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Es werden ein Trennschalter und ein Verfahren zum Trennen eines Ausgangsanschlusses von einem Eingangsanschluss angegeben. Weiter werden ein Schienenfahrzeug und ein streckenseitiges Gerät angegeben.
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Ein Trennschalter leitet üblicherweise eine Eingangsspannung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss anliegt, an einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss weiter. In einem Fehler- oder Störungsfall werden jedoch der erste und/oder der zweite Ausgangsanschluss von dem ersten und/oder dem zweiten Eingangsanschluss abgetrennt. Ein Fehler- oder Störungsfall kann beispielsweise vorliegen, wenn die Eingangsspannung über einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert oder ein durch einen der Eingangsanschlüsse fließender Strom über einem vorgegebenen Stromgrenzwert ist. An den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss kann typischerweise eine elektrische Last angeschlossen sein, wie etwa eine Leistungsstufe oder ein Spannungswandler. Der erste und der zweite Eingangsanschluss sowie der erste und der zweite Ausgangsanschluss sind elektrische Anschlüsse. Der Trennschalter kann als elektrischer Trennschalter bezeichnet werden.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Trennschalter und ein Verfahren zum Trennen eines Ausgangsanschlusses von einem Eingangsanschluss bereitzustellen, die eine schnelle Reaktion auf eine Störung ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Trennschalter einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss, einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss, einen Transistor zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss und eine Serienschaltung. Die Serienschaltung umfasst eine Sicherung und einen Thyristor. Die Serienschaltung ist an einem ersten Anschluss mit dem ersten Eingangsanschluss, an einem zweiten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss und an einem Abgreifknoten zwischen der Sicherung und dem Thyristor mit einem Steueranschluss des Transistors gekoppelt.
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Mit Vorteil kann in einem Störungsfall mittels einer Steuerspannung der Thyristor gezündet werden. Eine Eingangsspannung liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss an. Damit liegt die Eingangsspannung über der Serienschaltung aus der Sicherung und dem Thyristor an. Im Fall des Zündens des Thyristors ist der Stromfluss durch die Sicherung so hoch, dass die Sicherung sicher schmilzt und einen Stromfluss durch die Serienschaltung unterbricht. An dem Abgreifknoten zwischen der Sicherung und dem Thyristor liegt eine Knotenspannung an. Die Knotenspannung hat vor dem Zünden des Thyristors und damit vor dem Schmelzen der Sicherung einen derartigen Wert, dass der Transistor leitend ist. Nach dem Zünden des Thyristors und damit nach dem Schmelzen der Sicherung hat die Knotenspannung einen anderen Wert. Dieser andere Wert der Knotenspannung versetzt den Transistor in einen nicht-leitenden Zustand. Somit ist eine leitende Verbindung zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss aufgetrennt und der Trennschalter unterbricht die Weiterleitung der Eingangsspannung an den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss. Die Reaktion des Thyristors führt zu einem schnellen Abschalten.
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Mit Vorteil umfasst der Trennschalter die Sicherung, sodass in einem Störungsfall die beiden Ausgangsanschlüsse von den beiden Eingangsanschlüssen getrennt werden und diese Trennung dauerhaft ist. Dies ermöglicht es, einen die Störung verursachenden Fehler zu suchen und zu beseitigen, bevor die Sicherung oder der Trennschalter zusammen mit der Sicherung ausgetauscht werden und eine Vorrichtung oder eine Anlage, die den Trennschalter umfasst, wieder in Betrieb gesetzt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Trennschalter als elektronischer Trennschalter realisiert. Der erste und der zweite Eingangsanschluss sowie der erste und der zweite Ausgangsanschluss sind elektrische Anschlüsse.
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In zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters ist die Sicherung an den ersten Eingangsanschluss und der Thyristor an den zweiten Eingangsanschluss angeschlossen. Somit ist der erste Eingangsanschluss über die Sicherung mit dem Abgreifknoten gekoppelt. Der Abgreifknoten ist über den Thyristor mit dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt.
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Mit Vorteil kann durch Schmelzen der Sicherung der Abgreifknoten vom ersten Eingangsanschluss elektrisch getrennt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters umfasst die Serienschaltung eine erste Diode, die zwischen der Sicherung und dem Thyristor angeordnet ist.
