DE19645903C2 - Elektrische Schutzschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzschaltung zum Schutz des Spannungsversorgungsanschlusses eines Transforma­ tors einer elektrischen Modellbahnanlage vor rücktransfor­ mierten Spannungen.

Die Erfindung betrifft außerdem einen Transformator zur Span­ nungsversorgung einer elektrischen Modellbahnanlage.

Ferner betrifft die Erfindung eine Sicherheitsvorrichtung zum Schutz vor von einem Transformator einer elektrischen Modell­ eisenbahn rücktransformierten Spannungen.

Beim Betrieb elektrischer Modellbahnanlagen, beispielsweise einer elektrischen Modelleisenbahnanlage, kommen üblicherwei­ se Transformatoren zum Einsatz, mit deren Hilfe eine elektri­ sche Versorgungsspannung von 230 V auf eine Betriebsspannung von beispielsweise 16 V transformiert wird. Bei umfangreiche­ ren Modellbahnanlagen mit einer Vielzahl von elektrischen Energieverbrauchern werden häufig mehrere Transformatoren verwendet. Werden beim Einsatz von mindestens zwei Transfor­ matoren deren Sekundärspulen parallel geschaltet, wobei der erste Transformator an eine die elektrische Versorgungsspan­ nung bereitstellende Spannungsversorgung angeschlossen, der zweite Transformator jedoch davon abgetrennt ist, so hat dies zur Folge, daß an dem für die elektrische Spannungsversorgung vorgesehenen Anschluß des zweiten Transformators 230 V anlie­ gen.

Diese Spannungsbeaufschlagung resultiert aus der im zweiten Transformator erfolgenden Rücktransformation der vom ersten Transformator zur Verfügung gestellten Betriebsspannung auf die hohe Versorgungsspannung. Beim Betrieb üblicher Transfor­ matoren ist deshalb ausdrücklich darauf zu achten, daß diese nicht irrtümlich beispielsweise über einen an beide Transfor­ matoren angeschlossenen Verbraucher parallel geschaltet wer­ den, da hiermit eine beträchtliche Verletzungsgefahr für den Betreiber verbunden ist.

Aus der DE 27 18 261 C2 ist eine Schaltungsanordnung zur Ver­ meidung von Rückspannungen bei über Transformatoren in Paral­ lelschaltung gespeisten Modellanlagen bekannt, bei der bei einer Unterbrechung der elektrischen Versorgungsspannung der Sekundärstromkreis des Transformators unterbrochen wird.

Aus der DE 30 49 705 A1 ist eine Schutzschaltung zum Schutz gegen Rückspannungen beim Zusammenschalten oder Trennen von zwei oder mehreren Transformatoren bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist.

Bei der aus der DE 30 49 705 A1 bekannten Schutzschaltung liegt die elektrische Versorgungsspannung direkt am Steuer­ eingang des Schaltelements an, so daß das Schaltelement für hohe Steuerspannungen ausgelegt sein muß, wenn die Schutz­ schaltung direkt am Stromversorgungsnetz betrieben werden soll. Dies macht relativ große und teure Schaltelemente er­ forderlich.

