DE102023102236A1

DE102023102236A1 - Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last

Info

Publication number: DE102023102236A1
Application number: DE102023102236.9A
Authority: DE
Inventors: Elmar Schaper
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2023-01-31
Filing date: 2023-01-31
Publication date: 2024-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät (10) zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) verbindbaren elektrischen Last (110). Das Schaltgerät (10) weist einen ersten Strompfad (18), in den eine Parallelschaltung (150) aus einem ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (81) und einem ersten mechanischen Schaltkontakt (82) geschaltet ist, einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (90), der in Reihe mit einem zweiten mechanischen Schaltkontakt (91), der als Wechselkontakt ausgebildet ist, einen zweiten Strompfad (19), eine Strommesseinrichtung (100) und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) auf. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) ist dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Schaltgeräts (10) mittels des zweiten Halbleiterschalters (90) und des zweiten mechanischen Schaltkontakts (91) den ersten Strompfad (18) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (19) zu verbinden, wenn von der Strommesseinrichtung (100) ein Kurzschlussstrom erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last.
Schaltgeräte weisen unter anderem hybride Ausgangsstufen auf, die eine Parallelschaltung aus einem elektromechanischen und elektronischen Schalter, das sind insbesondere Halbleiterschalter; enthalten können. Mittels der hybriden Ausgangsstufe kann eine an das Schaltgerät anschaltbare elektrische Last mit einer externen Energieversorgungseinrichtung elektrisch verbunden oder von dieser elektrisch getrennt werden, wodurch die elektrische Last ein - bzw. ausgeschaltet werden kann. Ein solches Schaltgerät ist beispielsweise aus der WO 2014/032718 A1 bekannt.
Bei Schaltgeräten mit hybriden Ausgangsstufen besteht unter anderem ein Problem darin, dass bei einem auftretenden Kurzschluss insbesondere das Schaltgerät und/oder die angeschlossene elektrische Last zerstört wird bzw. ein ordnungsgemäßer Betrieb nicht mehr möglich ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die elektrische Last über ein solches Schaltgerät mit einer Gleichspannungsversorgungseinrichtung, beispielsweise einem DC-Netz verbunden ist.
Der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last zu schaffen, welches das Schaltgerät während des laufenden Betriebs vor einem Kurzschluss schützen kann.
Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Schaltgerät mit einer hybriden Ausgangsstufe zu schaffen, welches über eine Kurzschlussfunktionalität verfügt. Das Schaltgerät kann zum Beispiel einen ersten Strompfad, in den eine Parallelschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter und einem ersten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt geschaltet ist, einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter, der in Reihe mit einem zweiten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt, der als Wechselkontakt ausgebildet ist, einen zweiten Strompfad, eine Strommesseinrichtung und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung aufweisen. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Schaltgeräts mittels des zweiten Halbleiterschalters und des zweiten mechanischen Schaltkontakts den ersten Strompfad elektrisch mit dem zweiten Strompfad zu verbinden, wenn von der Strommesseinrichtung ein Kurzschlussstrom erfasst wird. Das Schaltgerät kann auf diese Weise insbesondere vor einem Kurzschluss geschützt werden, der an oder in einer angeschlossenen elektrischen Last oder in einer Leitung zur elektrischen Last auftritt. Ein solches Schaltgerät kann auch als kurzschlussfestes Schaltgerät bezeichnet werden.
Das oben genannte technische Problem wird insbesondere durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist ein Schaltgerät insbesondere zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last vorgesehen, welches folgende Merkmale aufweisen kann.

- einen ersten und einen zweiten Energieversorgungsanschluss, an welche eine Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung anschließbar ist, die insbesondere eine Versorgungsspannung für eine elektrische Last bereitstellen kann,
- einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss, an welche eine elektrische Last anschließbar ist,
- einen ersten Strompfad, der elektrisch mit dem ersten Energieversorgungsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss verbunden ist, wobei der erste Strompfad eine Parallelschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter und einem ersten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt aufweist,
- einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter, der in Reihe mit einem zweiten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt, der als Wechselkontakt ausgebildet ist, geschaltet ist,
- einen elektrischen Vorladewiderstand, der mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts in Reihe mit dem zweiten Halbleiterschalter und zusammen mit dem zweiten Halbleiterschalter parallel zur Parallelschaltung schaltbar ist,
- einen zweiten Strompfad, der elektrisch mit dem zweiten Energieversorgungsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist, wobei der zweite Halbleiterschalter über den zweiten mechanischen Schaltkontakt elektrisch mit dem zweiten Strompfad verbindbar ist,
- eine in den ersten oder zweiten Strompfad geschaltete Strommesseinrichtung,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit einem Ausgang der Strommesseinrichtung verbunden ist, wobei

i) den ersten Halbleiterschalter elektrisch sperrend und den zweiten Halbleiterschalter elektrisch leitend zu schalten, wobei der erste mechanische Schaltkontakt geöffnet und der zweite Halbleiterschalter mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts elektrisch mit dem Vorladewiderstand in Reihe geschaltet ist,
ii) anschließend den ersten Halbleiterschalter leitend zu schalten und den zweiten Halbleiterschalter elektrisch sperrend zu schalten, und
iii) anschließend den ersten mechanischen Schaltkontakt zu schließen und den zweiten Halbleiterschalter mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts mit dem zweiten Strompfad zu verbinden, wobei der zweite Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt und der dritte Zeitpunkt nach dem zweiten Zeitpunkt liegt, und
iv) anschließend den zweiten Halbleiterschalter wieder elektrisch leitend zu schalten, wenn der von der Strommesseinrichtung gemessene Strom einen ersten vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet. Der erste vorbestimmte Stromwert ist insbesondere derart festgelegt, dass er einem Kurzschlussstrom entspricht.