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Mit Vorteil legt die erste Diode eine Stromrichtung eines Stroms fest, der durch die Serienschaltung, umfassend die Sicherung, die erste Diode und den Thyristor, fließt. Sollte etwa die Polarität der Eingangsspannung geändert werden, so verhindert die erste Diode einen unerwünschten Stromfluss.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters ist der Abgreifknoten zwischen der Sicherung und der ersten Diode angeordnet. Somit ist der Abgreifknoten über die erste Diode und den Thyristor mit dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschalter einen ersten Widerstand. Der erste Widerstand ist zwischen dem Abgreifknoten und dem Steueranschluss des Transistors angeordnet.
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Mit Vorteil reduziert der erste Widerstand die Höhe eines Stromes, der vom ersten Eingangsanschluss über den Abgreifknoten zum Steueranschluss des Transistors fließt. Da der Steueranschluss des Transistors häufig eine parasitäre Kapazität aufweist, fließt bei einem Einschaltvorgang des Trennschalters ein Strom zum Steueranschluss des Transistors, dessen Höhe durch den ersten Widerstand eingestellt werden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschalter einen zweiten Widerstand, der an einem ersten Anschluss mit dem Steueranschluss des Transistors gekoppelt ist. Der Trennschalter weist eine zweite Diode auf, die mit einem zweiten Anschluss des zweiten Widerstands und mit dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
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Mit Vorteil kann nach dem Zünden des Thyristors die Steuerspannung des Transistors dadurch kleiner werden, dass Ladungen vom Steueranschluss des Transistors über den zweiten Widerstand und die zweite Diode zum zweiten Eingangsanschluss abfließen. Somit ermöglichen der zweite Widerstand und die zweite Diode ein Ausschalten des Transistors. Die zweite Diode verhindert darüber hinaus einen unerwünschten Stromfluss.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschalter eine Zenerdiode, die an einem ersten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss und an einem zweiten Anschluss mit dem Steueranschluss des Transistors gekoppelt ist. In einer Weiterbildung ist der erste Anschluss der Zenerdiode mit einem Knoten zwischen der Diode und dem zweiten Widerstand gekoppelt.
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Mit Vorteil begrenzt die Zenerdiode den Wert der Steuerspannung am Steueranschluss des Transistors. Somit werden ein zu hoher Wert der Steuerspannung und damit eine mögliche Zerstörung des Transistors in der Regel vermieden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters ist der Transistor als selbstsperrender Feldeffekttransistor realisiert. Mit Vorteil leitet der Transistor bei einer Steuerspannung von ungefähr 0 Volt nicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters ist der selbstsperrende Feldeffekttransistor als selbstsperrender n-Kanal Feldeffekttransistor realisiert.
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Die Eingangsspannung liegt zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss an. Typischerweise ist die Eingangsspannung positiv, das heißt das Potential des ersten Eingangsanschlusses ist höher als das Potential des zweiten Eingangsanschlusses. Da der Transistor zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet sowie als selbstsperrender n-Kanal Feldeffekttransistor realisiert ist, kann er mittels positiver Steuerspannungen (das heißt Spannungen, die zwischen dem Potential des ersten Eingangsanschlusses und dem Potential des zweiten Eingangsanschlusses liegen) leitend geschaltet werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschalter einen weiteren Widerstand, der mit einem Steueranschluss des Thyristors und dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
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Mit Vorteil wird durch den weiteren Widerstand erzielt, dass in einem Normalbetrieb (das heißt, es liegt keine Störung vor) der Wert der Steuerspannung am Steueranschluss des Thyristors in etwa dem Wert des Potentials des zweiten Eingangsanschlusses entspricht, sodass der Thyristor nicht zündet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschalter einen Spannungsteiler, der zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist, und eine Spannungsmessschaltung, die einen Knoten des Spannungsteilers mit dem Steueranschluss des Thyristors koppelt.
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Mit Vorteil kann die Spannungsmessschaltung zusammen mit dem Spannungsteiler detektieren, ob ein Wert der Eingangsspannung über einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert ist. In diesem Fall stellt die Spannungsmessschaltung das Steuersignal des Thyristors derart ein, dass der Thyristor gezündet wird. Die Spannungsmessschaltung kann somit eine Überspannung detektieren.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschalter einen Messwiderstand, der zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss angeordnet ist, und eine Strommessschaltung, die eingangsseitig mit den Anschlüssen des Messwiderstands und ausgangsseitig mit dem Steueranschluss des Thyristors gekoppelt ist.
