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Verfahren
und Vorrichtung zum Verbinden einer Versorgungsgleichspannung mit
einer Last und zum Trennen der Versorgungsgleichspannung von der
Last
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden
einer Versorgungsgleichspannung mit einer Last und zum Trennen der
Versorgungsgleichspannung von der Last.
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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.
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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.
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Weiterhin
ist es bereits bekannt, ein fehlersicheres Schalten von Relaiskontakten
mit zwangsgeführten
Sicherheitsrelais zu realisieren.
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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.
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Weiterhin
ist aus der
DE 199
15 234 A1 eine Schaltungsanordnung mit Sicherheitsfunktion
bekannt, die mindestens zwei Leistungsschütze enthält. Diese weisen in Freigabestromkreisen
angeordnete 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 Öffnerkon takt
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.
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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.
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Aus
der
DE 34 32 025 A1 ist
ein Schaltgerät, insbesondere
zum Ein- und Ausschalten von Stromverbrauchern großer Leistung,
bekannt. Dieses Schaltgerät
besteht aus einem elektromechanischen Schalter, der ein elektromagnetisch
mit einem Steuerstrom betätigbares
Schaltglied zum Verbinden und Unterbrechen der zum Verbraucher führenden
Leitung aufweist. Weiterhin enthält
das bekannte Schaltgerät
einen in Parallelschaltung dazu angeordneten elektronischen Festkörperschalter,
der ebenfalls vom Steuerstrom betätigt in seiner bei der Ein-Betätigung des
Schaltgerätes
vor dem Schließen
des elektromechanischen Schalters erreichten Ein-Stellung eine niederohmige
und bei der Aus-Betätigung
des Schaltgerätes
nach dem Öffnen
des elektromechanischen Schalters erreichten Aus-Stellung eine hochohmige
Verbindung zum Verbraucher darstellt. Dem elektronischen Festkörperschalter
ist in Reihenschaltung ein zweiter elektromechanischer Schalter
zugeordnet, dessen elektromagnetisch mit Steuerstrom betätigbares
Schaltglied bei der Ein-Betätigung
des Schaltgerätes
vor dem Erreichen der Ein-Stellung des elektronischen Festkörperschalters
die Verbindungsstellung und bei der Aus-Betätigung des Schalgerätes nach
dem Erreichen der Aus-Stellung des elektronischen Festkörperschalters
die Unterbrechungsstellung einnimmt.
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Aus
der
DE 22 37 898 A ist
eine elektronische Schaltvorrichtung für elektromechanische Schaltschütze und
Schaltrelais bekannt. Bei dieser elektronischen Schaltvorrichtung
ist jedem mechanischen Kontakt eines elektromechanischen Schützes oder
Relais ein Thyristor oder Triac elektrisch parallel geschaltet.
Die Schütz-
oder Relaisspule wird vom Steuerimpuls direkt geschaltet, während die
Thyristoren oder Triacs über
einen Monoflop mit bestimmter Verzögerungszeit, die größer als
die Schließverzugszeit
des Schützes
oder Relais ist, ein- und
ausgeschaltet werden. Die Schaltzeit zwischen Einschaltvorgang und
Ausschaltvorgang wird ausschließlich von
den mechanischen Schütz-
oder Relaiskontakten übernommen.
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Aus
der
US 5,528,131 A sind
ein gesteuerter elektrischer Leistungsschalter und ein Verfahren
zum Schalten eines elektrischen Leistungskreises bekannt. Der Schalter
enthält
einen Halbleiterschalter, einen elektromechanischen Schalter und
einen Signalprozessor. Der elektromechanische Schalter ist parallel
zum Halbleiterschalter angeordnet. Der Signalprozessor empfängt ein
Steuersignal und gibt ein Befehlssignal zur Steuerung des Halbleiterschalters und
des elektromechanischen Schalters aus. Beim Einschalten wird zunächst der
Halbleiterschalter und kurz danach der elektromechanische Schalter
geschlossen. Beim Ausschalten wird zuerst der elektromechanische
Schalter und dann der Halbleiterschalter geöffnet.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie unter Verwendung
eines Relais durchgeführte
Schaltvorgänge
verbessert werden können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Löschspannung
im Vergleich zu bekannten Löschschaltungen
er höht
werden kann, beispielsweise auf 39 V. Dies führt zu einer wesentlichen Verkürzung der
Löschzeit.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die Gegenstand der Ansprüche 3 und
12 ist, ist in die Schaltung eine Löschschaltung für kapazitive
Lasten integriert. Dies führt
zu einer erheblichen Reduzierung der Rücklesezeiten bei kapazitiven
Lasten.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
beispielhafter Erläuterung
anhand der Figuren. Es zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild zur Erläuterung des
Verbindens einer Versorgungsgleichspannung mit einer Last und des
Trennens der Versorgungsgleichspannung von der Last,
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2 ein
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
für die
Erfindung,
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3 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufverhaltens der
Anordnung gemäß 2 beim
Vorliegen einer induktiven Last und
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4 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufverhaltens der
Anordnung gemäß 2 beim
Vorliegen einer kapazitiven Last.
