DE10220349A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden einer Versorgungsgleichspannung mit einer Last und zum Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden einer Versorgungsgleichspannung mit einer Last und zum Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last. Die Versorgungsgleichspannung wird der Last über eine Parallelschaltung eines Relais mit einem Halbleiterschalter zugeführt. Zum Verbinden der Versorgungsgleichspannung mit der Last wird zunächst der Halbleiterschalter geschlossen und dann zeitlich verzögert dazu der Relaiskontakt geschlossen, zum Trennen wird zunächst der Relaiskontakt geöffnet und zeitlich verzögert dazu der Halbleiterschalter geöffnet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden einer Versorgungsgleichspannung mit einer Last und zum Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last.
• Es ist bereits bekannt, eine Versorgungsgleichspannung über ein Relais einem Verbraucher zuzuführen. Um dynamische Vorgänge bei einem Schalten des Relais so kurzzeitig wie möglich zu halten, müsste eine gut stabilisierte Gleichspannung in voller Höhe auf die Spule des Relais geschaltet und dann ebenso schlagartig wieder abgeschaltet werden. Dem wirkt entgegen, dass die Spule eine Induktivität besitzt, die beim Einschalten durch eine Spannung den Strom mit einer gewissen Zeitkonstante ansteigen lässt, so dass sich der Strom erst nach einigen Millisekunden stabilisiert hat. Beim Abschalten wird die in der Spule gespeicherte magnetische Energie abgebaut, was ebenfalls nicht schlagartig erfolgen kann. Der kurzzeitige Abbau dieser Energie führt zu sehr hohen Spannungen, die noch eine gewisse Zeit Stromfluss aufrechterhalten. Normalerweise werden wegen der hohen Abschaltspannungen Schutzbeschaltungen eingesetzt, die die Stromführung gewöhnlich noch verlängern.
• In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, beim Vorliegen von induktiven Lasten Löschdioden zu verwenden, über welche nach dem Abschalten solange Strom fließt, bis die gespeicherte Energie abgebaut ist. Trotz dieser Löschdioden kommt es in der Praxis durch Funkenbildung zu einem Abbrand an den Relaiskontakten und dadurch zu einer unerwünschten Reduzierung der Schaltspiele des Relais.
• Weiterhin ist es bereits bekannt, ein fehlersicheres Schalten von Relaiskontakten mit zwangsgeführten Sicherheitsrelais zu realisieren.
• Aus der DE 39 37 122 C2 ist eine Schaltungsanordnung mit Sicherheitsfunktion bekannt. Diese enthält mindestens zwei zwangsgeführte Relais, die in Freigabestromkreisen angeordnete Schließerkontakte aufweisen. Dabei ist jeweils ein Schließerkontakt des einen Relais mit einem Schließerkontakt des anderen Relais im jeweiligen Freigabestromkreis in Reihe gelegt. Weiterhin ist jeweils ein Öffnerkontakt jedes Relais einerseits mit einem Ein-Tastschalter und andererseits mit einem Eingang eines fehlersicheren UND-Gliedes verbunden. Der Ein-Tastschalter ist in Reihe mit einem Aus-Tastschalter und einem Not-Aus-Schalter an einen Pol einer Steuerspannungsquelle angeschlossen. Das fehlersichere UND-Glied ist ausgangsseitig mit den Spulen der beiden Relais verbunden. Weiterhin sind die Spulen gemeinsam über die Reihenschaltung je eines Schließerkontakts der Relais in einem Selbsthaltekreis mit dem Aus-Tastschalter verbunden. Eine derartige Schaltungsanordnung kann beispielsweise in Sicherheits-Stromkreisen wie Not-Aus-Kreisen, Folgebeschaltungen für Schutztürabsicherungen, Zustimmtasterbetrieb und anderen Bewegungsabläufen verwenden werden, die Personenschutzfunktionen erfüllen.
• Weiterhin ist aus der DE 199 15 234 A1 eine Schaltungsanordnung mit Sicherheitsfunktion bekannt, die mindestens zwei Leistungsschütze enthält. Diese weisen in Freigabestromkreisen angedrdriete Haupt-Schließerkontakte auf. Dabei ist jeweils ein Haupt-Schließerkontakt eines Leistungsschütz mit einem Haupt-Schließerkontakt eines anderen Leistungsschütz im jeweiligen Freigabestromkreis in Reihe gelegt. Im Spulenstromkreis jeder Spule jedes Leistungsschütz ist jeweils ein Schließerkontakt vorgesehen, wobei diese Schließerkontakte gemeinsam betätigbar sind. Die Haupt-Schließerkontakte jedes Leistungsschütz sind zwischen zwei Hilfsschaltblocks angeordnet, die jeweils einen Schließerkontakt und einen Öffnerkontakt aufweisen. Die Schließerkontakte aller Hilfsschaltblocks sind in Reihe geschaltet in einem ersten Meldekreis angeordnet. Die Öffnerkontakte aller Hilfsschaltblocks sind in Reihe geschaltet in einem zweiten Meldekreis angeordnet. Die Haupt- Schließerkontakte und die Kontakte der zugeordneten Hilfsschaltblocks sind auf einer gemeinsamen Kontaktbrücke festgelegt. Durch diese Merkmale wird eine für Leistungsschütze geeignete Schaltungsanordnung mit Sicherheitsfunktion zur Verfügung gestellt, die Einzelfehler durch Ausführung der Sicherheitsfunktion erkennt und auch einen unerwarteten Anlauf verhindert. Ferner gewährt die Schaltungsanordnung Schutz vor einem unbefugten, unbeabsichtigten oder irrtümlichen Schließen.