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Mit Vorteil wird mittels des Messwiderstands und der Strommessschaltung ein Wert des Stromes, der zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss fließt, detektiert. Detektiert die Strommessschaltung, dass der Wert des Stromes über einem vorgegebenen Stromgrenzwert ist, so stellt die Strommessschaltung das Steuersignal des Thyristors mit einem derartigen Wert bereit, dass der Thyristor gezündet wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschalter eine Hilfsversorgung, die mit dem ersten Eingangsanschluss und/oder dem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und einen Optokoppler, der mit der Hilfsversorgung und mit dem Steueranschluss des Thyristors gekoppelt ist.
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Mit Vorteil ist der Optokoppler mit dem Steueranschluss des Thyristors gekoppelt. Somit kann über den Optokoppler das Steuersignal des Thyristors derart eingestellt werden, dass der Thyristor gezündet wird. Der Optokoppler wird von der Hilfsversorgung mit elektrischer Energie versorgt, die aus der Eingangsspannung gewonnen wird. Mit Vorteil ermöglicht der Optokoppler eine galvanische Trennung zwischen einer Schaltung, die etwa an den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss des Trennschalters angeschlossen ist, und dem Thyristor.
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Der Trennschalter ist dazu vorgesehen und eingerichtet von einer Vorrichtung umfasst zu sein. Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit den Trennschalter beschrieben sind, können auch in Verbindung mit der Vorrichtung ausgebildet sein und umgekehrt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung den Trennschalter und eine elektrische Last, die an zwei Eingängen mit dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss des Trennschalters gekoppelt ist.
In zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die elektrische Last eine Leistungsstufe oder einen Spannungswandler. Der Spannungswandler kann beispielsweise einen Transformator umfassen.
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Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen und eingerichtet von einem Schienenfahrzeug oder einem streckenseitigen Gerät umfasst zu sein. Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit der Vorrichtung beschrieben sind, können auch in Verbindung mit dem Schienenfahrzeug oder dem streckenseitigen Gerät ausgebildet sein und umgekehrt.
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In zumindest einer Ausführungsform umfassen das Schienenfahrzeug oder das streckenseitige Gerät die Vorrichtung. Alternativ kann die Vorrichtung das streckenseitige Gerät bilden. Mit Vorteil kann die Vorrichtung in einem Störungsfall nicht mittels elektrischer Signale von außen wieder in einen Ausgangszustand oder Normalbetrieb versetzt werden.
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In zumindest einer Ausführungsform ist der Trennschalter, englisch circuit breaker, auf verschiedene Bereiche der Signaltechnik und darüber hinaus anwendbar.
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In zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Trennen eines Ausgangsanschlusses von einem Eingangsanschluss (insbesondere zum Trennen eines elektrischen Ausgangsanschlusses von einem elektrischen Eingangsanschluss):
- - Bereitstellen einer Knotenspannung an einem Abgreifknoten zwischen einer Sicherung und einem Thyristor, wobei eine Serienschaltung die Sicherung und den Thyristor umfasst und einen ersten Eingangsanschluss mit einem zweiten Eingangsanschluss koppelt und wobei der erste Eingangsanschluss mit einem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist,
- - Zuleiten der Knotenspannung oder einer davon abgeleiteten Spannung an einen Steueranschluss eines Transistors, der den zweiten Eingangsanschluss mit einem zweiten Ausgangsanschluss koppelt, und
- - Steuern eines Stromes, der zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss fließt, durch den Transistor.
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Mit Vorteil kann durch Zünden des Thyristors mittels eines Steuersignals, das dem Steueranschluss des Thyristors zugeleitet wird, die Knotenspannung derart eingestellt werden, dass im Störungsfall der Transistor schnell den Stromfluss zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss unterbricht. Im Normalbetrieb ermöglicht der Transistor einen Stromfluss zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss. Aufgrund der Unterbrechung des Stromflusses zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss fließt auch zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss kein Strom mehr.
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Das Verfahren kann mit dem Trennschalter oder der Vorrichtung gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit dem Trennschalter oder der Vorrichtung beschrieben sind, können auch in Verbindung mit dem Verfahren ausgebildet sein und umgekehrt.
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Der Trennschalter ist als elektronischer Trennschalter implementiert. Der Trennschalter kann z.B. frei von einem mechanisch beweglichen Teil zum Unterbrechen des Stromflusses sein.
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Der Trennschalter kann im Englischen als electronic circuit breaker bezeichnet werden. Mit Vorteil kann eine Absicherung eines elektronischen Spannungswandlers im Fehlerfall durch Abtrennung der Eingangsspannung durch den Trennschalter erfolgen. Der Trennschalter kann so realisiert sein, dass zusätzlich zur sicheren Abschaltung der Ausgangsspannung auch die Eingangsspannung sicher abgekoppelt werden kann.