Mit anderen Worten: Die Steuer- und Auswerteeinrichtung führt die Schritte i) bis iv) zeitlich nacheinander aus. Vorteilhafterweise kann die Steuer- Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, in Schritt i) gleichzeitig den ersten Halbleiterschalter elektrisch sperrend und den zweiten Halbleiterschalter elektrisch leitend zu schalten, oder den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten, nachdem sie den ersten Halbleiterschalter sperrend geschaltet hat.
Vorzugsweise sind der erste und zweite mechanische Schaltkontakt als zwangsgeführte Kontakte eines elektromechanischen Schalters ausgebildet. Der elektromechanische Schalter kann zum Beispiel als Relais ausgebildet sein. Die beiden mechanischen Schaltkontakte können alternativ auch jeweils in einem separaten elektromechanischen Schalter angeordnet sein.
Zweckmäßigerweise kann die Strommesseinrichtung einen Stromsensor aufweisen.
In vorteilhafterweise kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, in Schritt ii) den ersten Halbleiterschalter leitend zu schalten und den zweiten Halbleiterschalter elektrisch sperrend zu schalten, wenn der von der Strommesseinrichtung gemessene Strom einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht oder innerhalb eines bezüglich des zweiten vorbestimmten Wertes festgelegten Toleranzbereichs liegt, wobei der zweite vorbestimmte Stromwert niedriger als der erste vorbestimmte Stromwert ist. Der zweite vorbestimmte Stromwert ist vorzugsweise derart festgelegt, dass er beispielsweise dem Nennstrom des ersten Halbleiterschalters entspricht.
Alternativ kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, Schritt ii) nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, die in Schritt i) gestartet wird, auszuführen. In beiden Fällen ist sichergestellt, dass Schritt ii) erst dann ausgeführt wird, wenn der im ersten Strompfad fließende Strom den ersten Halbleiterschalter nicht mehr beschädigen kann.
Um bei einem Ausfall oder unerwünschten Abfall der Versorgungsspannung des Schaltgeräts die elektrische Last von der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung trennen zu können, kann das Schaltgerät beispielsweise eine Erfassungseinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher, der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, und eine mit dem ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss verbundene Spannungsversorgungseinrichtung, die mit dem elektrischen Energiespeicher und der Erfassungseinrichtung elektrisch verbunden ist, aufweisen, wobei die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei
die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Ausschaltvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss anschließbaren elektrischen Last durchzuführen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Schaltgerät einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss, an die eine Energieversorgungseinrichtung zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät anschließbar ist, eine Erfassungseinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher, der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, und eine mit dem dritten und vierten Energieversorgungsanschluss verbundene Spannungsversorgungseinrichtung, die mit dem elektrischen Energiespeicher und der Erfassungseinrichtung elektrisch verbunden ist, aufweisen,
wobei die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei
die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Ausschaltvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss anschließbaren elektrischen Last durchzuführen.
Die Spannungsversorgungseinrichtung kann eine Einrichtung zur Spannungsaufbereitung, beispielsweise einen Spannungswandler und/oder Spannungsregler, und gegebenenfalls einen Verpolschutz aufweisen.
Die Erfassungseinrichtung kann zum Beispiel eine Vergleichseinrichtung aufweisen, die als Komparator zum Beispiel in Form eines Schmitt-Triggers ausgebildet sein kann.
Vorteilhafterweise kann das Schaltgerät einen Eingangsanschluss aufweisen, der zum Anlegen eines Steuersignals ausgebildet ist, wobei die Erfassungseinrichtung eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss und einem Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung verbunden ist. Das Steuersignal kann von einer übergeordneten Steuereinrichtung dem Eingangsanschluss zugeführt werden und wird von dem Schaltgerät bzw. von der Steuer- und Auswerteeinrichtung überwacht.
Zur galvanischen Trennung kann in den ersten und/oder zweiten Strompfad ein weiterer mechanischer Schaltkontakt wenigstens eines elektromechanischen Schalters geschaltet sein.
Vorteilhafterweise kann der erste und/oder zweite Halbleiterschalter als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (auch IGBT genannt) oder als MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (auch als MOSFET bekannt) ausgebildet sein.
Das Schaltgerät kann zum Beispiel eine Speichereinrichtung aufweisen, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung elektrisch verbunden ist. In der Speichereinrichtung können der ersten und/oder zweite vorbestimmte Stromwert und/oder der bezüglich des zweiten vorbestimmten Stromwertes festgelegte Toleranzbereich gespeichert sein. Die Speichereinrichtung kann auch integraler Bestandteil der Steuer- und Auswerteeinrichtung sein.
Zweckmäßigerweise kann dem ersten Strompfad oder dem zweiten Strompfad eine elektrische Sicherung zugeordnet ist. Die Sicherung kann extern an den ersten oder zweiten Energieversorgungsanschluss angeschaltet oder intern im Schaltgerät angeordnet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

1 ein beispielhaftes Schaltgerät, in welchem die Erfindung verwirklicht ist, und
2A den zeitlichen Verlauf einer Eingangsspannung UB;
2B den zeitlichen Verlauf eines Steuersignals,
2C den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des zweiten in 1 gezeigten Halbleiterschalters,
2D den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des ersten in 1 gezeigten Halbleiterschalters,
2E den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des ersten in 1 gezeigte mechanischen Schalters,
2F den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des zweiten in 1 gezeigte mechanischen Schalters.