• Ferner ist aus der DE 100 37 383 A1 ein Sicherheitsschaltgerät zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektrisch angetriebenen Maschine, bekannt. Dieses weist eine fehlersichere Abschalteinheit und eine Meldeeinheit auf, denen ein externes Steuersignal gemeinsam zuführbar ist. Die Abschalteinheit schaltet den elektrischen Verbraucher in Abhängigkeit von einem definierten Signalzustand des Steuersignals fehlersicher ab, wobei die Meldeeinheit in Abhängigkeit von dem definierten Signalzustand ein externes Meldesignal erzeugt. Die Abschalteinheit weist ein erstes Verzögerungselement auf, mit dessen Hilfe das Abschalten des Verbrauchers um eine erste Zeitspanne verzögert wird. Bei der Meldeeinheit handelt es sich um eine nicht-fehlersichere Einheit, die an einem Ausgang des Schaltgerätes ein nicht-fehlersicheres Meldesignal bereitstellt. Mittels dieses Sicherheitsschaltgerätes wird ein kontrolliertes Herunterfahren einer Maschine vor dem eigentlichen Abschalten ermöglicht.
• Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie unter Verwendung eines Relais durchgeführte Schaltvorgänge verbessert werden können.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den im Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass es durch die Verwendung einer Parallelschaltung eines Relais mit einem Halbleiterschalter und einer geeigneten Ansteuerung dieser Elemente möglich wird, funkenfrei ein- und abzuschalten, was eine signifikante Erhöhung der Schaltspiele des Relais zur Folge hat. Dabei wird von dem Vorteil des Relais; einen sehr niedrigen Kontaktübergangswiderstand zu haben, und dem Vorteil des Halbleiterschalters, hohe Spannungen und Ströme verschleißfrei schalten zu können, in gleicher Weise Gebrauch gemacht.
• Beim Einschalten erfolgt die Ansteuerung von Halbleiterschalter und Relais derart, dass zunächst der Halbleiterschalter durchschaltet und dann zeitverzögert dazu das Relais anzieht. So schaltet der Halbleiterschalter bereits nach einer kurzen Verzögerung von ca. 100 µs ein, während das Relais erst nach ca. 2 ms anzieht. Da nach dem Durchschalten des Halbleiterschalters die Versorgungsgleichspannung von beispielsweise 24 V bereits am Ausgang anliegt, wird im Zeitintervall zwischen dem Durchschalten des Halbleiterschalters und dem Anziehen des Relais eine Funkenbildung durch Prellen der Relaiskontakte verhindert.
• Beim Ausschalten erfolgt die Ansteuerung von Halbleiterschalter und Relais derart, dass zunächst das Relais geöffnet wird, wobei ebenfalls ein Prellen auftreten kann. Auch dabei tritt keine Funkenbildung auf, da der Halbleiterschalter weiter leitend gehalten wird und erst zeitverzögert geöffnet wird.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Löschspannung im Vergleich zu bekannten Löschschaltungen erhöht werden kann, beispielsweise auf 39 V. Dies führt zu einer wesentlichen Verkürzung der Löschzeit.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die Gegenstand der Ansprüche 4 und 14 ist, ist in die Schaltung eine Löschschaltung für kapazitive Lasten integriert. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Rücklesezeiten bei kapazitiven Lasten.
• Die Löschschaltung für kapazitive Lasten wird in vorteilhafter Weise nur dann aktiviert, wenn die Abtastung eines vom Schaltungsausgang rückgekoppelten Rücklesesignals ergibt, dass ein Entladevorgang notwendig ist. Diese Abtastung kann nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalles wiederholt werden, so dass sicher gestellt ist, dass das Entladen auch tatsächlich erfolgt ist. Erfolgt aufgrund eines Fehlers kein Entladen, dann kann eine entsprechende Signalisierung erfolgen.
• Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung in sicherheitskritischen Bereichen, beispielsweise bei Seilbahnen, Brennersteuerungen in einem Kraftwerk und bei Pressen. Dort besteht regelmäßig die Notwendigkeit, Baugruppen, beispielsweise Eingabe- oder Ausgabebaugruppen, fehlersicher mit einer 24 V- Versorgungsspannung zu verbinden und diese auch wieder fehlersicher von der jeweiligen Baugruppe zu trennen, beispielsweise nach dem Betätigen eines Not-Ausschalters.