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Die oben genannten Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung und die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden durch die folgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den entsprechenden Figuren deutlicher und verständlicher, wobei
- 1 und 2 Ausführungsbeispiele eines Trennschalters zeigen,
- 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einem Trennschalter zeigt,
- 4 ein Ausführungsbeispiel eines Schienenfahrzeugs, umfassend eine Vorrichtung mit einem Trennschalter, zeigt, und
- 5 ein alternatives Beispiel eines Trennschalters zeigt.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Trennschalters 10. Der Trennschalter 10 umfasst einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss 11, 12 und einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss 13, 14. Der erste Eingangsanschluss 11 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 gekoppelt. Beispielsweise schließt eine Leitung 15 den ersten Eingangsanschluss 11 an den ersten Ausgangsanschluss 13 an. Somit kann der erste Eingangsanschluss 11 direkt und permanent an den ersten Ausgangsanschluss 13 angeschlossen sein. Weiter umfasst der Trennschalter 10 einen Transistor 16, der den zweiten Eingangsanschluss 12 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 koppelt. Der Transistor 16 umfasst einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 verbunden ist.
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Darüber hinaus umfasst der Trennschalter 10 eine Serienschaltung 20, die eine Sicherung 21 und einen Thyristor 22 umfasst. Dabei kann die Sicherung 21 an den ersten Eingangsanschluss 11 und der Thyristor 22 an den zweiten Eingangsanschluss 12 angeschlossen sein. Die Serienschaltung 20 weist einen Abgreifknoten 23 zwischen der Sicherung 21 und dem Thyristor 22 auf. Zusätzlich umfasst die Serienschaltung 20 eine erste Diode 24. Die erste Diode 24 koppelt den Abgreifknoten 23 mit dem Thyristor 22. Somit ist der erste Eingangsanschluss 11 über die Sicherung 21 mit dem Abgreifknoten 23 gekoppelt. Weiter ist der Abgreifknoten 23 über die erste Diode 24 und den Thyristor 22 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 gekoppelt.
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Weiter umfasst der Trennschalter 10 einen ersten Widerstand 26, der den Abgreifknoten 23 mit einem Steueranschluss 27 des Transistors 16 koppelt. Zusätzlich umfasst der Trennschalter 10 einen zweiten Widerstand 28. An einem ersten Anschluss ist der zweite Widerstand 28 an den Steueranschluss 27 des Transistors 16 angeschlossen. Weiter umfasst der Trennschalter 10 eine zweite Diode 29, die einen zweiten Anschluss des zweiten Widerstands 28 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 koppelt. Ferner umfasst der Trennschalter 10 eine Zenerdiode 32, die an einem ersten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 gekoppelt ist. Genauer gesagt ist der erste Anschluss der Zenerdiode 32 über die zweite Diode 29 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 gekoppelt. Weiter ist ein zweiter Anschluss der Zenerdiode 32 an den Steueranschluss 27 des Transistors 16 angeschlossen. Die Zenerdiode 32 kann auch Z-Diode genannt sein. Der Thyristor 22 und die zweite Diode 29 können an eine Leitung angeschlossen sein, die den Transistor 16 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 koppelt.
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Der Transistor 16 ist als selbstsperrender Feldeffekttransistor realisiert. Der Transistor 16 ist als n-Kanal Feldeffekttransistor implementiert. Der Transistor 16 kann als MetallOxid-Halbleiter Feldeffekttransistor, abgekürzt MOSFET, hergestellt sein. Der Transistor 16 umfasst eine Diode 33. Die Diode 33 ist als parasitäre Diode realisiert.
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Ein Steuersignal ST, das auch Abschaltsignal genannt werden kann, wird einem Steueranschluss 34 des Thyristors 22 zugeleitet. Eine Eingangsspannung UE ist zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss 11, 12 abgreifbar. Die Eingangsspannung UE liegt an der Serienschaltung 20 an. Die Eingangsspannung UE kann positiv sein. Eine Ausgangsspannung UA ist zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss 13, 14 abgreifbar. Der Trennschalter 10 erzeugt die Ausgangsspannung UA aus der Eingangsspannung UE. Eine Knotenspannung UK ist an dem Abgreifknoten 23 abgreifbar. Eine Steuerspannung UG (manchmal Gatespannung genannt) wird dem Steueranschluss 27 (manchmal Gate genannt) des Transistors 16 zugeleitet.
