dem mittels des Hauptstrompfads 16 geführten elektrischen Stroms.
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Zusammenfassend dient der Schutzschalters 14 der Absicherung des Gleichstromsystems 2 oder eines Gleichstromzwischenkreises, das zum Beispiel ein Gleichstrom-Hochvoltsystem mit begrenzter Dauerkurzschlussleistung ist. Dies ist insbesondere aufgrund der Wandler 4 gegeben. Das Gleichstromsystem 2 ist beispielsweise ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, einer Ladesäule, einer Telekommunikation- oder Datencenter-Infrastruktur.
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Das erste Schaltelement 18 ist beispielsweise ein fernauslösbares Schaltorgan, wie ein mechanisches Relais, ein Halbleiterrelais, ein Hybridrelais oder einen Halbleiterschalter. Die Erfassung des mittels des Hauptstrompfads 16 geführten elektrischen Stroms erfolgt mittels des Stromsensors 26, der eine galvanische Trennung aufweist, und mittels dessen in etwa linear der elektrische Strom des Hauptstrompfads 16 auf die elektrische Spannung 38 abgebildet wird. Hierbei ist der Sensor 26 derart ausgelegt, dass dieser für mehrere Millisekunden insbesondere den mehrfachen des Nennstroms des Gleichstromsystems 2 erfassen/messen kann, ohne dass eine Beschädigung erfolgt. Auch ist ein Messen von etwaigen Stromspitzen möglich. Mittels der Auswerteschaltung 30 des Stromsensors 26 erfolgt beispielsweise eine Skalierung und oder Beseitigung eines etwaigen Offsets.
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Mittels der Kennlinienschaltung 40 erfolgt eine Abbildung einer vorgegebenen Strom/Zeit- Kennlinie durch rein analoge Bauteile. Mit anderen Worten ist die Kennlinienschaltung 40 eine analoge Schaltung und lediglich mittels passiver Komponenten erstellt.
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Bei einer Alternative (2) ist eine parallele Anordnung von seriellen RC-Kombinationen, also der charakteristische Zweige 68, vorhanden. Hierbei sind ein Vorwiderstand, nämlich der erste Widerstand 62, sowie ein Entladewiderstand, nämlich der zweite Widerstand 76, vorhanden. Ein Kennlinienpunkt, also ein Schaltpunkt, bei Überschreiten dessen das erste Schaltelement 18 betätigt wird, ist mittels des ersten Widerstands 62 sowie der ersten Kapazität 64 bereitgestellt. Die weiteren Kennlinienpunkte werden mittels der charakteristischen Zweige 68 eingestellt. Mittels des zweiten Widerstands 66, der hochohmig ist, erfolgt nach Abschalten des ersten Schaltelements 18 ein Entladen der Kapazitäten 64, 70.
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Bei der anderen Variante (3) erfolgt bei jedem Kennlinienpunkt, also pro Schaltpunkt, ein Laden einer der ersten Kapazitäten 64 über den jeweiligen ersten Widerstand 62. Jede erste Kapazität 64 wird über den zugeordneten dritten Widerstand 74 jeweils entladen. Es handelt sich hierbei somit um eine T-Zweitoranordnung. Die Entkopplung der Auslösepfade 60, 78 erfolgt mittels der Dioden 76.
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Wenn die weitere elektrische Spannung 58 einen bestimmten Wert erreicht, also insbesondere einen Grenzwert überschreitet, erfolgt eine Betätigung des zweiten Schaltelements 46, also ein Auslösen der Ansteuerschaltung 24. Hierbei ist das zweite Schaltelement 56 als Halbleiterschalter ausgebildet, sodass eine Reaktionszeit verringert ist. Infolgedessen wird das erste Schaltelement 18 betätigt, wobei lediglich eine vergleichsweise geringe zeitliche Verzögerung vorherrscht.
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Beispielsweise umfasst der Schutzschalters14 eine weitere Sensorik, mittels derer andere Fehlerarten in dem Gleichstromsystem 2, beispielsweise Störlichtbögen, erfasst werden können. Die weitere Sensorik ist insbesondere ebenfalls gegen den ersten Steuereingang 22 geführt, sodass mittels der Sensorik ebenfalls das erste Schaltelement 18 ausgelöst werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gleichstromsystem
- 4
- Wandler
- 6
- Gleichstromkreis
- 8
- Last
- 10
- Versorgungsnetz
- 12
- Strom pfad
- 14
- Schutzschalter
- 16
- Hauptstrompfad
- 18
- erstes Schaltelement
- 20
- Arbeitskontakt
- 22
- erster Steuereingang
- 24
- Ansteuerschaltung
- 26
- Stromsensor
- 28
- Hallsensor
- 30
- Auswerteschaltung
- 32
- Gleichspannungsquelle
- 34
- Masse
- 36
- Ausgang
- 38
- elektrische Spannung
- 40
- Kennlinienschaltung
- 42
- Eingang
- 44
- weiterer Ausgang
- 46
- Eingang
- 48
- Komparatorschaltung
- 50
- Referenzeingang
- 52
- Ausgang
- 54
- zweiter Steuereingang
- 56
- zweites Schaltelement
- 58
- weitere elektrische Spannung
- 60
- Auslösepfad
- 62
- erster Widerstand
- 64
- erste Kapazität
- 66
- zweiter Widerstand
- 68
- charakteristischer Zweig
- 70
- Kapazität
- 72
- Widerstand
- 73
- Kennlinie
- 74
- dritter Widerstand
- 76
- Diode
- 78
- weiterer Auslösepfad