In dem Buch von U. Tietze und Ch. Schenk mit dem Titel "Halb­ leiterschaltungstechnik" (8. Auflage, Berlin, Springer-Verlag 1986) wird auf Seite 520 eine Spannungsbegrenzung beschrieben mittels einer Z-Diode, die in Reihe zu einem Ohmschen Widerstand geschaltet ist und an der eine Steuerspannung abgegrif­ fen werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Schutzschaltung derart auszubilden, daß sie aus kleinen, preiswerten Bauteilen aufgebaut sein und dennoch bei einer hohen Versorgungsspannung, beispielsweise der Netzspannung, betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzschaltung nach Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung verhindert bei parallel geschalteten Transformatoren zuverlässig eine unbeabsichtigte Spannungsbeaufschlagung des Spannungsversorgungsanschlusses der Transformatoren aufgrund einer Spannungsrücktransforma­ tion.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung kann zwischen den Trans­ formator und die elektrische Spannungsversorgung geschaltet werden, so daß es zum Abtrennen des Transformators von der elektrischen Spannungsversorgung lediglich erforderlich ist, den entsprechenden Anschluß der Schutzschaltung von der elek­ trischen Spannungsversorgung zu lösen, während die Verbindung zwischen Schutzschaltung und Transformator bestehen bleibt. Das Lösen des Anschlusses von der Spannungsversorgung hat für die Schutzschaltung eine Unterbrechung der elektrischen Ver­ sorgungsspannung zur Folge, und dies wiederum bewirkt, daß die elektrische Verbindung zwischen dem Anschluß an die Spannungsversorgung und dem Anschluß an den Transformator mittels des Schaltelements selbsttätig unterbrochen wird. Mit dem Ab­ trennen des entsprechenden Anschlusses der Schutzschaltung von der Spannungsversorgung wird somit auch die Verbindung zwischen diesem Anschluß und der Primärspule des Transforma­ tors unterbrochen. Ist letzterer mit einem zweiten Transfor­ mator parallel geschaltet, so wird aufgrund der erfindungsge­ mäßen Schutzschaltung eine Spannungsbeaufschlagung des An­ schlusses an die elektrische Spannungsversorgung aufgrund ei­ ner erfolgenden Spannungsrücktransformation durch die Unter­ brechung der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlüssen der Schutzschaltung zuverlässig verhindert.

Die Schutzschaltung umfaßt zum Schutz vor Induktionsspan­ nungsspitzen der Primärspule des Transformators einen paral­ lel zur Primärspule anschließbaren spannungsabhängigen Wider­ stand. Wird die Spannungsversorgung des Transformators unter­ brochen, indem der entsprechende Anschluß der Schutzschaltung von der elektrischen Spannungsversorgung abgetrennt wird, so hat dies eine relativ hohe Induktionsspannung zur Folge, mit der die Schutzschaltung beaufschlagt wird. Um bei sehr hohen Spannungsspitzen eine Zerstörung der Schutzschaltung zu ver­ hindern, ist der spannungsabhängige Widerstand parallel an die Primärspule des Transformators anschließbar. Bei sehr ho­ hen Spannungsspitzen verringert der spannungsabhängige Wider­ stand drastisch seinen Widerstandswert, so daß die Primärspu­ le praktisch kurzgeschlossen wird. Eine Zerstörung der Schutzschaltung aufgrund sehr hoher Induktionsspannungen wird damit verhindert.

Als Schaltelement kann beispielsweise ein elektromechanisches Relais zum Einsatz kommen. Aufgrund der damit verbundenen re­ lativ langen Schaltzeiten ist allerdings nicht in allen Fällen zuverlässig gewährleistet, daß bei Unterbrechung der elektrischen Versorgungsspannung die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen der erfindungsgemäßen Schutzschal­ tung unterbrochen wird. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn das Schaltelement ein elektronisches oder optoelektronisches Bau­ element umfaßt, da diese Bauelemente geringere Schaltzeiten aufweisen.

Besonders günstig ist es, wenn das Schaltelement ein Halblei­ terbauelement aufweist.

Bei einer besonders zuverlässig betreibbaren und kostengün­ stig herstellbaren Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Schaltelement einen TRIAC (Triode-Alternating-Current switch, Wechselstrom-Schaltdiode) umfaßt. Ein TRIAC läßt sich mittels einer Steuerspannung auf einfache Weise steuern, wodurch in kostengünstiger Weise der Stromfluß zwischen den Anschlüssen der erfindungsgemäßen Schutzschaltung geschaltet werden kann. Liegt keine Steuerspannung an, so hat dies zur Folge, daß der Stromfluß zwischen den Anschlüssen zuverlässig verhindert wird, während bei Vorliegen einer entsprechenden Steuerspan­ nung der TRIAC durchschaltet, so daß eine elektrische Verbin­ dung zwischen den Anschlüssen der Schutzschaltung besteht.

Das Spannungsbegrenzungsglied kann beispielsweise zwei in Reihe geschaltete und entgegengesetzt zueinander gepolte Ze­ ner-Dioden umfassen. Die an den Zener-Dioden abfallende Span­ nung kann zur Steuerung des Schaltelements verwendet werden, wobei die Zener-Dioden sicherstellen, daß die Steuerspannung auf einen das Schaltelement nicht zerstörenden Spannungswert begrenzt wird, denn bei Überschreiten der entsprechenden Ze­ ner-Spannung schalten die Zener-Dioden durch und es erfolgt nur noch ein relativ geringer Spannungsabfall.