• Derartige fehlersichere Anwendungen müssen bestimmte Sicherheitsnormen erfüllen. Beispielsweise sind bei derartigen Anwendungen zwei identisch aufgebaute Kanäle vorgesehen, die parallel zueinander und unabhängig voneinander arbeiten. Einem dieser Kanäle wird die positive und dem anderen Kanal die negative Versorgungsgleichspannung zugeführt. Beim Abschalten ist es notwendig, diese beiden Versorgungsgleichspannungen fehlersicher abzuschalten.
• Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
• Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
• Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufverhaltens der Anordnung gemäß Fig. 2 beim Vorliegen einer induktiven Last und
• Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufverhaltens der Anordnung gemäß Fig. 2 beim Vorliegen einer kapazitiven Last.
• Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine an den Ausgang 4 angeschlossene Last 9 mit einer am Eingang 1 anliegenden Versorgungsgleichspannung von + 24 V versorgt. Diese Versorgung erfolgt über eine Parallelschaltung eines Relais 6 mit einem Halbleiterschalter 8. Die Schaltvorgänge des Relais 6 und des Halbleiterschalters 8 erfolgen als Reaktion auf Steuersignale, die von einem Controller 7 geliefert werden. Der Controller 7 erhält Befehlssignale über den Eingang 3, die beispielsweise von einem Ein-Taster oder einem Not-Aus-Taster stammen.
• Parallel zur Last 9 sind eine Lösch-Zenerdiode 10 und eine Löschschaltung 11 für kapazitive Lasten vorgesehen. Die Löschschaltung 11 für kapazitive Lasten ist nur dann aktiv, wenn ihr vom Controller 7 oder einer nicht gezeichneten, dem Controller nachgeschalteten Aktivierungsschaltung ein Aktivierungssignal a zugeführt wird.
• Die in der Fig. 1 gezeigte Vorrichtung arbeitet wie folgt:
• Durch eine Betätigung des Ein-Tasters wird dem Controller 7 über den Eingang 3 ein Einschaltbefehl zugeführt. Als Reaktion auf diesen Einschaltbefehl führt der Controller dem Relais 6 und dem Halbleiterschalter 8 jeweils einen Durchschaltbefehl zu. Aufgrund dieses Durchschaltbefehles schaltet der Halbleiterschalter 8 bereits nach einer kurzen bausteinbedingten Verzögerungszeit von etwa 100 µs durch, so dass die am Eingang 1 anliegende Versorgungsgleichspannung von 24 V an den Ausgang 4 zur Versorgung der Last 9 angelegt wird.
• Nach etwa 2 ms, also zeitverzögert zum Durchschalten des Halbleiterschalters 8, zieht auch das Relais 6 an, so dass der Eingang 1 auch über das Relais 6 mit dem Ausgang 4 verbunden ist, an welchem die Last 9 anliegt.
• Ein zwischen dem Durchschalten des Halbleiterschalters 8 und dem Anziehen des Relais 6 erfolgendes Prellen der Relaiskontakte führt nicht zu einer Funkenbildung und damit auch nicht zu einem Abbrand der Relaiskontakte, da in diesem Zeitintervall aufgrund des bereits durchgeschalteten Halbleiterschalters 8 die Eingangsgleichspannung von 24 V sowohl am Eingang als auch am Ausgang des Relais 6 anliegt.
• Wird durch eine Betätigung des Not-Aus-Tasters dem Controller 7 über den Eingang 3 ein Ausschaltbefehl zugeführt, dann führt der Controller 7 dem Relais 6 und dem Halbleiterschalter 8 Ausschaltbefehle zu. Dies geschieht derart, dass zunächst dem Relais 6 ein Ausschaltbefehl übermittelt wird, aufgrund dessen der Relaiskontakt nach einer bausteinbedingten Verzögerung geöffnet wird. Auch in dieser Öffnungsphase tritt ein Prellen der Relaiskontakte auf. Auch dieses Prellen führt nicht zu einer Funkenbildung, da der Halbleiterschalter 8 solange geschlossen bzw. leitend gehalten wird, bis das Relais 6 sicher geöffnet ist. Erst dann führt der Controller 7 auch dem Halbleiterschalter 8 ein Steuersignal zu, welches den Halbleiterschalter 8 in den geöffneten Zustand bringt. Diese Ausschaltverzögerung des Halbleiterschalters beträgt beispielsweise 3,3 ms. Innerhalb dieser Zeit hat der Relaiskontakt sicher geöffnet. Die Löschspannung kann so dimensioniert werden, dass sie etwas unterhalb der Durchbruchspannung des Halbleiterschalters liegt.
• Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit, die im voraus empirisch ermittelt wurde und im System hinterlegt ist, sendet der Controller 7 - gegebenenfalls über eine Aktivierungsschaltung - ein Aktivierungssignal a an die Schaltung 11 zur Löschung von kapazitiven Lasten. Aufgrund dieses Aktivierungssignals a wird die Löschschaltung 11 leitend, so dass die in der Last aufgebaute Ladung abfließen kann.