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In einem Normalbetrieb ist der Thyristor 22 nicht gezündet, sodass kein Strom durch den Thyristor 22 fließt. Somit kann die Knotenspannung UK näherungsweise der Eingangsspannung UE entsprechen. Eine Schaltung, umfassend die Zenerdiode 32 und den ersten Widerstand 26, begrenzt den Wert der Steuerspannung UG des Transistors 16. Dadurch wird eine zu hohe und somit den Transistor 16 schädigende Spannung am Steueranschluss 27 vermieden. Im Normalbetrieb liegt ein derart hoher Wert der Steuerspannung UG an dem Steueranschluss 27 an, dass der Transistor 16 leitend geschaltet ist. Daher ist ein Fluss eines Stromes IR zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 14 und dem zweiten Eingangsanschluss 12 über den Transistor 16 ermöglicht. Die Werte des ersten und des zweiten Widerstands 26, 28 sind derart gewählt, dass der Trennschalter 10 im Normalbetrieb keinen zu hohen Leistungsverbrauch hat.
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In einem Fehlerfall (der auch Störungsfall genannt werden kann) wird mittels des Steuersignals ST der Thyristor 22 gezündet. Daher fließt ein hoher Strom durch die erste Serienschaltung 20 und bringt somit die Sicherung 21 zum Schmelzen. Nach dem Schmelzen ist der Abgreifknoten 23 vollständig vom ersten Eingangsanschluss 11 getrennt. Der Wert der Knotenspannung UK sowie der Wert der Steuerspannung UG sinken aufgrund der Stromflüsse beispielsweise durch die erste Diode 24 und den Thyristor 22 oder durch den zweiten Widerstand 28 und die zweite Diode 29 zum zweiten Eingangsanschluss 12. Die Steuerspannung UG sinkt damit derart, dass eine Schwellenspannung des Transistors 16 unterschritten wird und der Transistor 16 in einen nicht-leitenden Zustand versetzt wird. Somit unterbricht der Transistor 16 den Fluss des Stromes IR zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 14 und dem zweiten Eingangsanschluss 12. Aufgrund der Unterbrechung durch den Transistor 16 ist ebenfalls ein Fluss eines Stromes IV zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 13 unterbrochen.
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Sobald im Normalbetrieb die Eingangsspannung UE am Trennschalter 10 anliegt, wird über die Sicherung 21 und den ersten Widerstand 26 die Gatekapazität des Transistors 16 geladen, sodass dieser leitend wird. Die Zenerdiode 32 begrenzt die Steuerspannung UG. Die Zenerdiode 32 verhindert somit eine Zerstörung des Transistors 16 durch einen zu hohen Wert der Steuerspannung UG. Die erste und die zweite Diode 24, 29 verhindern einen Stromfluss durch den Ansteuerkreis des Transistors 16 bei einer Änderung der Polarität der Eingangsspannung UE.
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Sobald im Fehlerfall der Thyristor 22 durch das Steuersignal ST zündet, wird die Sicherung 21 ausgelöst und trennt den Ansteuerkreis des Transistors 16 von der Eingangsspannung UE. Daraufhin wird das Gate 27 des Transistors 16 durch den zweiten Widerstand 28 entladen und der Transistor 16 sperrt. Die Eingangsspannung UE wird durch den sperrenden Transistor 16 von einer nachfolgenden Schaltung abgetrennt, die an den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss 13, 14 angeschlossen ist (siehe z.B. 3).
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Es ist auch möglich, dass der erste Ausgangsanschluss 13 mit dem ersten Eingangsanschluss 11 identisch ist.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Eingangsspannung UE negativ ist, das heißt das Potential des ersten Eingangsanschlusses 11 ist niedriger als das Potential des zweiten Eingangsanschlusses 12. Der Transistor 16 kann als selbstsperrender p-Kanal Feldeffekttransistor realisiert sein. Der Transistor 16 kann zwischen dem zweiten Eingangsanschluss 12 und dem zweiten Ausgangsanschluss 14 angeordnet sein.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Trennschalters 10, das eine Weiterentwicklung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels ist. Der Trennschalter 10 umfasst einen weiteren Widerstand 39, der den Steueranschluss 34 des Thyristors 22 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 koppelt. Der Trennschalter 10 umfasst einen Spannungsteiler 40, der den ersten Eingangsanschluss 11 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 koppelt. Der Spannungsteiler 40 weist einen ersten und einen zweiten Spannungsteilerwiderstand 41, 42 auf. Weiter umfasst der Trennschalter 10 eine Spannungsmessschaltung 43, die eingangsseitig an einen Knoten 44 des Spannungsteilers 40 angeschlossen ist. Der Knoten 44 befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwiderstand 41, 42. Ausgangsseitig ist die Spannungsmessschaltung 43 mit dem Steueranschluss 34 des Thyristors 22 verbunden. Die Spannungsmessschaltung 43 umfasst beispielsweise einen nicht gezeigten Komparator, der eingangsseitig mit dem Knoten 44 und mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist.