Die Schutzschaltung kann grundsätzlich in ein vom Transforma­ tor getrenntes Gehäuse integriert sein und eine separate Si­ cherheitsvorrichtung ausbilden. In diesem Fall ist es gün­ stig, wenn die Schutzschaltung zum Anschluß an die Steckdose einer elektrischen Spannungsversorgung ein Versorgungskabel mit einem Stecker aufweist sowie eine in das Gehäuse inte­ grierte Steckdose zum Anschluß des Netzsteckers des Transfor­ mators. Soll der Transformator von der elektrischen Span­ nungsversorgung getrennt werden, so ist es hierzu lediglich erforderlich, den Stecker der eigenständig ausgebildeten Si­ cherheitsvorrichtung aus der Steckdose der Spannungsversor­ gung zu ziehen.

Soll eine dauerhafte Verbindung der elektrischen Schutzschal­ tung mit dem Transformator erzielt werden, so ist es von Vor­ teil, wenn die Schutzschaltung in den Transformator inte­ griert ist, d. h. wenn der Transformator zur Spannungsversor­ gung einer elektrischen Modellbahn eine entsprechende Schutz­ schaltung umfaßt. Dadurch wird insbesondere verhindert, daß der Betreiber der Modellbahn irrtümlich die Verbindung zwi­ schen der Schutzschaltung und der Primärspule des Transformators löst anstatt die Verbindung zwischen der Schutzschaltung und der elektrischen Spannungsversorgung.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Schutzschaltung dient im Zusammen­ hang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zweier vorbekannter, par­ allel geschalteter Transformatoren und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung.

In Fig. 1 sind in schematischer Darstellung zwei mit den Be­ zugsziffern 10 bzw. 12 belegte übliche Transformatoren zur Spannungsversorgung einer aus der Zeichnung nicht ersichtli­ chen Modelleisenbahn dargestellt. Hierbei kann es sich sowohl um Stelltransformatoren als auch um Festspannungstransforma­ toren handeln. Die Transformatoren 10 und 12 weisen jeweils ein Anschlußkabel 14 bzw. 16 auf, an deren freiem Ende ein Netzstecker 18 bzw. 20 angeordnet ist. Der Netzstecker 20 des Transformators 12 ist in eine Steckdose einer mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen Spannungsver­ sorgung verbundenen Steckdosenleiste 22 eingesteckt, während der Netzstecker 18 des Transformators 10 von der Steckdosen­ leiste 22 getrennt ist.

Die Transformatoren 10 und 12 weisen ausgangsseitig jeweils zwei mit 0 bezeichnete Augänge sowie jeweils einen Ausgang L und einen Ausgang B auf, wobei die Ausgänge L und B sowie ei­ ner der mit 0 bezeichneten Ausgänge über Verbindungskabel 24, 25 bzw. 26 miteinander verbunden sind, d. h. die aus dem Stand der Technik bekannten Transformatoren 10 und 12 sind parallel geschaltet. Eine derartige, in aller Regel unbeabsichtigte Parallelschaltung kann sich beispielsweise dadurch ergeben, daß die Ausgänge der beiden Transformatoren 10 und 12 irrtüm­ lich an denselben elektrischen Energieverbraucher angeschlos­ sen sind. Die Gefahr einer solchen Parallelschaltung besteht insbesondere bei umfangreicheren elektrischen Modellbahnanla­ gen mit einer Vielzahl von Energieverbrauchern und mehreren Transformatoren.

