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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Eingangsschaltung
zum Anschließen einer
Gleichspannungsquelle. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus
DE 195 01 985 A1 bekannt. Sie
weist Anschlüsse
zum Anschließen
an eine Gleichspannungsquelle, eine elektrische Verbindung zum Verbinden
einer elektronischen Schaltungseinheit mit einem der Anschlüsse, eine
Diode und eine Sicherung zum Schutz der Diode vor Beschädigung oder
Zerstörung
auf. Die Diode ist derart ausgestaltet und zwischen die Anschlüsse geschaltet,
dass sie bei Falschpolung die Anschlüsse kurzschließt. Dabei
erwärmt
sich die Diode. Bei der Diode handelt es sich um eine Suppressordiode,
die der Erwärmung
solange standhalten soll, d. h. nicht zerstört wird, bis die Sicherung
auslöst
und sowohl die Diode als auch die elektronische Schaltungseinheit
von der falsch angeschlossenen Gleichspannungsquelle trennt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben,
welche eine elektronische Schaltungseinheit mit der Schaltungsanordnung
sowohl bei Verpolung einer Versorgungsspannung als auch bei Trennung
der Versorgungsspannung von der elektronischen Einheit unter Spannung
schützt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den in Anspruch
1 genannten Merkmalen gelöst.
Die Schaltungsanordnung weist eine Eingangsschaltung zum Anschließen einer
Gleichspannungsquelle auf, wobei parallel zur Eingangsschaltung
eine Serienschaltung aus einem Halbleiterventil und einer rückstellbaren
Sicherung angeordnet ist, wobei das Halbleiterventil derart angeordnet
ist, dass es bei bestimmungsgemäßem Anliegen
der Gleichspannungsquelle in Sperrrichtung geschaltet ist, wobei
parallel zur Serienschaltung mindestens eine Ausgangsschaltung zum
Anschließen
jeweils einer induktiven Last vorgesehen ist, wobei die rückstellbare
Sicherung zur Leitung mindestens des Nennstroms der induktiven Last
ohne Auslösung
ausgelegt ist. Der Nennstrom der induktiven Last ist insbesondere
die Summe der jeweiligen Nennströme
der induktiven Lasten, wenn mehrere Ausgangsschaltungen bzw. mehrere
induktive Lasten vorhanden sind. Eine induktive Last kann sich aus
mehreren Teilkomponenten zusammensetzen. Eine Schaltungsanordnung
mit einer Last, welche fest mit der Ausgangsschaltung verbunden
oder in diese integriert ist, also nicht angeschlossen werden muss,
ist selbstverständlich
ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
bietet auf überraschend
einfache Weise einen Verpolschutz sowie eine Möglichkeit zum Löschen induktiver
Lastströme
bei elektronischen Schaltungseinheiten, welche unter Spannung gezogen
werden können,
d. h. von der Spannungsquelle getrennt werden können. Die rückstellbare Sicherung kann
für niedrige
Ströme
ausgelegt werden, da die Sicherung nicht dauerhaft belastet wird
(sie muss "nur" schnell abklingende
induktive Energie löschen
können). Deshalb
ist es möglich,
rückstellbare
Sicherungen einzusetzen, wodurch zum Einen eine Zerstörung oder
Beschädigung
einer Schaltungseinheit mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verhindert
wird, zum anderen auch nach Auslösen
der Sicherung die Sicherung nicht ausgewechselt werden muss.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Halbleiterventil
eine Diode. Die Verwendung einer Diode, d. h. eines nicht gesteuerten Halbleiterventils,
ermöglicht
einen einfachen und günstigen
Aufbau der Schaltungsanordnung.
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Wird
die rückstellbare
Sicherung gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur Umwandlung
von induktiver Energie in Wärme
vorgesehen, wird der Abbau der in der induktiven Last gespeicherten
induktiven Energie beim Ziehen der elektronischen Einheit unter
Spannung beschleunigt. Die rückstellbare
Sicherung erfüllt
somit zwei unterschiedliche Funktionen. Zum einen dient sie zum
Löschen
induktiver Lastströme,
d. h. zum Umwandeln von induktiver Energie in Wärmeenergie, zum anderen dient
sie zum Kurzschlussschutz bei Verpolung der Versorgungsspannung.