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Falls der Wert der Eingangsspannung UE unter einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert ist, ist der Ausgang der Spannungsmessschaltung 43 z.B. hochohmig geschaltet. Die Spannungsmessschaltung 43 gibt somit kein Signal ab, welches das Steuersignal ST des Thyristors 22 beeinflusst. Falls die Eingangsspannung UE über dem vorgegebenen Spannungsgrenzwert ist, gibt die Spannungsmessschaltung 43 ein Signal an ihren Ausgang ab, welches zu einem Steuersignal ST führt, das den Thyristor 22 zündet.
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Darüber hinaus umfasst der Trennschalter 10 einen Messwiderstand 50, der auch Shunt-Widerstand genannt werden kann. Der Messwiderstand 50 koppelt den ersten Eingangsanschluss 11 mit dem ersten Ausgangsanschluss 13. Ferner umfasst der Trennschalter eine Strommessschaltung 51, die mit dem Messwiderstand 50 gekoppelt ist. Die Strommessschaltung 51 ist an einem ersten Eingang mit einem ersten Anschluss des Messwiderstands 50 und an einem zweiten Eingang mit einem zweiten Anschluss des Messwiderstands 50 verbunden. An einem Ausgang ist die Strommessschaltung 51 mit dem Steueranschluss 34 des Thyristors 22 gekoppelt. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 13 fließt ein Strom IV. Ist der Wert des Stroms IV unter einem vorgegebenen Stromgrenzwert, so ist der Ausgang der Strommessschaltung 51 z.B. hochohmig. In diesem Fall beeinflusst die Strommessschaltung 51 den Wert des Steuersignals ST des Thyristors 22 nicht. Ist der Wert des Stromes IV größer als der vorgegebene Stromgrenzwert, so gibt die Strommessschaltung 51 ausgangsseitig ein Signal ab, welches das Steuersignal ST derart einstellt, dass der Thyristor 22 gezündet wird.
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Weiter umfasst der Trennschalter 10 einen Optokoppler 55 mit einer ersten und einer zweiten Seite 56, 57. Ein Anschluss der ersten Seite 56 ist mit dem Steueranschluss 34 des Thyristors 22 verbunden. Weiter umfasst der Trennschalter 10 eine Hilfsversorgung 58. Die Hilfsversorgung 58 koppelt einen zweiten Anschluss der ersten Seite 56 des Optokopplers 55 mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 (alternativ mit dem ersten Eingangsanschluss 11). Der Optokoppler 55 kann beispielsweise einen Phototransistor 59 oder eine Photodiode umfassen, der bzw. die an den ersten und den zweiten Anschluss der ersten Seite 56 des Optokopplers 55 angeschlossen ist. Die zweite Seite 57 des Optokopplers 55 umfasst ebenfalls einen ersten und einen zweiten Anschluss. Darüber hinaus umfasst der Optokoppler 55 eine Leuchtdiode 60 oder eine Laserdiode, die zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss der zweiten Seite 57 des Optokopplers 55 angeordnet ist. Ein Stromfluss durch die Leuchtdiode 60 kann somit einen Stromfluss durch den Phototransistor 59 triggern. Mit Vorteil ist ohne galvanische Verbindung ein Signal mittels des Optokopplers 55 an den Steueranschluss 34 des Thyristors 22 weitergebbar.
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In 2 ist eine Beispielschaltung zur Anwendung eines elektronischen Schutzschalters illustriert. Der Trennschalter 10 kann als elektronischer Schutzschalter, englisch electronic circuit breaker, realisiert sein. Eine Beispielschaltung zur Anwendung der Abschaltvorrichtung ist dargestellt. Eine Abschaltung kann dabei beispielhaft durch drei verschiedene Signale ausgelöst werden:
- • Trigger 1: Eingangsseitige Überspannung; die Spannungsmessschaltung 43 ist zum Detektieren einer Überspannung der Eingangsspannung UE ausgelegt.
- • Trigger 2: Eingangsseitiger Überstrom; die Strommessschaltung 51 ist zum Detektieren eines Stroms, nämlich des Stroms IV, ausgelegt.
- • Trigger 3: Ausgangsseitiges Abschaltsignal; im Fall eines Überstroms oder einer Überspannung oder einer anderen Störung in einer dem Trennschalter 10 nachgeschalteten Schaltung kann die Abschaltung ausgelöst werden.