Über die Steckdosenleiste 22, den Netzstecker 20 und das An­ schlußkabel 16 wird dem Transformator 12 eine elektrische Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt, so daß an den Ausgängen des Transformators 12 die für den Betrieb der in der Zeichnung nicht dargestellten Modelleisenbahn erforderli­ che Betriebsspannung anliegt. Da die Ausgänge L, 0 und B des Transformators 10 beispielsweise über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Energieverbraucher mit den korrespondie­ renden Ausgängen des Transformators 12 elektrisch verbunden sind, erfolgt im Transformator 10 eine Rücktransformation der Betriebsspannung auf die vergleichsweise hohe Netzspannung, die von der Steckdosenleiste 22 dem Transformator 12 zur Verfügung ge­ stellt wird. Die Parallelschaltung der aus dem Stand der Technik bekannten Transformatoren 10 und 12 hat somit zur Folge, daß an dem Netzstecker 18 des Transformators 10 die hohe Netzspannung anliegt. Dies ist in Fig. 1 durch das Blitzsymbol dargestellt.

Um eine derartige unbeabsichtigte Spannungsbeaufschlagung des nicht mit der Steckdosenleiste 22 verbundenen Netzsteckers 18 zu verhindern, wird die in Fig. 2 insgesamt mit dem Bezugs­ zeichen 30 belegte Schutzschaltung vorgeschlagen. Diese um­ faßt zum Anschluß an die Steckdosenleiste 22 eingangsseitig zwei Anschlüsse 32 und 33 und zum Anschluß an die Primärspule eines Transformators ausgangsseitig zwei Anschlüsse 34 und 35, die über Verbindungsleitungen 36 und 37 mit den Anschlüs­ sen 32 bzw. 33 elektrisch in Verbindung stehen. Die Anschlüs­ se 32 und 33 sind über einen Spannungsteiler miteinander ver­ bunden, der einen ohmschen Widerstand 38 sowie zwei in Reihe geschaltete und entgegengesetzt zueinander gepolte Zener- Dioden 39 und 40 umfaßt. Der an den Zener-Dioden 39 und 40 erfolgende Spannungsabfall wird von einer Steuerleitung 42 abgegriffen, die eine Verbindung herstellt zwischen einem zwischen dem ohmschen Widerstand 38 und der Zenerdiode 39 ge­ legenen Anschlußknoten 41 und der Steuerelektrode eines in die Verbindungsleitung 36 geschalteten TRIACS 43. Um den in der Steuerleitung 42 fließenden Steuerstrom zu begrenzen, ist in die Steuerleitung in weiterer ohmscher Widerstand 44 ge­ schaltet.

Die Schutzschaltung 30 weist außerdem einen zwischen die Ver­ bindungsleitungen 36 und 37 geschalteten, die Anschlüsse 34 und 35 miteinander verbindenden spannungsabhängigen Wider­ stand 45 auf.

Die Schutzschaltung 30 kann in ein in der Zeichnung nicht dargestelltes eigenständiges Gehäuse eingebaut sein, beson­ ders vorteilhaft ist es allerdings, wenn sie jeweils in die Gehäuse der in Fig. 1 dargestellten Transformatoren 10 und 12 integriert ist.

Beim Betrieb der beispielsweise in das Gehäuse des Transfor­ mators 10 integrierten Schutzschaltung 30 werden die An­ schlüsse 32 und 33 mit Hilfe des Anschlußkabels 14 an eine elektrische Spannungsversorgung angeschlossen. Die Anschlüsse 34 und 35 werden mit der Primärspule des Transformators 10 elektrisch verbunden. Durch die Verbindungsleitungen 36 und 37 wird somit eine elektrische Verbindung zwischen der elek­ trischen Spannungsversorgung und der Primärspule des Trans­ formators hergestellt. Liegt an den Anschlüssen 32 und 33 die elektrische Versorgungsspannung an, so wird die Steuerelek­ trode des TRIACS 43 mit dem an den Zener-Dioden 39 und 40 er­ folgenden Spannungsabfall beaufschlagt, so daß der TRIAC 43 durchschaltet und damit der Anschluß 34 mit dem Anschluß 32 elektrisch verbunden ist. Wird die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen 32 und 33 und der elektrischen Span­ nungsversorgung durch Ziehen der Netzstecker 18 unterbrochen, so fällt an den Zener-Dioden 39 und 40 keine Spannung mehr ab. Dies hat zur Folge, daß der TRIAC 43 nach dem Ziehen des Netzsteckers 18 ab dem nächsten Nulldurchgang der sinusförmi­ gen Netzspannung die Verbindung zwischen den Anschlüssen 32 und 34 unterbricht, da der TRIAC 43 nach diesem Nulldurchgang erneut eine Zündspannung benötigt, um aus seinem gesperrten Zustand in seinen geöffneten Zustand überzugehen und die Ver­ bindung zwischen den Anschlüssen 32 und 34 freizugeben. Die erforderliche Zündspannung bleibt jedoch nach dem Ziehen des Netzsteckers 18 mangels Stromflusses durch die Dioden 39 und 40 aus. Ist der Transformator 12 - wie in Fig. 1 dargestellt - an die Spannungsversorgung angeschlossen, so hat dies somit bei parallelgeschalteten Transformatoren 10 und 12 zwar zur Folge, daß an den Anschlüssen 34 und 35 aufgrund der Span­ nungsrücktransformation im Transformator 10 die hohe Netz­ spannung anliegt, diese wird jedoch aufgrund des nunmehr ge­ sperrten TRIACS 43 nicht an die Anschlüsse 32 und 33 weiter­ gegeben. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß bei paral­ lelgeschalteten Transformatoren das Ziehen des Netzsteckers einer der Transformatoren gewährleistet, daß an diesem gezo­ genenen Netzstecker auch keine rücktransformierte Spannung mehr anliegt.