• Die Fig. 2 Zeit ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Dieses zweite Ausführungsbeispiel betrifft eine sicherheitskritische bzw. fehlersichere Anwendung, wie sie beispielsweise bei Seilbahnen, Brennersteuerungen in einem Kraftwerk und bei Pressen erfolgen kann.
• Bei der Last 9 handelt es sich beispielsweise um eine Eingabebaugruppe oder um eine Ausgabebaugruppe, welcher über die in der Figur dargestellte Steuerungsbaugruppe eine Versorgungsgleichspannung zugeführt wird. Die Last 9 ist an Ausgängen 4 und 5 der Steuerungsbaugruppe angeschlossen.
• Die gezeigte Steuerungsbaugruppe ist - um die geforderte Sicherheitsnorm zu erfüllen - zweikanalig ausgebildet, wobei die beiden Kanäle parallel und unabhängig voneinander arbeiten.
• Der erste Kanal weist einen ersten Eingang 1 auf, über welchen der gezeigten Baugruppe eine positive Versorgungsgleichspannung von + 24 V zugeführt wird, die an eine Parallelschaltung eines Relais 6 mit einem Halbleiterschalter 8 angelegt ist.
• Dem zweiten Kanal wird über einen zweiten Eingang 2 das zugehörige Massepotential M (0 V) zugeführt, das an eine Parallelschaltung eines Relais 17 mit einem Halbleiterschalter 19 angelegt ist.
• Im ersten Kanal ist weiterhin ein erster Controller 7 vorgesehen, welchem über einen dritten Eingang 3 ein Befehlssignal zugeführt wird. Der zweite Kanal weist einen zweiten Controller 18 auf, der mit dem ersten Controller 7 über eine Controllerschnittstelle 12 zwecks Austausch von Synchronisationssignalen und Informationssignalen verbunden ist, wobei zu den Informationssignalen auch das dem ersten Controller 7 über den Eingang 3 zugeführte Befehlssignal gehört.
• Der erste Controller 7 ist zur Erzeugung von Steuersignalen für das Relais 6, den parallel zum Relais 6 angeordneten Halbleiterschalter 8 und eine Aktivierungsschaltung 24 vorgesehen, wobei letztere an ihrem Ausgang ein Aktivierungssignal a für eine Löschschaltung für kapazitive Lasten bereitstellt. Weiterhin ist der erste Controller 7 zum Empfang von Rücklesesignalen r1, r2, r3 vorgesehen, die ihm über eine Spannungsanpassungsschaltung 16 zugeführt werden. Durch Auswertung dieser Rücklesesignale erkennt der erste Controller 7, ob im zweiten Kanal die jeweils gewünschten Funktionen ausgelöst werden oder ob dort eine Störung vorliegt. Liegt eine derartige Störung vor, dann wird dies vom ersten Controller 7 an eine übergeordnete Steuerung gemeldet, die dann die notwendigen Schritte in die Wege leitet, und der Controller 7 leitet ein Abschalten der Ausgänge von 6 und 8 ein, um den sicheren Zustand herzustellen. Die genannten Rücklesesignale enthalten insbesondere Informationen darüber, ob im zweiten Kanal das Anzugssteuersignal und das Haltesteuersignal für das dortige Relais sowie dessen Ausgangsspannung gewünschte Werte aufweisen.
• Der zweite Controller 18 ist zur Erzeugung von Steuersignalen für das Relais 17 und den parallel zum Relais 17 angeordneten Halbleiterschalter 19 vorgesehen. Weiterhin ist der zweite Controller 18 zum Empfang von Rücklesesignalen r4, r5, r6 vorgesehen, die ihm über eine Spannungsanpassungsschaltung 23 zugeführt werden. Durch Auswertung dieser Rücklesesignale erkennt der zweite Controller 18, ob im ersten Kanal die jeweils gewünschten Funktionen ausgelöst werden oder ob dort eine Störung vorliegt. Liegt eine derartige Störung vor, dann wird dies vom zweiten Controller 18 über die Controllerschnittstelle 12 dem ersten Controller 7 mitgeteilt und von diesem an eine übergeordnete Steuerung gemeldet, die dann die notwendigen Schritte in die Wege leitet, und der Controller 18 leitet ein Abschalten der Ausgänge von 17 und 19 ein, um den sicheren Zustand herzustellen. Die genannten Rücklesesignale enthalten insbesondere Informationen darüber, ob im ersten Kanal das Anzugssteuersignal und das Haltesteuersignal für das dortige Relais sowie dessen Ausgangsspannung gewünschte Werte aufweisen.
• Das vom ersten Controller 7 zur Verfügung gestellte Steuersignal s1, bei welchem es sich um ein Relaisanzugssignal handelt, wird dem Relais 6 über eine Spannungsanpassungsschaltung 13 zugeführt. Zwischen der Spannungsanpassungsschaltung 13 und dem Relais 6 wird das Rücklesesignal r4 abgegriffen und dem zweiten Controller 18 über die Spannungsanpassungsschaltung 23 zugeführt.