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Vorteilhafterweise
ist die rückstellbare
Sicherung als selbstheilende oder selbstrückstellende Sicherung ausgebildet,
so dass zur Rückstellung
der Sicherung nach einem Auslösen
der Sicherung kein Eingriff durch einen Anwender erforderlich ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausgangsschaltung mindestens
ein Schaltmittel zum Schalten der induktiven Last auf. Dies ermöglicht z.
B. den Einsatz der Schaltungsanordnung in einer Schaltungseinheit
einer speicherprogrammierbaren Steuerung innerhalb eines industriellen
Automatisierungssystems, insbesondere als Teil einer digitalen Ausgabebaugruppe.
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Wird
parallel zum Schaltmittel einer Zenerdiode geschaltet, so kann eine
sich bei Schaltvorgängen
aufbauende Spannung über
der Last begrenzt werden und damit das Schaltmittel geschützt werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben
und erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung mit einer Eingangsschaltung zum Anschließen einer
Gleichspannungsquelle und mit einer Ausgangsschaltung zum Anschließen einer
induktiven Last,
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2 eine
Schaltungsanordnung bei bestimmungsgemäßem Anliegen der Gleichspannungsquelle,
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3 die
Schaltungsanordnung nach Trennung der Schaltungsanordnung von der
Gleichspannungsquelle,
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4 die
Schaltungsanordnung bei nicht bestimmungsgemäßem Anliegen der Gleichspannungsquelle
und
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5 den
Aufbau einer modularen Automatisierungssteuerung mit aneinandergereihten
Schaltungsanordnungen.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung 7 mit einer Eingangsschaltung 3 zum
Anschließen
einer Gleichspannungsquelle 5. Parallel zur Eingangsschaltung 3 ist
eine Serienschaltung aus einem Halbleiterventil 2 und einer
rückstellbaren
Sicherung 1 angeschlossen. Parallel zur Serienschaltung
und parallel zur Eingangsschaltung 3 ist eine Ausgangsschaltung 4 angeschlossen,
welche Anschlüsse 10, 11 zum
Anschließen
einer induktiven Last 6 aufweist. Selbstverständlich kann
die Last 6 fest mit der Ausgangsschaltung 4 verbunden
oder in diese integriert sein, muss also nicht von außen anschließbar sein. Das
Halbleiterventil 2 ist derart angeordnet, dass es bei bestimmungsgemäßem Anliegen
der Gleichspannungsquelle 5, d. h. gemäß 1 bei einer
Verbindung des Pluspols der Gleichspannungsquelle 5 mit
dem Anschluss 8 der Schaltungsanordnung 7 und dem
Minuspol der Gleichspannungsquelle 5 mit dem Anschluss 9 der
Schaltungsanordnung 7, in Sperrrichtung geschaltet ist.
Ist die Eingangsschaltung 3, wie im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 angedeutet,
im einfachsten Fall als direkte Verschaltung der Serienschaltung
mit den Polen der Gleichspannungsquelle 5 ausgeführt, so
liegt die volle Gleichspannung an der Serienschaltung an, ohne dass durch
die Elemente der Serienschaltung ein Strom fließen würde, da das Halbleiterventil 2 in
Sperrrichtung geschaltet ist, d. h. hochohmig ist und eine hohe Sperrspannung
aufweist und somit annähernd
keinen Strom leitet. Die rückstellbare
Sicherung 1 ist derart ausgelegt, dass sie mindestens den
Nennstrom der induktiven Last 6 leiten kann, ohne dabei auszulösen.