1 zeigt die Prinzipschaltung eines beispielhaften Schaltgeräts 10, mit dem eine elektrische Last 110 elektrisch ein- und ausgeschaltet bzw. elektrisch mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 verbunden oder von dieser getrennt werden kann. Hierzu weist das Schaltgerät 10 einen ersten Ausgangsanschluss 16 und einen zweiten Ausgangsanschluss 17 auf, an welche die elektrische Last 110 anschaltbar ist. Ferner weist das Schaltgerät 10 einen ersten Energieversorgungsanschluss 11 und einen zweiten Energieversorgungsanschluss 12 auf, an den die Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 anschließbar ist. Die Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, eine Gleichspannung an die beiden Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 anzulegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 als DC-Versorgungsnetz ausgebildet. Die Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 weist einen ersten Leiter 21, über den ein erstes elektrisches Potential, z.B. ein negatives elektrisches Potenzial an den Energieversorgungsanschluss 11 angelegt werden kann, und einen zweiten Leiter 22 auf, über den ein zweites elektrisches Potential, z.B. ein positives elektrisches Potenzial an den Energieversorgungsanschluss 12 angelegt werden kann. Weiterhin weist der Schaltgerät 10 einen ersten Strompfad 18 auf, der elektrisch beispielsweise mit dem ersten Energieversorgungsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 16 verbunden ist. In dem ersten Strompfad 18 ist eine Parallelschaltung 150 angeordnet, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter 81 und einen ersten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt 82 aufweisen kann. Der Halbleiterschalter 81 kann als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ausgebildet sein. Ein solcher Transistor wird auch als IGBT-Transistor bezeichnet. Der parallel zu dem Halbleiterschalter 81 liegende mechanische Schaltkontakt 82 gehört vorzugsweise zu einem elektromechanischen Schalter 80, der beispielsweise als Relais ausgebildet ist. Der elektromechanische Schalter 80 weist in an sich bekannter Weise eine in einem Steuerstromkreis liegende Erregerspule 85 auf, die mit einem Ausgang 76 der Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 verbunden sein kann. Der mechanische Schaltkontakt 82 bildet einen Bypass für den Halbleiterschalter 81. Wie in 1 gezeigt, kann bei einer vorteilhaften Implementierung eine Halbleiterdiode 86 parallel zu dem Halbleiterschalter 81 geschaltet sein, die einen Stromrückfluss vom Ausgangsanschluss 16 zum Energieversorgungsanschluss 11 ermöglicht.
Der Halbleiterschalter 81 kann zum Beispiel als normal leitender n-Kanal-Transistor ausgebildet sein, dessen Gate-Anschluss mit einem Ausgang 74 einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden ist. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein. Der Kollektor des Halbleiterschalters 81 ist bei der beispielhaften Implementierung mit dem Energieversorgungsanschluss 11 verbunden, während der Emitter-Anschluss des Halbleiterschalters 81 mit dem Ausgangsanschluss 16 verbunden ist.
Weiterhin ist ein zweiter ansteuerbarer Halbleiterschalter 90 vorgesehen, der ebenfalls beispielsweise als normal leitender n-Kanal-Transistor ausgebildet sein kann und einen sogenannten IGBT-Transistor bildet. Im vorliegenden Beispiel ist der Gate-Anschluss des Halbleiterschalters 90 ebenfalls mit einem Ausgang 73 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden, während der Kollektoranschluss mit dem Energieversorgungsanschluss 11 und der Emitteranschluss elektrisch mit dem Ausgangsanschluss 16 bzw. einem zweiten Strompfad 19 verbindbar ist. Ähnlich dem Halbleiterschalter 81 kann der Halbleiterschalter 98 eine parallel zum Kollektor und Emitter geschaltete Halbleiterdiode 96 aufweisen, die ermöglicht, dass ein Rückstrom von der Last 110 zum Energieversorgungsanschluss 11 fließen kann. Der Halbleiterschalter 90 ist in Reihe mit einem zweiten mechanischen Schaltkontakt 91 geschaltet, der als Wechselkontakt ausgebildet ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden mechanischen Schaltkontakte 82 und 91 Bestandteil des elektromechanischen Schalters 80. Vorteilhafterweise sind sie zwangsgeführt ausgebildet. Denkbar ist, dass die beiden mechanischen Schaltkontakte 82 und 91 jeweils zu einem separaten elektromechanischen Schalter gehören, die über die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 ansteuerbar sind.
Um die beim Einschalten einer kapazitiven Last fließenden Ströme zu begrenzen, ist ein geeignet dimensionierter elektrischer Vorladewiderstand 92 vorgesehen, der mittels des mechanischen Schaltkontakts 91 in Reihe mit dem Halbleiterschalter 90 schaltbar ist. In diesem Schaltzustand sind der in Reihe zum elektrischen Vorladewiderstand 92 geschaltete zweite Halbleiterschalter 90 dann parallel zur Parallelschaltung 150 geschaltet.
Ferner weist das Schaltgerät 10 den zweiten Strompfad 19 auf, der elektrisch mit dem zweiten Energieversorgungsanschluss 12 und dem zweiten Ausgangsanschluss 17 verbunden ist. Gemäß einer vorteilhaften Implementierung ist der Halbleiterschalter 90 über den mechanischen Schaltkontakt 91 elektrisch mit dem zweiten Strompfad 19 verbindbar.
Um insbesondere einen Kurzschlussstrom erfassen zu können, ist eine Strommesseinrichtung 100 entweder in den ersten Strompfad 18 oder in den zweiten Strompfad 19 geschaltet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Strommesseinrichtung 100 in den ersten Strompfad 18 geschaltet, und zwar zwischen die Parallelschaltung 150 und den Ausgangsanschluss 16. Die Strommesseinrichtung 100 kann in an sich bekannter als Stromsensor ausgebildet sein. Ein Eingang 72 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist mit einem Ausgang der Strommesseinrichtung 100 verbunden. Wie weiter unten noch detaillierter erläutert wird, besteht eine Aufgabe der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 darin, gezielt die beiden Halbleiterschalter 81 und 90 entweder in einen sperrenden oder in einen elektrisch leitenden Zustand zu versetzen und ferner den mechanischen Schaltkontakt 82 in vorbestimmter Weise zu schließen oder zu öffnen und den mechanischen Schaltkontakt 91 in gezielter Weise mit dem Vorladewiderstand 92 oder dem zweiten Strompfad 19 zu verbinden.