• Das vom ersten Controller 7 zur Verfügung gestellte Steuersignal s2, bei welchem es sich um ein Relaishaltesignal handelt, wird dem Relais 6 ebenfalls über die Spannungsanpassungsschaltung 13 zugeführt. Der Ausgang der Spannungsanpassungsschaltung 13, an welchem das spannungsangepasste Relaishaltesignal anliegt, ist über eine Diode 14 mit dem Relais 6 verbunden. An der Anode der Diode 14 wird das Rücklesesignal r5 abgegriffen und dem zweiten Controller 18 über die Spannungsanpassungsschaltung 23 zugeführt.
• Das vom ersten Controller 7 zur Verfügung gestellte Steuersignal s2 wird über eine Ansteuerlogik 15 auch dem Halbleiterschalter 8 als Schaltersteuersignal zugeführt.
• Der Ausgang der Parallelschaltung von Relais 6 und Halbleiterschalter 8 ist mit der Kathode einer Lösch-Zenerdiode 10, einem Anschluss der Löschschaltung 11 für kapazitive Lasten und mit einem ersten Ausgang 4 der Steuerungsbaugruppe verbunden. Weiterhin wird vom Ausgang der Parallelschaltung von Relais 6 und Halbleiterschalter 8 das Rücklesesignal r6 abgeleitet, welches dem zweiten Controller 18 zugeführt wird.
• Das vom zweiten Controller 18 zur Verfügung gestellte Steuersignal s1, bei welchem es sich um ein Relaisanzugssignal handelt, wird dem Relais 17 über eine Spannungsanpassungsschaltung 20 zugeführt. Zwischen der Spannungsanpassungsschaltung 20 und dem Relais 17 wird das Rücklesesignal r1 abgegriffen und dem ersten Controller 7 über die Spannungsanpassungsschaltung 16 zugeführt.
• Das vom zweiten Controller 18 zur Verfügung gestellte Steuersignal s2, bei welchem es sich um ein Relaishaltesignal handelt, wird dem Relais 17 ebenfalls über die Spannungsanpassungsschaltung 20 zugeführt. Der Ausgang der Spannungsanpassungsschaltung 20, an welchem das spannungsangepasste Relaishaltesignal anliegt, ist über eine Diode 21 mit dem Relais 17 verbunden. An der Anode der Diode 21 wird das Rücklesesignal r2 abgegriffen und dem ersten Controller 7 über die Spannungsanpassungsschaltung 16 zugeführt.
• Das vom zweiten Controller 18 zur Verfügung gestellte Steuersignal s2 wird über eine Ansteuerlogik 22 auch dem Halbleiterschalter 19 als Schaltersteuersignal zugeführt.
• Der Ausgang der Parallelschaltung von Relais 17 und Halbleiterschalter 19 ist mit der Anode der Lösch-Zenerdiode 10, einem zweiten Anschluss der Löschschaltung 11 für kapazitive Lasten und mit einem zweiten Ausgang 5 der Steuerungsbaugruppe verbunden. Weiterhin wird vom Ausgang der Parallelschaltung von Relais 17 und Halbleiterschalter 19 das Rücklesesignal r3 abgeleitet, welches dem ersten Controller 7 zugeführt wird.
• Zwischen die Ausgänge 4 und 5 der Steuerungsbaugruppe und damit parallel zur Last 9 sind die Lösch-Zenerdiode 10 und die Löschschaltung 11 für kapazitive Lasten geschaltet.
• Die Arbeitsweise der in der Fig. 2 gezeigten Steuerungsbaugruppe wird nachfolgend anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert.
• Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufverhaltens der Anordnung gemäß Fig. 2 beim Vorliegen einer induktiven Last. In diesem Diagramm sind die zeitlichen Verläufe der in der Fig. 2 gezeigten Steuersignale s1 und s2, der Rücklesesignale r4, r5 und r6, des Aktivierungssignals a sowie der Signale ZR und ZHL dargestellt, wobei das Signal ZR den Zustand der Relais und das Signal ZHL den Zustand der Halbleiterschalter beschreibt.
• Die nachfolgende Erläuterung bezieht sich nur auf den ersten Kanal, gilt aber für den zweiten Kanal entsprechend.
• Nach dem Erhalt eines Einschaltbefehls über den Eingang 3 stellt der erste Controller 7 zum Zeitpunkt t1 ausgangsseitig die Steuersignale s1 und s2 zur Verfügung. Das Steuersignal s1 ist ein Relaisanzugssignal, welches dem ersten Relais 6 über die Spannungsanpassungsschaltung 13 zugeführt wird. Das Steuersignal s2 ist ein Relaishaltesignal, welches dem ersten Relais 6 über die Spannungsanpassungsschaltung 13 und die Diode 14 zugeführt wird. Gleichzeitig gelangt das Steuersignal s2 auch über die Ansteuerlogik 15 an den Halbleiterschalter 8.