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Anhand
der 2 bis 4 soll im Folgenden die Funktion
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
an weiteren Ausführungsbeispielen genauer
erläutert
werden. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung
bei bestimmungsgemäßem Anliegen
der Gleichspannungsquelle 5. Der Pluspol der Spannungsquelle 5 liegt
am Anschluss 8, der Minuspol der Spannungsquelle 5 am
Anschluss 9 der Schaltungsanordnung an. Komponenten gleicher Funktion
sind in den Figuren jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das Halbleiterventil 2 gemäß 1 ist im
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 als
Diode 12 ausgeführt.
Beim in 2 dargestellten bestimmungsgemäßen Anliegen
der Gleichspannungsquelle 5 ist die Diode 12 in
Sperrrichtung angeordnet. Die Serienschaltung aus Diode 12 und rückstellbarer
Sicherung 1 ist parallel zur Gleichspannungsquelle 5 angeschlossen.
Mit dem Bezugszeichen 15 ist der Strompfad des Laststroms
durch die Last 6 bei bestimmungsgemäßem Betrieb der Schaltungsanordnung
an der Gleichspannungsquelle 5 angedeutet. Der Laststrom
fließt
vom Pluspol der Gleichspannungsquelle 5 über den
Anschluss 8, das Schaltmittel 13, die Last 6 und
den Anschluss 9 zum Minuspol der Gleichspannungsquelle 5.
Mit dem Schaltmittel 13 lässt sich dieser Stromkreis öffnen bzw.
schließen,
d. h. die Last 6 von der Gleichspannungsquelle 5 trennen
bzw. mit der Gleichspannungsquelle 5 verbinden. Typische
Ausführungsformen
von Schaltmitteln 13 sind steuerbare Halbleiterbauelemente,
z. B. Transistoren, MOSFET, etc. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 bis 4 enthält die Ausgangsschaltung 4 gemäß 1 jeweils
ein Schaltmittel 13 mit parallel geschalteter Zenerdiode 14 zum
Schalten der an den Anschlüssen 10 und 11 angeschlossenen
Last 6. Es können
mehrere Ausgangsschaltungen parallel geschaltet werden, wie in 2 bis 4 angedeutet.
Die Bauteile Schaltmittel 13 und Zenerdiode 14 sind
in der industriellen Automatisierungstechnik typische Be standteile
einer digitalen Ausgangsbaugruppe zur Ansteuerung einer Last 6.
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3 zeigt
die gleiche Schaltungsanordnung wie in 2, diesmal
jedoch von der Gleichspannungsquelle 5 getrennt. Die Schaltungsanordnung
wurde bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
bei anliegender Spannung, d. h. bei fließendem Laststrom durch die
Last 6 von der Gleichspannungsquelle 5 getrennt.
Trotz Trennung von der Gleichspannungsquelle 5 befindet
sich induktive Energie in der induktiven Last 6, welche
einen Laststrom 16 treibt. Dieser Laststrom 16 fließt nun über das
Schaltmittel 13, die Last 6, die rückstellbare
Sicherung 1 sowie die Diode 12, wird jedoch durch
die Fähigkeit
insbesondere der resistiven Anteile der Bauelemente im Strompfad
zur Umwandlung von induktiver Energie in Wärme innerhalb kurzer Zeit abgebaut.
Diese Reduktion des Stroms wird auch Löschung genannt. Die rückstellbare
Sicherung 1 ist so ausgelegt, dass sie, zumindest während der
Löschung
des Stroms 16, diesen Strom 16, welcher maximal
der Nennstrom durch die Last 6 ist, aufnehmen, d. h. leiten
kann, ohne dass die Sicherung auslöst. Die rückstellbare Sicherung 1 ist
zusätzlich
dafür ausgelegt,
den Löschungsvorgang
zu unterstützen,
indem sie den Umwandlungsprozess von induktiver Energie in Wärmeenergie
unterstützt.
Die Diode 12 wird auch als Freilaufdiode bezeichnet, da
sie dem von der Last 6 getriebenen Strom einen Weg bietet.