Wie in 1 weiter zu sehen, kann eine elektrische Sicherung 140 vorgesehen sein, die beispielsweise extern zwischen den Leiter 22 und den Versorgungsanschluss 11 als externe Sicherung anschließbar ist. Denkbar ist allerdings auch, dass die Sicherung als geräteinternes Bauelement in den ersten Strompfad 18 oder zweiten Strompfad 19 geschaltet ist.
Die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 kann beispielsweise aus der an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 angelegten Gleichspannung gewonnen werden. Alternativ, und wie dies in 1 dargestellt ist, kann die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 auch über eine separate externe Energieversorgungseinrichtung 120 bereitgestellt werden, die beispielsweise über einen Schalter 13 an einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss 13 und 14 des Schaltgerätes 10 anschließbar ist. Die Energieversorgungseinrichtung 120 liefert beispielsweise eine Gleichspannung UB von beispielsweise 24 V. Die an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bereitgestellte Versorgungsspannung kann einer internen Spannungsversorgungseinrichtung 30 zugeführt, die eingangsseitig an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 angeschlossen ist. Die Spannungsversorgungseinrichtung 30 kann beispielsweise einen Spannungswandler und einen Spannungsregler aufweisen, die dafür sorgen, dass am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 eine vorbestimmte Betriebsspannung für das Schaltgerät 10 und seine Komponenten, wie zum Beispiel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70, bereitgestellt wird. Darüber hinaus liefert die Spannungsversorgungseinrichtung 30 auch die notwendige Schaltenergie zum Ansteuern der mechanischen Schaltkontakte 82 und 91. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liefert die Spannungsversorgungseinrichtung 30 insbesondere eine Schaltenergie für die Erregerspule 85, um die mechanischen Schaltkontakte 82 und 91 entsprechend ansteuern zu können. Wird die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 aus der an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 angelegten Gleichspannung gewonnen, so ist die Spannungsversorgungseinrichtung 30 eingangsseitig an die Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 angeschlossen.
Um auch bei einem Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 120 oder alternativ der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 das Schaltgerät 10 temporär betriebsbereit zu halten und insbesondere einen gezielten Ausschaltvorgang der elektrischen Last 110 durchführen zu können, kann am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 ein elektrischer Energiespeicher 40 beispielsweise in Form eines Kondensators angeschlossen sein. Bei dieser beispielhaften Implementierung ist der Ausgang des Energiespeichers 40 beispielsweise mit einem Versorgungsanschluss 78 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden.
Um die Funktionsfähigkeit der an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 anschaltbaren Energieversorgungseinrichtung 120 überwachen zu können, kann eine Erfassungseinrichtung 50 vorgesehen sein, die insbesondere den Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 120 bzw. einen Abfall der von der Energieversorgungseinrichtung 120 gelieferten Spannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert erfassen kann. Die Erfassungseinrichtung 50 kann beispielsweise durch einen Komparator, der als Schmitt-Trigger oder im einfachsten Fall als UND-Gatter ausgebildet sein kann, realisiert sein, dessen erster Eingang mit dem Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 verbunden ist, während der zweite Eingang der Erfassungseinrichtung 50 mit einem Eingangsanschluss 15 des Schaltgeräts 10 elektrisch verbunden sein kann. An den Eingangsanschluss 15 kann ein externes, vorzugsweise binäres Steuersignal angelegt werden, welches beispielsweise von einer übergeordneten Steuereinrichtung geliefert wird. Das Steuersignal dient vorzugsweise als Referenzwert mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Der Ausgang der Erfassungseinrichtung 50 ist mit einem digitalen Eingang 71 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden. So lange am Eingangsanschluss 15 ein Steuersignal mit einem High-Pegel anliegt und die Energieversorgungseinrichtung 120 elektrisch mit den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 verbunden ist und ordnungsgemäß arbeitet, signalisiert die Erfassungseinrichtung 50 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerfreie Energieversorgungseinrichtung 120. Angemerkt sei, dass die Erfassungseinrichtung 50 auch integraler Bestandteil der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sein kann. In diesem Fall weist die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 zwei entsprechende Eingänge auf, die elektrisch mit dem Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung und dem Eingangsanschluss 15 verbunden sind.
Liegt beispielsweise an der Erfassungseinrichtung 50 ein Steuersignal mit einem High-Pegel an und fällt die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Ausgangsspannung, die ebenfalls an der Erfassungseinrichtung 50 anliegt, unter einen vorbestimmten Schwellenwert, der einem Low-Pegel entspricht, dann erzeugt die Erfassungseinrichtung 50 an ihrem Ausgang beispielsweise ein Signal mit einem Low-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerhafte Energieversorgungseinrichtung 120 signalisiert. Unter Ansprechen hierauf löst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen vorzugsweise vorbestimmten Ausschaltvorgang aus. Die im Energiespeicher 40 gespeicherte Energie reicht aus, um mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 den Ausschaltvorgang zum Trennen der elektrischen Last 110 von der Energieversorgungseinrichtung 20 durchzuführen. Der vorbestimmte Schwellenwert, ab dem die Erfassungseinrichtung 50 am Eingang einen Low-Pegel detektiert, hängt insbesondere von deren Implementierung und Dimensionierung ab.