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Bei einem Triggern bzw. Abschalten wird der Thyristor 22 gezündet und der Transistor 16 nicht-leitend geschaltet. Der Trennschalter 10 führt eine Abtrennung der Eingangsspannung UE im Fehlerfall durch einen Halbleiter, genauer gesagt durch den Transistor 16, durch. Der Transistor 16 kann mittels eines Halbleiters mit breitem Bandabstand (englisch: Wide band-gap) hergestellt sein. Ein derartiger Halbleiter kann z.B. ein SiC, GaN, InGaN oder ZnO Halbleiter sein. Durch die Verwendung eines Halbleiters, insbesondere eines wide band-gap Halbleiters, entstehen ausschließlich geringe Energieverluste im Leistungspfad auch bei großen Betriebsströmen und hohen Sperrspannungen.
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Der Trennschalter 10 ist frei von einer Sicherung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 13 sowie frei von einer Sicherung zwischen dem zweiten Eingangsanschluss 12 und dem zweiten Ausgangsanschluss 14. Es ist keine Sicherung im Leistungspfad notwendig.
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Eine Sicherung 21 mit kleinem Nennstrom wird im Ansteuerkreis des Transistors 16 verwendet. Zum Auslösen der Abschaltung wird ein geringer Strom bzw. wenig Energie aus der Versorgungsspannung UE benötigt. Das Auslösen der Abschaltung kann durch verschiedene Abschaltsignale z.B. bei Überstrom oder Überspannung oder durch einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor erfolgen. Eine Veroderung (d.h. eine Oder-Verknüpfung) der Abschaltsignale am Steueranschluss 34 des Thyristors 22 ist möglich. Mit Vorteil ist die Anzahl benötigter Sicherungen reduziert. Der Trennschalter 10 reduziert den sicherungstechnischen Schaltungsaufwand in der Folgeschaltung. Der Trennschalter 10 ist universell dimensionierbar und z.B. an verschiedene Werte der Eingangsspannung UE oder des Eingangsstroms IV anpassbar.
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Es ist auch möglich, dass eine oder zwei der Trigger-Mechanismen weggelassen sind. Es kann z.B. die Spannungsmessschaltung 43 zusammen mit dem Spannungsteiler 40 weggelassen sein; alternativ kann z.B. die Strommessschaltung 51 mit dem Messwiderstand 50 weggelassen sein; alternativ kann z.B. der Optokoppler 55 mit der Hilfsversorgungsschaltung 58 weggelassen sein.
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Weiter ist es auch möglich, dass der Trennschalter 10 eine Logikschaltung aufweist, die ausgangsseitig an den Steuereingang 34 des Thyristors 22 angeschlossen ist. Eingangsseitig kann die Logikschaltung an die Spannungsmessschaltung 43 und/oder die Strommessschaltung 51 und/oder den Optokoppler 55 und/oder einen Mikrocontroller und/oder einen Mikroprozessor angeschlossen sein.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 70 mit einem Trennschalter 10, wie er beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist. Weiter umfasst die Vorrichtung 70 eine elektrische Last 71, die an einem ersten Anschluss 72 mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 und an einem zweiten Anschluss 73 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 gekoppelt ist. Die elektrische Last 71 kann beispielsweise als Leistungsstufe oder als Spannungswandler ausgebildet sein. Der Spannungswandler kann als Schaltnetzteil implementiert sein. Der Spannungswandler kann beispielsweise einen Transformator umfassen. Weiter kann der Spannungswandler eine Zerhackerstufe aufweisen, die eingangsseitig mit dem ersten und zweiten Anschluss 72, 73 der elektrischen Last 71 und ausgangsseitig mit dem Transformator verbunden ist.
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Die elektrische Last 71 weist z.B. eine Primärseite 74 und eine Sekundärseite 75 auf. Die Sekundärseite 75 der elektrischen Last 71 kann mit dem Optokoppler 55 verbunden sein. Dazu sind der erste und der zweite Anschluss der zweiten Seite 57 des Optokopplers 55 mit Anschlüssen der Sekundärseite 75 der elektrischen Last 71 verbunden. Somit kann mittels des Optokopplers 55 von beliebigen Knoten der elektrischen Last (auf der Sekundärseite 75, wie in 3 gezeigt, aber auch auf der Primärseite 74) ein Signal an den Trennschalter 10 übertragen werden.