Ohne die Serienschaltung aus Diode 12 und rückstellbarer
Sicherung 1 könnte
die in der Last 6 gespeicherte induktive Energie zu Spannungsspitzen,
damit zu Funkenbildung und eventuell zur Zerstörung der Schaltungsanordnung
bzw. der Schaltungseinheit führen.
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Beim
Ziehen einer Baugruppe unter Spannung muss die Energie, die sich
in angeschlossenen induktiven Lasten 6 befindet, gelöscht werden,
da die Baugruppe sonst aufgrund von Überspannung zerstört werden
könnte.
Hierzu wird die Sicherung 1 so dimensioniert, dass sie
im Falle des Löschens
der induktiven Energie noch nicht auslöst, jedoch die Energie möglichst
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schnell "vernichtet". Die in Standard-Schaltungen
für digitale
Ausgangssignale bei Automatisierungsgeräten vorhandene Zenerdiode 14 begrenzt die
sich bei der Last 6 aufbauende Spannung und schützt somit
das Schaltmittel 13.
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4 zeigt
die Schaltungsanordnung bei nicht bestimmungsgemäßem Anschluss der Gleichspannungsquelle,
d. h. bei Verpolung der Gleichspannungsquelle 5. Ein verpolter
Anschluss der Gleichspannungsquelle 5 führt einerseits zu einem negativen
Laststrom durch die Last 6 über die Zenerdiode 14,
welcher betragsmäßig dem
Laststrom bei bestimmungsgemäßem Anschluss
der Gleichspannungsquelle 5 entspricht und andererseits
zu einem durch das Bezugszeichen 17 gekennzeichneten Strom über die
rückstellbare
Sicherung 1 und die Diode 12. Da bei verpoltem
Anschluss der Gleichspannungsquelle 5 die Diode 12 in
Durchlassrichtung geschaltet ist, würde die Gleichspannungsquelle 5 kurzgeschlossen,
wenn nicht die rückstellbare
Sicherung 1 auslösen
würde und
damit den Kurzschluss der Gleichspannungsquelle 5 verhindert
bzw. zumindest zeitlich begrenzt.
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Im
Falle der Verpolung der Versorgungsspannung wird die Diode 12 leitend
und die Sicherung 1 löst
durch den entstehenden Kurzschlussstrom aus und schützt gleichzeitig
die Diode 12. Eine rückstellbare
Sicherung 1 regeneriert sich nach dem Entfernen der Verpolung
wieder oder kann von einem Anwender ohne Austausch der Sicherung
zurückgestellt
werden, wodurch die Baugruppe weiterhin funktioniert. Der Strom
durch die Last 6 und die Zenerdiode 14 ist betragsmäßig so hoch
wie im Normalbetrieb (nur in umgekehrter Richtung: "Lasten ziehen an") und stellt somit
kein Problem dar.
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5 zeigt
mehrere als digitale Ausgabebaugruppen einer speicherprogrammierbaren
Steuerung innerhalb eines industriellen Automatisierungssystems
ausgeführte
Schaltungsanordnungen 22 bis 24, welche aneinandergereiht
an spannungsführende
Leiter 18 bzw. 19 angeschlossen sind. Dieser Aufbau entspricht
dem typischen Aufbau einer modularen Automatisierungssteuerung,
bei welcher Peripheriebaugruppen modular aneinandergereiht werden.