Ferner kann eine Speichereinrichtung 60 im Schaltgerät 10 implementiert sein. Die Speichereinrichtung 60 kann als separater Speicherbausteinen elektrisch mit der Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 verbunden sein. Die Speichereinrichtung 60 kann alternativ auch eine integrierte Komponente der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sein. In der Speichereinrichtungen 60 kann beispielsweise ein vorbestimmter Stromwert gespeichert sein, der dem Nennstrom der elektrischen Sicherung 140 entspricht, aus dem sich zum Beispiel ein Kurzschlussstrom ableiten lässt, bei dessen Auftreten der Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend geschaltet werden muss. Ferner kann in der Speichereinrichtung 60 ein weiterer vorbestimmter Stromwert gespeichert sein, der dem Nennstrom des Halbleiterschalters 81 entspricht.
Optional kann in dem Strompfad 18 und/oder dem Strommesspfad 19 ein weiterer mechanischer Schaltkontakt geschaltet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein weiterer mechanischer Schaltkontakt 131 in den Strompfad 18 und ein mechanischer Schaltkontakt 132 in den zweiten Strompfad 19 geschaltet. Die beiden mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 können zum Beispiel zwangsgeführte Schaltkontakte eines einzigen elektromechanischen Schalters 130 sein, der in an sich bekannter Weise eine in einem Steuerstromkreis liegende Erregerspule 133 aufweist. Die beiden mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 können auch jeweils in einem separaten elektromechanischen Schalter integriert sein. Die mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 dienen insbesondere zur galvanischen Trennung der elektrischen Last 110. Bei der beispielhaften Implementierung sind die beiden mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 und auch der mechanische Schaltkontakt 82 jeweils als Schließer ausgebildet. Zur Ansteuerung der mechanischen Schalter 131 und 132 kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen weiteren Ausgang 75 aufweisen, über den beispielsweise die Schaltenergie für die Erregerspule 133 aus dem Energiespeicher 40 geliefert werden kann.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des beispielhaften Schaltgeräts 10 und insbesondere die Kurzschlussfunktion des Schaltgeräts 10 während des Betriebs, also im eingeschalteten Zustand, näher erläutert. Hierzu wird auch auf die 2A bis 2F Bezug genommen.
Zunächst sei angenommen, dass das Schaltgerät 10 einen Einschaltvorgang durchführen soll, bei dem die elektrische Last 110 elektrisch mit der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 verbunden wird.
Ferner sei beispielhaft angenommen, dass zum Zeitpunkt t0 die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass die Halbleiterschalter 81 und 90 elektrisch sperrend geschaltet sind und die mechanischen Schaltkontakte 82, 91, 131 und 132 den in der 1 gezeigten Schaltzustand einnehmen. Dies ist teilweise auch in den 2C bis 2F zu sehen. Dies erreicht die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 vorzugsweise dadurch, dass die Erregerspulen 85 und 133 nicht bestromt werden, d.h. nicht mit der Spannungsversorgungseinrichtung 30 bzw. dem Energiespeicher 40 verbunden sind.
Ein Einschaltvorgang wird vorzugsweise dadurch eingeleitet, dass zum Zeitpunkt t0 mittels der Gleichspannungsquelle 120 eine Versorgungsspannung an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 angelegt wird, wie dies in 2A gezeigt ist. Soll optional vom Schaltgerät 10 auch die an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 anliegende Versorgungsspannung überwacht werden, kann ferner zum Zeitpunkt t0 als Steuersignal ein High-Pegel an den Eingangsanschluss 15 angelegt werden, wie dies in 2B gezeigt ist. Das Steuersignal wird vorzugsweise von Erfassungseinrichtung 50 überwacht. Zudem veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70, dass die mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 geschlossen werden, indem die Erregerspule 133 mittels der Spannungsversorgungseinrichtung 30 bzw. des Energiespeichers 40 bestromt wird. In diesem Moment liegt das elektrische Potenzial des Leiters 21 über den Strompfad 19 am Ausgangsanschluss 17 an.
Nunmehr wird über die Spannungsversorgungseinrichtung 30 der Energiespeicher 40 aufgeladen und die beispielsweise als UND-Gatter ausgebildete Erfassungseinrichtung 50 liefert an den Eingang 71 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen High-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisiert, dass an den Eingängen 13 und 14 ordnungsgemäß die Versorgungsspannung UB und am Eingangsanschluss 15 das Steuersignal anliegt.
Um die elektrische Last 110 vorladen zu können, veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10 zu einem Zeitpunkt t1, den Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend zu steuern, wie dies in 2C dargestellt ist, während der Halbleiterschalter 81 sperrt bzw. von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sperrend gesteuert bzw. gehalten wird . Angemerkt sei, dass je nach Implementierung im Datenspeicher 60 eine erste Zeitdauer t1-t0 gespeichert sein kann, die angibt, wann der Halbleiterschalter 90 nach dem Anlegen des Steuersignals an den Eingangsanschluss 15 elektrisch leitend zu schalten ist. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 kann hierzu einen Timer aufweisen, der durch das Anlegen des Steuersignals an den Eingangsanschluss 15 getriggert wird, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 nach Ablauf der ersten Zeitdauer den Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend schaltet. In diesem Moment liegt das elektrische Potenzial des Leiters 22 über den Halbleiterschalter 90 und den Vorladewiderstand 92 am Ausgangsanschluss 16 an, sodass ein Vorladestrom über den Halbleiterschalter 90 und den Vorladewiderstand 92 durch die Last 110 und den Strompfad 19 fließen kann. Angemerkt sei, dass der Timer (nicht dargestellt) auch als separate Komponente, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 elektrisch verbunden ist, ausgebildet sein kann.
Zu einem späteren Zeitpunkt t2 veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, den Halbleiterschalter 81 leitend zu schalten und den Halbleiterschalter 90 sperrend zu schalten. Je nach Implementierung kann im Datenspeicher 60 eine zweite Zeitdauer t2-tl gespeichert sein, die angibt, wann der Halbleiterschalter 81 leitend und der Halbleiterschalter 90 sperrend zu schalten ist. Beispielsweise wird der Timer der zum Zeitpunkt t1, zu dem der Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend geschaltet wird, getriggert, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 nach Ablauf der zweiten Zeitdauer den Halbleiterschalter 81 leitend schaltet und den Halbleiterschalter 90 sperrend schaltet.