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Die 1 zeigt
ein Blockschaltbild zur Erläuterung
des Verbindens einer Versorgungsgleichspannung mit einer Last und
des Trennens der Versorgungsgleichspannung von der Last. 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 B. 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.
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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.
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Die
in der 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 2 zeigt
ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
für die
Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel
betrifft eine sicherheitskritische bzw. fehlersichere Anwendung,
wie sie beispielsweise bei Seilbahnen, Brennersteuerungen in einem
Kraftwerk und bei Pressen erfolgen kann.
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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.
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Die
gezeigte Steuerungsbaugruppe ist – um die geforderte Sicherheitsnorm
zu erfüllen – zweikanalig
ausgebildet, wobei die beiden Kanäle parallel und unabhängig voneinander
arbeiten.
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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.
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Dem
zweiten Kanal wird über
einen zweiten Eingang 2 das zugehörige Massepotential M (0V)
zugeführt,
das an eine Parallelschaltung eines Relais 17 mit einem
Halbleiterschalter 19 angelegt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
vom ersten Controller 7 zur Verfügung gestellte Steuersignal
s2 wird über
eine Ansteuerlogik 15 auch dem Halbleiterschalter 8 als
Schaltersteuersignal zugeführt.
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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.
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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.
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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.
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Das
vom zweiten Controller 18 zur Verfügung gestellte Steuersignal
s2 wird über
eine Ansteuerlogik 22 auch dem Halbleiterschalter 19 als
Schaltersteuersignal zugeführt.
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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.
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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.
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Die
Arbeitsweise der in der 2 gezeigten Steuerungsbaugruppe
wird nachfolgend anhand der 3 und 4 näher erläutert.
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Die 3 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufverhaltens
der Anordnung gemäß 2 beim
Vorliegen einer induktiven Last. In diesem Diagramm sind die zeitlichen Verläufe der
in der 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.
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Die
nachfolgende Erläuterung
bezieht sich nur auf den ersten Kanal, gilt aber für den zweiten Kanal
entsprechend.
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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.
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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.
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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 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.
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Aus
dem in der 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.
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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 τ1 keine Funkenbildung
und auch kein Abbrand der Relaiskontakte.
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Ab
dem Zeitpunkt t3 sind sowohl der Halbleiterschalter 8 als
auch das Relais 6 durchgeschaltet.
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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.
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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 3 durch die Bezeichnung τ2 veranschaulicht.
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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 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.
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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 3 gezeigten Zeitintervall τ5 erfolgt
das Löschen der
induktiven Last über
die Lösch-Zenerdiode 10 mit einer
Löschspannung
von z. B. 39 V.
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Das
in der 3 gezeigte Aktivierungssignal a, welches zur Aktivierung
der in der 2 gezeigten Löschschaltung 11 für kapazitive
Lasten vorgesehen ist, hat in der 3 stets
seinen niedrigen Pegel, da es für
den Ein- und Ausschaltvorgang von induktiven Lasten ohne Bedeutung
ist.
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Durch
die parallele Anordnung eines Relais mit einem Halbleiterschalter
und einem zeitlich verzögerten
Durch- und Abschalten dieser Bausteine wird demnach bei dem in der 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ein funkenfreies Ein- und Ausschalten des Relais beim Vorliegen
einer induktiven Last sichergestellt. Dies bedeutet eine signifikante
Erhöhung
der Schaltspiele des Relais.
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Die 4 zeigt
ein Diagramm zum Veranschaulichung des zeitlichen Ablaufverhaltens
der Anordnung gemäß 2 beim
Vorliegen einer kapazitiven Last 9. In dieser 4 sind
ebenso wie in der 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 3 überein.
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Nachfolgend
werden lediglich die Unterschiede zwischen den 3 und 4 erläutert, die auf
das Vorliegen einer kapazitiven Last 9 zurückzuführen sind.
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Beim
Vorliegen einer kapazitiven Last 9 ist zum Zeitpunkt t6
die in der Last 9 aufgebaute Ladung noch nicht abgebaut.
Dies ist in der 4 daraus ersichtlich, dass das
Rücklesesignal
r6 zum Zeitpunkt t6 keinen Pegelsprung aufweist.
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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 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 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.
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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.
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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.
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Die
in der 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.