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In den Leistungspfad des Spannungswandlers 71 ist der Transistor 16 zum Unterbrechen des eingangsseitigen Stromkreises eingefügt. Über die Sicherung 21 kann der Ansteuerkreis des Transistors 16 im Fehlerfall abgetrennt werden. Dadurch sperrt der Transistor 16 und unterbricht den eingangsseitigen Stromkreis.
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Die Vorrichtung 70 kann z.B. zur elektrischen Versorgung eines Signals oder einer Weiche verwendet werden. Die Vorrichtung 70 kann als streckenseitiges Gerät 76 eingesetzt sein. Die Vorrichtung 70 kann als streckenseitiges Gerät 76, insbesondere als streckenseitiges Versorgungsgerät, implementiert sein. Das streckenseitige Gerät 76 kann z.B. als Signalversorgungsgerät oder Weichenantrieb realisiert sein.
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Alternativ kann die Vorrichtung 70 in einem Schienenfahrzeug (wie in 4 gezeigt) oder in einer anderen Anwendung eingesetzt sein.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug 80. Das Schienenfahrzeug 80 umfasst eine Vorrichtung 70, wie sie etwa an einem Ausführungsbeispiel in 3 gezeigt ist.
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5 zeigt ein Beispiel des Trennschalters 10, das eine Alternative zu den in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist. Der Trennschalter 10 weist eine Eingangssicherung 85 auf, die zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 13 angeordnet ist. Die Eingangsspannung UE wird in Folge eines Überstroms abgetrennt, der die eingangsseitige Sicherung 85 im Leistungspfad auslöst. Die Eingangssicherung 85 ist in ihrem Sicherungsnennstrom so dimensioniert, dass sie z.B. weder im Normalbetrieb noch bei einer Einschaltstromspitze auslöst. Zusätzlich soll die eingangsseitige Energieversorgung in der Lage sein, die eingangsseitige Sicherung 85 auszulösen. Damit die Eingangsspannung UE im Fehlerfall in möglichst kurzer Zeit abgetrennt wird, fließt dazu mindestens der doppelte Nennstrom durch die Eingangssicherung 85. Dies kann z.B. durch lange Zuleitungen erschwert sein.
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Ein Spannungswandler für den Einsatz in der Signaltechnik wird dauerhaft deaktiviert, indem die Hilfsversorgung 58 der Steuereinheit der Leistungsstufe durch Auslösen der Sicherung 21 von der Eingangsspannung UE abgetrennt wird. Dies wird durch die Sicherung 21 und den Thyristor 22 realisiert. Die Eingangsspannung UE liegt allerdings weiterhin an der Leistungsstufe des Schaltnetzteils 71 an. Durch die Eingangssicherung 85 wird ausschließlich ein Schutz gegen dauerhaften Überstrom gewährleistet, der jedoch nur auslösen kann, wenn die Energieversorgung den dafür nötigen Strom liefern kann. Die Eingangssicherung 85 kann typischerweise einen deutlich größeren Sicherungsnennstrom als die Sicherung 21 aufweisen.
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Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen detailliert dargestellt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Variationen der Erfindung können von einem Fachmann erhalten werden, ohne den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Trennschalter
- 11
- erster Eingangsanschluss
- 12
- zweiter Eingangsanschluss
- 13
- erster Ausgangsanschluss
- 14
- zweiter Ausgangsanschluss
- 15
- Leitung
- 16
- Transistor
- 20
- Serienschaltung
- 21
- Sicherung
- 22
- Thyristor
- 23
- Abgreifknoten
- 24
- erste Diode
- 26
- erster Widerstand
- 27
- Steueranschluss
- 28
- zweiter Widerstand
- 29
- zweite Diode
- 32
- Zenerdiode
- 33
- parasitäre Diode
- 34
- Steueranschluss
- 39
- weiterer Widerstand
- 40
- Spannungsteiler
- 41, 42
- Spannungsteilerwiderstand
- 43
- Spannungsmessschaltung
- 44
- Knoten
- 50
- Messwiderstand
- 51
- Strommessschaltung
- 55
- Optokoppler
- 56
- erste Seite
- 57
- zweite Seite
- 58
- Hilfsversorgung
- 59
- Phototransistor
- 60
- Leuchtdiode
- 70
- Vorrichtung
- 71
- elektrische Last
- 72, 73
- Anschluss
- 74
- Primärseite
- 75
- Sekundärseite
- 76
- streckenseitiges Gerät
- 80
- Schienenfahrzeug
- 85
- Eingangssicherung
- IR, IV
- Strom
- ST
- Steuersignal
- UA
- Ausgangsspannung
- UE
- Eingangsspannung
- UG
- Steuerspannung
- UK
- Knotenspannung