• Die zugehörigen Rücklesesignale r4 und r5 werden am Ausgang der Spannungsanpassungsschaltung 13 abgegriffen und über die Spannungsanpassungsschaltung 23 dem zweiten Controller 18 zugeführt. Dieser überprüft die Korrektheit der Rücklesesignale und gibt dann, wenn diese nicht korrekt sind, über die Controllerschnittstelle 12 eine Fehlermeldung an den ersten Controller 7 ab. Dieser meldet den Fehler an eine übergeordnete Steuerung weiter, die die nötigen Maßnahmen in die Wege leitet, und der Controller 7 leitet ein Abschalten der Ausgänge von 6 und 8 ein, um den sicheren Zustand herzustellen. Liegt kein Fehler vor, dann arbeitet die Schaltung in normaler Weise weiter.
• Zum Zeitpunkt t2, welcher etwa 100 µs nach dem Zeitpunkt t1 liegt, schaltet zunächst der Halbleiterschalter 8 durch. Dies bewirkt, dass die am Eingang 1 vorliegende Versorgungsgleichspannung von + 24 V am gemeinsamen Ausgang von Halbleiterschalter 8 und Relais 6 und auch am Ausgang 4 der Steuerungsbaugruppe vorliegt. Das Durchschalten des Halbleiterschalters 8 zum Zeitpunkt t2 ist in der Fig. 3 anhand des Signals ZHL gezeigt. Da am gemeinsamen Ausgang von Halbleiterschalter 8 und Relais 6 auch das Rücklesesignal r6 abgegriffen wird, weist auch dieses zum Zeitpunkt t2 einen Pegelsprung auf. Das Rücklesesignal r6 gelangt über die Spannungsanpassungsschaltung 23 an den zweiten Controller 18. Dieser überprüft die Korrektheit des Rücklesesignals und gibt beim Vorliegen eines Fehlers über die Controllerschnittstelle 12 eine Fehlermeldung an den ersten Controller ab. Dieser meldet den Fehler an eine übergeordnete Steuerung weiter, die die nötigen Maßnahmen in die Wege leitet, und der Controller 7 leitet ein Abschalten der Ausgänge von 6 und 8 ein, um den sicheren Zustand herzustellen. Liegt kein Fehler vor, dann arbeitet die Schaltung in normaler Weise weiter.
• Aus dem in der Fig. 3 gezeigten Signal ZR ist das Einschaltverhalten des Relais 6 ersichtlich. Das Relais 6 zieht erst ca. 2 ms nach der Ausgabe der Anzugs- und Haltesteuersignale s1 und s2 an, wobei es vor dem sicheren Durchschalten zu einem Prellen der Relaiskontakte kommt, das in der Figur mit dem Buchstaben P angedeutet ist.
• Da aufgrund der Tatsache, dass der Halbleiterschalter 8 bereits durchgeschaltet ist, die + 24 V-Versorgungsgleichspannung bereits am Ein- und Ausgang des Relais 6 vorliegt, entsteht bei diesem Prellen des Relais innerhalb des in der Figur gezeigten Zeitintervalles 11 keine Funkenbildung und auch kein Abbrand der Relaiskontakte.
• Ab dem Zeitpunkt t3 sind sowohl der Halbleiterschalter 8 als auch das Relais 6 durchgeschaltet.
• Zum Zeitpunkt t4, der etwa 50 ms nach der Ausgabe der Steuersignale s1 und s2 liegt, wird das Anzugssteuersignal s1 wieder abgeschaltet, um die in der Schaltung entstehende Verlustleistung zu reduzieren. Auf den Zustand des Relais 6 und des Halbleiterschalters 8 hat dies keinen Einfluss.
• Nach dem Erhalt eines Ausschaltbefehls, der beispielsweise mittels eines Not-Aus-Schalters ausgelöst werden kann, über den Eingang 3 schaltet der erste Controller 7 zum Zeitpunkt t5 auch das Relaishaltesignal s2 ab. Das Abschalten dieses Relaishaltesignals s2 wird dem Relais 6 über die Spannungsanpassungsschaltung 13 übermittelt. Aufgrund dieses Signals schaltet das Relais 6 nach einer bausteinbedingten Verzögerung von ca. 2 ms aus, wobei es in der Ausschaltphase auch zu einem Prellen der Relaiskontakte kommt. Diese bausteinbedingte Ausschaltverzögerung ist in der Fig. 3 durch die Bezeichnung 12 veranschaulicht.
• Da jedoch die Ansteuerlogik 15 derart ausgelegt ist, dass sie das Ausschaltsignal s2, welches vom Controller 7 zum Zeitpunkt t5 erzeugt wird, erst nach einer Verzögerung von ca 3,3 ms, die in der Fig. 3 durch τ3 veranschaulicht ist, zum Zeitpunkt t6 an den Halbleiterschalter 8 weitergibt, ist der Halbleiterschalter 8 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 weiterhin leitend. Dadurch ist in diesem Zeitintervall sichergestellt, dass die + 24 V-Versorgungsgleichspannung sowohl am Eingang als auch am Ausgang der Parallelschaltung von Relais 6 und Halbleiterschalter 8 vorliegt. Folglich führt auch in diesem Zeitintervall auftretendes Prellen der Relaiskontakte nicht zu einer Funkenbildung und auch nicht zu einem Abbrand der Relaiskontakte.