Der Zeitpunkt t2, zu dem die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass der Halbleiterschalter 81 elektrisch leitend und der Halbleiterschalter 90 elektrisch sperrend geschaltet wird, kann auch mit Hilfe des Stromsensors 100 ermittelt werden. Der Stromwert, der den entsprechenden Steuervorgang auslöst, kann beispielsweise durch den Nennstrom des Halbleiterschalters 81 oder den Nennstroms der Sicherung 140 festgelegt werden. Dieser vorbestimmte Stromwert kann wiederum in der Speichereinrichtung 60 hinterlegt sein. Sobald die Strommesseinrichtung 100 einen Strom misst, der dem gespeicherten vorbestimmten Stromwert entspricht, d. h. diesen erreicht oder bezüglich dieses Stromwerts innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt, spricht die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 hierauf an und veranlasst das Schaltgerät 10, den Halbleiterschalter 81 leitend und den Halbleiterschalter 90 elektrisch sperrend zu schalten. Der Stromwert, der den Zeitpunkt t2 bestimmt ist so zu dimensionieren, dass keine Überlastung des Halbleiterschalters 81 und der Sicherung 140 im Einschaltzeitpunkt stattfinden kann. Die entsprechenden Schaltzustände der Halbleiterschalter 81 und 90 sind in den 2C und 2D zum Zeitpunkt t2 beispielhaft dargestellt.
Zu einem späteren Zeitpunkt t3 veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, den mechanischen Schaltkontakt 82 zu schließen, um den Halbleiterschalter 81 in an sich bekannter Weise zu entlasten. Hierdurch kann insbesondere die Verlustleistung im Schaltgerät 10 reduziert werden, wodurch der elektrischen Last 110 ein größerer Anteil an Energie zur Verfügung gestellt werden kann. Gleichzeitig, d. h. ebenfalls zum Zeitpunkt t3 wird der als Wechselkontakt fungierende mechanische Schaltkontakt 91 umgeschaltet, sodass nunmehr der Emitter-Anschluss des Halbleiterschalters 90 mit dem Strompfad 19 und somit mit dem Ausgangsanschluss 17 elektrisch verbunden wird. Die Zeitspanne t3-t2 kann wiederum als vorbestimmter Zeitwert in dem Datenspeicher 60 abgelegt werden. Der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist dazu ausgebildet, auf die in der Speichereinrichtung 60 gespeicherten Werte zuzugreifen und sie entsprechend zu verwenden.
Gemäß einer beispielhaften Implementierung wird der Timer bzw. Zeitgeber zum Zeitpunkt t2, zu dem der Halbleiterschalter 81 elektrisch leitend geschalten wird, gestartet, wobei nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer t3-t2, d. h. zum Zeitpunkt t3 die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass der mechanische Schaltkontakt 82 geschlossen und der mechanische Schaltkontakt 91 elektrisch mit dem Strompfad 19 verbunden wird. Dies kann gemäß der beispielhaften Implementierung dadurch erfolgen, dass die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass die Erregerspule 85 über den Energiespeicher 40 bestromt wird, wodurch die beiden mechanischen Schaltkontakte 82 und 91 umgeschaltet werden.
Nunmehr ist der Einschaltvorgang abgeschlossen und das Schaltgerät 10 verbindet im ordnungsgemäßen Betrieb die elektrische Last 110 mit dem Gleichspannungs-Versorgungsnetz 20.
Die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, nach Beendigung des ordnungsgemäßen Einschaltvorgangs mit Hilfe der Strommesseinrichtung 100 das Schaltgerät auf einen Kurzschlussstrom zu überwachen, um, wenn ein Kurzschlussstrom von der Strommesseinrichtung 100 gemessen worden ist, entsprechende Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Demzufolge kann in der Speichereinrichtung 60 ein Stromwert hinterlegt sein, der einen Kurzschluss signalisiert.
Nunmehr sei angenommen, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt t3 die Strommesseinrichtung 100 einen Strom zum Beispiel im Strompfad 18 misst, dessen Wert der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen Kurzschluss signalisiert. Unter Ansprechen hierauf veranlasst die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, den Halbleiterschalter 90 wieder elektrisch leitend zu schalten. Da der mechanische Schaltkontakt 91 immer noch mit dem Strompfad 19 elektrisch verbunden ist, werden in diesem Moment die beiden Leiter 21 und 22 der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 kurzgeschlossen und die elektrische Last 110 somit vor Beschädigungen geschützt.
Dank der besonderen Kurzschluss-Maßnahme kann jederzeit während des Betriebs des Schaltgeräts 10 ein auftretender Kurzschluss von der elektrischen Last ferngehalten werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass bei einem auftretenden Kurzschluss eine Stromkommutierung vom Strompfad 18 über den Halbleiterschalter 90 und den mechanischen Schaltkontakt 91 auf den Strompfad 19 erfolgt.