Wird die Schutzschaltung 30 von der elektrischen Spannungs­ versorgung abgetrennt, so hat dies außerdem zur Folge, daß in der mit den Anschlüssen 34 und 35 verbundenen Primärspule des Transformators 10 eine Spannung induziert wird, mit der die Schutzschaltung 30 beaufschlagt wird. Zum Schutz vor sehr ho­ hen Induktionsspannungsspitzen ist der spannungsabhängige Wi­ derstand 45 vorgesehen, der bei hohen Spannungswerten seinen Widerstandswert drastisch reduziert und damit die Primärspule praktisch kurz schließt.

Claims (8)

1. Elektrische Schutzschaltung zum Schutz des Spannungsver­ sorgungsanschlusses eines Transformators einer elektri­ schen Modellbahnanlage vor rücktransformierten Spannungen, umfassend elektrisch miteinander verbundene Anschlüsse (32, 34) zum Anschluß der elektrischen Spannungsversorgung einerseits und der Primärspule des Transformators anderer­ seits sowie ein bei Unterbrechung der elektrischen Versor­ gungsspannung die elektrische Verbindung (36) zwischen den Anschlüssen (32, 34) selbsttätig unterbrechendes Schalt­ element (43), das mittels einer Steuerspannung steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung (30) einen mit der elektrischen Spannungsversorgung verbind­ baren Spannungsteiler (38, 39, 40) umfaßt, an dem die Steuerspannung zur Steuerung des Schaltelements (43) abge­ griffen wird und der zur Begrenzung der Steuerspannung ein Spannungsbegrenzungsglied (39, 40) aufweist, und daß die Schutzschaltung (30) zum Schutz vor Induktionsspannungs­ spitzen der Primärspule des Transformators einen parallel zur Primärspule des Transformators anschließbaren span­ nungsabhängigen Widerstand (45) umfaßt.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement ein elektronisches oder optoelektro­ nisches Bauelement (43) umfaßt.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement ein Halbleiterbauelement (43) auf­ weist.

4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement einen TRIAC (Triode- Alternating-Current switch, Wechselstrom-Schaltdiode, 43) umfaßt.

5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsbegrenzungsglied zwei in Reihe geschaltete und entgegengesetzt zueinander gepolte Zener-Dioden (39, 40) umfaßt.

6. Transformator zur Spannungsversorgung einer elektrischen Modellbahnanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Trans­ formator eine Schutzschaltung nach einem der voranstehen­ den Ansprüche umfaßt.

7. Sicherheitsvorrichtung zum Schutz vor von einem Transfor­ mator einer elektrischen Modelleisenbahn rücktransformier­ ten Spannungen, umfassend ein von dem Transformator ge­ trenntes Gehäuse und eine in dem Gehäuse integrierte Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

8. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung ein Versorgungs­ kabel mit einem Stecker zum Anschluß an eine Steckdose ei­ ner elektrischen Spannungsversorgung sowie eine in das Ge­ häuse integrierte Steckdose zum Anschluß des Netzsteckers des Transformators umfaßt.