• Ab dem Zeitpunkt t6 sind sowohl das Relais 6 als auch der Halbleiterschalter 8 abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt t6 wechselt auch das Rücklesesignal r6 seinen Pegel, wodurch dem zweiten Controller 18 über die Spannungsanpassungsschaltung 23 die korrekte Beendigung des im ersten Kanal erfolgten Ausschaltvorganges signalisiert wird. In dem in der Fig. 3 gezeigten Zeitintervall τ5 erfolgt das Löschen der induktiven Last über die Lösch-Zenerdiode 10 mit einer Löschspannung von z. B. 39 V.
• Das in der Fig. 3 gezeigte Aktivierungssignal a, welches zur Aktivierung der in der Fig. 2 gezeigten Löschschaltung 11 für kapazitive Lasten vorgesehen ist, hat in der Fig. 3 stets seinen niedrigen Pegel, da es für den Ein- und Ausschaltvorgang von induktiven Lasten ohne Bedeutung ist.
• Durch die parallele Anordnung eines Relais mit einem Halbleiterschalter und einem zeitlich verzögerten Durch- und Abschalten dieser Bausteine wird demnach bei dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ein funkenfreies Ein- und Ausschalten des Relais beim Vorliegen einer induktiven Last sicher gestellt. Dies bedeutet eine signifikante Erhöhung der Schaltspiele des Relais.
• Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm zum Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufverhaltens der Anordnung gemäß Fig. 2 beim Vorliegen einer kapazitiven Last 9. In dieser Fig. 4 sind ebenso wie in der Fig. 3 die Verläufe der Signale s1, s2, r4, r5, r6, a, ZR und ZHL dargestellt. Der Verlauf aller dieser Signale zwischen den Zeitpunkten t1 und t5 stimmt mit dem jeweiligen Signalverlauf in Fig. 3 überein.
• Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zwischen den Fig. 3 und 4 erläutert, die auf das Vorliegen einer kapazitiven Last 9 zurückzuführen sind.
• Beim Vorliegen einer kapazitiven Last 9 ist zum Zeitpunkt t6 die in der Last 9 aufgebaute Ladung noch nicht abgebaut. Dies ist in der Fig. 4 daraus ersichtlich, dass das Rücklesesignal r6 zum Zeitpunkt t6 keinen Pegelsprung aufweist.
• Da das Rücklesesignal r6, welches über die Spannungsanpassungsschaltung 23 dem zweiten Controller 18 zugeführt wird, auch zum Zeitpunkt t7 noch das Vorliegen von Ladung signalisiert, wird dies vom zweiten Controller 18 über die Controllerschnittstelle 12 dem ersten Controller 7 gemeldet. Dieser steuert daraufhin die Aktivierungsschaltung 24 an, die an ihrem Ausgang ein Aktivierungssignal a zur Verfügung stellt. Ein zugehöriger Pegelübergang des Aktivierungssignal a ist in der Fig. 4 zum Zeitpunkt t7 gezeigt. Durch dieses Aktivierungssignal a wird die Löschschaltung 11 für kapazitive Lasten aktiviert, die einen Abbau der Ladung zwischen den Ausgängen 4 und 5 von Fig. 2 erlaubt, indem sie diese Ausgänge über eine Ladungsausgleichsschaltung für eine vorgegebene Zeitdauer von beispielsweise 10 ms miteinander verbindet. Dann wird das Aktivierungssignal a zum Zeitpunkt t8 wieder beendet.
• Da sich zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 die in der kapazitiven Last vorhandene Ladung abgebaut hat, weist das Rücklesesignal r6 unmittelbar nach dem Abbau der Ladung einen Pegelsprung auf, der aus dem Signalverlauf des Rücklesesignals r6 ersichtlich ist.
• Wird daraufhin zum Zeitpunkt t9 der Zustand des Rücklesesignals r6 ein weiteres Mal abgetastet, dann wird erkannt, dass auch die auf das Vorliegen einer kapazitiven Last 9 zurückzuführende Ladung vollständig abgebaut ist.
• Die in der Fig. 2 dargestellte Schaltung ist nach alledem dazu ausgelegt, sowohl bei Vorliegen von induktiven Lasten als auch beim Vorliegen von kapazitiven Lasten die nach einem Ausschalten von Halbleiterschalter und Relais vorliegenden Ladungen schnell und sicher abzubauen. Dadurch ist ein fehlersicheres Abschalten von induktiven Lasten und eine Reduzierung der Rücklesezeit bei kapazitiven Lasten auch bei Verwendung von Standard-Relais möglich. Durch diese Möglichkeit, Standard-Relais einzusetzen, werden Kosten und Platz eingespart.