Die der Spannungsversorgung dienenden Leiter 18 bzw. 19 sowie
die Anschlüsse
zu den Baugruppen 22 bis 24 sind hier zusätzlich durch
Schmelzsicherungen 20, 21 abgesichert. Der Einsatz
jeweils einer Freilaufdiode zusammen mit einer rückstellbaren Sicherung bei
jeder Ausgabebaugruppe ermöglicht
das Löschen
induktiver Lasten und schützt
im Falle der Verpolung der Eingangsspannung die Baugruppen vor Zerstörung. Die
im aktiven Strompfad liegenden Sicherungen (in 5 die
Schmelzsicherungen 20, 21) müssten für große Ströme (Größenordnung 10 A) ausgelegt
werden. In der Regel gibt es hierfür keine realisierbare Lösung auf
Basis von rückstellbaren
Sicherungen. Bei Auslösen
der Schmelzsicherungen 20, 21 müsste somit
eine zerstörte
Sicherung getauscht werden. Durch Einsatz von rückstellbaren Sicherungen 1 wird
somit ein Kundennutzen erzielt, da nach einem versehentlichen Verpolen
die Sicherung(en) nicht getauscht werden müssen. Neben dem Verpolschutz
bietet die rückstellbare
Sicherung 1 in dieser Konfiguration die Funktion des Löschens von
gespeicherter induktiver Energie. Sie erfüllt somit eine Doppelfunktion.
Die Sicherung kann so dimensioniert werden, dass sie in der Funktion
des Löschens noch
nicht auslöst.
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Rückstellbare
Sicherungen können
zum einen durch einen Anwender rückstellbare
Sicherungen, z. B. sogenannten Sicherungsautomaten, sein, zum anderen
können
rückstellbare
Sicherungen als sogenannte selbstheilende Sicherungen ausgeführt sein.
Selbstheilende Sicherungen werden auch als selbstrückstellende
Sicherungen bezeichnet. Bauelemente mit positivem Temperaturkoeffizienten – eine Ausführungsform
selbstheilender Sicherungen – werden
als PTC-Elemente bezeichnet (PTC = Positive Temperature Coefficient).
Ihr Widerstand nimmt mit steigender Temperatur zu. Bei Erwärmung eines PTC-Elements,
z. B. verursacht durch den Anstieg der Stromstärke bei einem Kurzschluss,
steigt der Widerstand des PTC-Elements stark an, so dass die Stromstärke begrenzt
wird. Das PTC-Element wird da bei nicht zerstört. Sobald das PTC-Element
wieder abgekühlt
ist, weist es wieder einen niedrigen Widerstand auf. Ein PTC-Element kann somit
wie eine Schmelzsicherung als Kurzschlussschutz eingesetzt werden.
Im Unterschied zur Schmelzsicherung muss das PTC-Element jedoch
nicht ausgewechselt werden, wenn es angesprochen hat. PTC-Elemente
können
aus Polymer-Material oder Keramik hergestellt werden. Polymer-PTC-Elemente
(PPTC) haben in der Regel einen niedrigeren Übergangswiderstand als keramische
PTC-Elemente, sind mechanisch robuster und sprechen schneller an.
Außerdem
reagieren sie bei niedrigeren Temperaturen als keramische PTC-Elemente
(siehe Fachartikel Barry S. Brents, Auswahl des richtigen PTC, Elektronik
Informationen, Nr. 2-2003, Seite 48 f.). Eine Ausführungsform
von selbstheilenden Sicherungen sind sogenannte PPTC-Elemente (PPTC
= Polymeric Positive Temperature Coefficient).
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Zusammengefasst
betrifft die Erfindung somit eine Schaltungsanordnung 7 mit
einer Eingangsschaltung 3 zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle 5,
welche eine elektronische Schaltungseinheit mit der Schaltungsanordnung
sowohl bei Verpolung der Gleichspannung als auch bei Trennung der
Gleichspannung von der elektronischen Einheit unter Spannung schützt. Dazu
ist parallel zur Eingangsschaltung 3 eine Serienschaltung
aus einem Halbleiterventil 2 und einer rückstellbaren
Sicherung 1 angeordnet, wobei das Halbleiterventil 2 derart
angeordnet ist, dass es bei bestimmungsgemäßem Anliegen der Gleichspannungsquelle 5 in Sperrrichtung
geschaltet ist, wobei parallel zur Serienschaltung mindestens eine
Ausgangsschaltung 4 zum Anschließen jeweils einer induktiven
Last 6 vorgesehen ist, wobei die rückstellbare Sicherung 1 zur Leitung
mindestens des Nennstroms der induktiven Last 6 ohne Auslösung ausgelegt
ist.