Angemerkt sei, dass während des ordnungsgemäßen Betriebs der Halbleiterschalter 81 nicht im elektrisch leitenden Zustand gehalten werden muss. Viel mehr kann er zu einem beliebigen Zeitpunkt von der Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 in den elektrisch sperrenden Zustand geschaltet werden.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist ferner dazu ausgebildet, einen an sich bekannten Ausschaltvorgang durchzuführen, um die elektrische Last 110 elektrisch von der Gleichspannungs-Energieversorgungseinrichtung 20 zu trennen. Hierzu kann in an sich bekannter Weise die Steuer-und Auswerteeinrichtung 17 den Halbleiterschalter 81, sofern er während des Betriebs in den elektrisch sperrenden Zustand gesteuert worden ist, wieder in den elektrisch leitenden Zustand schalten und anschließend gemäß der beispielhaften Implementierung die Erregerspulen 85 und 133 in den unbestromten Zustand überführen, sodass die mechanischen Schaltkontakte 82 und, sofern vorhanden die mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 öffnen, wobei gemäß der beispielhaften Ausgestaltung der Vorladewiderstand 92 dann elektrisch mit dem Kollektor des Halbleiterschalters 90 verbunden wird. Angermerkt sei, dass die mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 vorteilhafterweise erst im stromlosen Betrieb des Schaltgeräts 10, d.h. frühestens ab dem Zeitpunkt t6 geöffnet werden, um eine Beschädigung der Schaltkontakte 131 und 132 infolge von Lichtbögen zu verhindern.
Neben der Kurzschlussfunktionalität ist das Schaltgerät 10 vorzugsweise dazu ausgebildet, im Betrieb die zur Versorgung der Schaltgeräts 10 erforderliche Versorgungsspannung zu überwachen und gegebenenfalls einen Ausschaltvorgang durchzuführen.
Nunmehr sei angenommen, dass am Eingang 15 nach wie vor das Steuersignal anliegt und während des ordnungsgemäßen Betriebs zum Zeitpunkt t4 die Energieversorgungseinrichtung 120 ausfällt bzw. die von der Energieversorgungseinrichtung 120 gelieferte Versorgungsspannung UB an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 abfällt. Dies ist in 2A gezeigt. Fällt als Reaktion hierauf die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Spannung auf Null ab bzw. unter den vorbestimmten Schwellenwert, der durch den High-Pegel des am Eingangsanschluss 15 anliegenden Steuersignals definiert wird, wird dieser Spannungsabfall von der Erfassungseinrichtung 50 erfasst und der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 gemeldet. Einen entsprechenden Spannungsabfall unter den vorbestimmten Schwellenwert kann die zum Beispiel als Schmitt-Trigger ausgebildete Erfassungseinrichtung 50 durch einen ausgangsseitigen Pegelwechsel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisieren. Der vorbestimmte Schwellenwert wird insbesondere durch die Implementierung und Dimensionierung der Erfassungseinrichtung 50 bestimmt. Insbesondere legt der vorbestimmte Schwellenwert fest, wann die Erfassungseinrichtung 50 an ihrem entsprechenden Eingang einen Low-Pegel detektiert. Unter Ansprechen auf den Ausfall der Energieversorgungsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bzw. unter Ansprechen auf einen entsprechenden Spannungsabfall am Ausgang 31 der Stromversorgungseinrichtung 30 veranlasst die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, mittels der in dem Energiespeicher 40 gespeicherten Energie einen Ausschaltvorgang durchzuführen, der dem zuvor geschilderten Ausschaltvorgang im ordnungsgemäßen Betrieb entsprechen kann. Der beispielhafte Ausschaltvorgang ist in den 2A bis 2F gezeigt.
In ähnlicher Weise kann die Energieversorgungseinrichtung 20 vom Schaltgerät 10 auf einen ordnungsgemäßen Betrieb hin überwacht werden, wenn die geräteinterne Energieversorgung des Schaltgeräts 20 aus der von der Energieversorgungseinrichtung 20 an den Anschlüssen 11 und 12 bereitgestellte Gleichspannung gewonnen wird. In diesem Fall sind die Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 mit den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bzw. den Eingängen der Spannungsversorgungseinrichtung 30 verbunden. An den Energieversorgungsspannungsanschlüssen 13 und 14 ist in diesem Fall keine Energieversorgungseinrichtung angeschlossen.
Nunmehr sei angenommen, dass weiterhin am Eingang 15 das Steuersignal anliegt und während des ordnungsgemäßen Betriebs die Energieversorgungseinrichtung 20 zum Zeitpunkt t4 ausfällt bzw. die von der Energieversorgungseinrichtung 20 gelieferte Versorgungsspannung UB an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 abfällt. Fällt als Reaktion hierauf die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Spannung auf Null ab bzw. unter den vorbestimmten Schwellenwert, wird dieser Spannungsabfall von der Erfassungseinrichtung 50 erfasst und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 gemeldet. Beispielsweise erzeugt in diesem Fall die Erfassungseinrichtung 50 an ihrem Ausgang einen Low-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerhafte Energieversorgungseinrichtung 20 signalisiert. Einen entsprechenden Spannungsabfall kann die zum Beispiel als Schmitt-Trigger ausgebildete Erfassungseinrichtung 50 durch einen ausgangsseitigen Pegelwechsel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisieren. Der vorbestimmte Schwellenwert wird insbesondere durch die Implementierung und Dimensionierung der Erfassungseinrichtung 50 bestimmt. Insbesondere legt der vorbestimmte Schwellenwert fest, wann die Erfassungseinrichtung 50 an ihrem entsprechenden Eingang einen Low-Pegel detektiert. Unter Ansprechen auf den Ausfall der Energieversorgungsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 bzw. unter Ansprechen auf einen entsprechenden Spannungsabfall am Ausgang 31 der Stromversorgungseinrichtung 30 veranlasst die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, mittels der in dem Energiespeicher 40 gespeicherten Energie einen Ausschaltvorgang durchzuführen, der dem zuvor geschilderten Ausschaltvorgang im ordnungsgemäßen Betrieb entsprechen kann.