Claims (18)

1. Verfahren zum Verbinden einer Versorgungsgleichspannung mit einer Last und zum Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last, bei welchem die Versorgungsgleichspannung der Last über eine Parallelschaltung eines Relais mit einem Halbleiterschalter zugeführt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:

1. zum Verbinden der Versorgungsgleichspannung mit der Last wird in einem ersten Schritt der Halbleiterschalter geschlossen und in einem zweiten Schritt, der gegenüber dem ersten Schritt zeitlich verzögert ist, der Relaiskontakt geschlossen, und

- zum Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last wird in einem dritten Schritt der Relaiskontakt geöffnet und in einem vierten Schritt, der gegenüber dem dritten Schritt zeitlich verzögert ist, der Halbleiterschalter geöffnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Relaiseingang und vom Relaisausgang Rücklesesignale abgeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen der Versorgungsgleichspannung von einer induktiven Last ein Löschen der gespeicherten Energie über eine Löschdiodenvorrichtung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen der Versorgungsgleichspannung von einer kapazitiven Last ein Abbau der gespeicherten Energie über eine Löschschaltung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschschaltung nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls nach dem Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last automatisch aktiviert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschschaltung nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalles nach dem Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last automatisch kurzzeitig aktiviert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen der Ver- Sorgungsgleichspannung von der Last durch Auswertung des vom Relaisausgang abgeleiteten Rücklesesignals die Notwendigkeit einer Aktivierung der Löschschaltung ermittelt und die Löschschaltung nur bei Bedarf aktiviert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Notwendigkeit einer Aktivierung der Löschschaltung in vorgegebenen Zeitabständen so lange wiederholt ermittelt wird, bis durch die Auswertung des vom Relaisausgang abgeleiteten Rücklesesignals ein vollständiger Energieabbau erkannt wird.

9. Vorrichtung zum Verbinden einer Versorgungsgleichspannung mit einer Last und zum Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last, welche Vorrichtung aufweist:
einen Eingang für eine Versorgungsgleichspannung,
ein Relais, dessen Eingang mit dem Eingang für die Versorgungsgleichspannung und dessen Ausgang mit einem Anschluss der Last verbindbar ist, und
eine Steuereinheit zur Erzeugung von Steuersignalen für das Relais,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie weiterhin einen dem Relais (6, 17) parallel geschalteten Halbleiterschalter (8, 19) aufweist und
die Steuereinheit (7, 18) weiterhin zur Erzeugung von Steuersignalen zum Schließen und Öffnen des Halbleiterschalters vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, die Steuersignale für das Relais und den Halbleiterschalter derart zu erzeugen, dass
zum Verbinden der Versorgungsgleichspannung mit der Last in einem ersten Schritt der Halbleiterschalter geschlossen und in einem zweiten Schritt, der gegenüber dem ersten Schritt zeitlich verzögert ist, der Relaiskontakt geschlossen, und
zum Trennen der Versorgungsgleichspannung von der Last in einem dritten Schritt der Relaiskontakt geöffnet und in einem vierten Schritt, der gegenüber dem dritten Schritt zeitlich verzögert ist, der Halbleiterschalter geöffnet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ansteuerlogik (15, 22) aufweist, die zwischen der Steuereinheit (7, 18) und dem Halbleiterschalter (8, 19) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Rücklesepfade aufweist, über welche vom Relaiseingang und vom Relaisausgang abgeleitete Rücklesesignale übertragen werden.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine parallel zur Last geschaltete Löschdiodenvorrichtung (10) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine parallel zur Last geschaltete Löschschaltung (11) für kapazitive Lasten aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zur Erzeugung eines Aktivierungssignals für die Löschschaltung (11) für kapazitive Lasten vorgesehen ist oder zur Ansteuerung einer Aktivierungsschaltung (24) vorgesehen ist, die an ihrem Ausgang ein Aktivierungssignal (a) für die Löschschaltung (11) für kapazitive Lasten bereitstellt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-15, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Parallelschaltung zweier Kanäle aufweist, die jeweils
einen Eingang für eine Versorgungsgleichspannung,
ein Relais, dessen Eingang mit einem Eingang für eine Versorgungsgleichspannung und dessen Ausgang mit einem Anschluss der Last verbindbar ist,
einen dem Relais parallel geschalteten Halbleiterschalter, und
eine Steuereinheit zur Erzeugung von Steuersignalen für das Relais und zum Schließen und Öffnen des Halbleiterschalters aufweisen,
wobei dem Eingang des ersten Kanals eine positive Versorgungsgleichspannung und dem Eingang des zweiten Kanals das zugehörige Massepotential (0 V) zuführbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vom ersten Kanal ausgehenden Rücklesepfade an die im zweiten Kanal angeordnete Steuereinheit geführt sind und dass die vom zweiten Kanal ausgehenden Rücklesepfade an die im ersten Kanal angeordnete Steuereinheit geführt sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten beider Kanäle über eine Schnittstelle (12) miteinander kontaktiert sind.