Der Ausschaltvorgang kann insbesondere deshalb störungsfrei vom Schaltgerät 10 durchgeführt werden, weil der elektrische Energiespeicher 40 die notwendige Energie liefert, um die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sowie die entsprechenden Halbleiterschalter und elektromechanische Schalter mit Energie zu versorgen, wenn die Geräteversorgung des Schaltgeräts 10 über die an den ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss 11, 12 angeschlossene Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 oder über die an den dritten und vierten Energieversorgungsanschluss 13, 14 angeschlossene Energieversorgungseinrichtung 120 einbricht oder ganz ausfällt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014032718 A1 [0002]

Claims

Schaltgerät (10) zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) verbindbaren elektrischen Last (110), aufweisend: - einen ersten und einen zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12), an welche eine Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) anschließbar ist, - einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17), an welche eine elektrische Last (110) anschließbar ist, - einen ersten Strompfad (18), der elektrisch mit dem ersten Energieversorgungsanschluss (11) und dem ersten Ausgangsanschluss (16) verbunden ist, wobei der erste Strompfad (18) eine Parallelschaltung (150) aus einem ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (81) und einem ersten mechanischen Schaltkontakt (82) aufweist, - einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (90), der in Reihe mit einem zweiten mechanischen Schaltkontakt (91), der als Wechselkontakt ausgebildet ist, geschaltet ist, - einen elektrischen Vorladewiderstand (92), der mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts (91) in Reihe mit dem zweiten Halbleiterschalter (90) und zusammen mit dem zweiten Halbleiterschalter (90) parallel zur Parallelschaltung (150) schaltbar ist, - einen zweiten Strompfad (19), der elektrisch mit dem zweiten Energieversorgungsanschluss (12) und dem zweiten Ausgangsanschluss (17) verbunden ist, wobei der zweite Halbleiterschalter (90) über den zweiten mechanischen Schaltkontakt (91) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (19) verbindbar ist, - eine in den ersten oder zweiten Strompfad (18, 19) geschaltete Strommesseinrichtung (100), - eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (70), die mit einem Ausgang der Strommesseinrichtung (100) verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, i) den ersten Halbleiterschalter (81) elektrisch sperrend und den zweiten Halbleiterschalter (90) elektrisch leitend zu schalten, wobei der erste mechanische Schaltkontakt (82) geöffnet und der zweite Halbleiterschalter (90) mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts (91) elektrisch mit dem Vorladewiderstand (92) in Reihe geschaltet ist, ii) anschließend den ersten Halbleiterschalter (81) leitend zu schalten und den zweiten Halbleiterschalter (90) elektrisch sperrend zu schalten, und. iii) anschließend den ersten mechanischen Schaltkontakt (82) zu schließen und den zweiten Halbleiterschalter (90) mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts (91) mit dem zweiten Strompfad (19) zu verbinden, wobei der zweite Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt und der dritte Zeitpunkt nach dem zweiten Zeitpunkt liegt, und iv) anschließend den zweiten Halbleiterschalter (90) wieder elektrisch leitend zu schalten, wenn der von der Strommesseinrichtung (100) gemessene Strom einen ersten vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
Schaltgerät nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, in Schritt ii) den ersten Halbleiterschalter (81) leitend zu schalten und den zweiten Halbleiterschalter (90) elektrisch sperrend zu schalten, wenn der von der Strommesseinrichtung (100) gemessene Strom einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht oder innerhalb eines bezüglich des zweiten vorbestimmten Wertes festgelegten Toleranzbereichs liegt, wobei der zweite vorbestimmte Stromwert niedriger als der erste vorbestimmte Stromwert ist.
Schaltgerät nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, Schritt ii) nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer auszuführen.
Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Erfassungseinrichtung (50), einen elektrischen Energiespeicher (40), der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, eine mit dem ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12) verbundene Spannungsversorgungseinrichtung (30), die mit dem elektrischen Energiespeicher (40) und der Erfassungseinrichtung (50) elektrisch verbunden ist, wobei die Erfassungseinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen erfassten Abfall einer am Ausgang (31) der Stromversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Ausschaltvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17) anschließbaren elektrischen Last (110) durchzuführen.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss (13, 14), an die eine Energieversorgungseinrichtung (120) zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät (10) anschließbar ist, eine Erfassungseinrichtung (50), einen elektrischen Energiespeicher (40), der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, eine mit dem dritten und vierten Energieversorgungsanschluss (13, 14) verbundene Spannungsversorgungseinrichtung (30), die mit dem elektrischen Energiespeicher (40) und der Erfassungseinrichtung (50) elektrisch verbunden ist, wobei die Erfassungseinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung (50) erfassten Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Ausschaltvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17) anschließbaren elektrischen Last (110) durchzuführen.
Schaltgerät nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Erfassungseinrichtung (50) eine Vergleichseinrichtung aufweist.
Schaltgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner aufweisend einen Eingangsanschluss (15), der zum Anlegen eines Steuersignals ausgebildet ist, wobei die Erfassungseinrichtung (50) eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss (15) und einem Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) verbunden ist.
Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in den ersten und/oder zweiten Strompfad (18, 19) ein weiterer mechanischer Schaltkontakt (131, 132) wenigstens eines elektromechanischen Schalters (130) geschaltet ist.
Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strommesseinrichtung (100) einen Stromsensor aufweist.
Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Halbleiterschalter (81, 90) ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ist.
Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite mechanische Schaltkontakt (82, 91) in einem gemeinsamen elektromechanischen Schalter (85) angeordnet sind, oder wobei der erste mechanische Schaltkontakt (82) und der zweite mechanische Schaltkontakt (91) jeweils in einem separaten elektromechanischen Schalter (85, 95) angeordnet sind.
Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Speichereinrichtung (60), die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) elektrisch verbunden ist, wobei in der Speichereinrichtung (60) ein Stromschwellenwert, der einem Kurzschlussstrom entspricht, gespeichert ist.
Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem ersten Strompfad (18) oder dem zweiten Strompfad (19) eine Sicherung (140) zugeordnet ist.
Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, einen Ausschaltvorgang zum elektrischen Trennen der an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17) angeschlossenen elektrischen Last (110) von der an den ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12) angeschlossenen Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) zu steuern.