DE19758332A1 - Überstromschutzschaltung für einen elektrischen Verbraucher, insbesondere für einen Sicherheitsrelaisbaustein - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich einerseits auf eine Überstromschutzschaltung für einen elek­ trischen Verbraucher, insbesondere Sicherheitsrelaisbaustein mit Autostarterfunktion, der über ein strombegrenzendes Element wie PTC-Widerstand an Betriebsspannung liegt und anderer­ seits auf ein Verfahren zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers vor Wiederanlauf nach Aufhebung eines Kurzschlußstromes in dem Verbraucher.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, elektrische Verbraucher wie Sicherheitsrelaisbaustei­ ne zum Absichern von Maschinen gegen gefahrbringende Bewegungen, durch Vorsicherun­ gen und/oder bausteininterne Sicherungen gegen Überströme abzusichern. Vorsicherungen werden dabei in der Regel zur Absicherung von mehreren Bausteinen verwendet und haben im Vergleich zu internen Sicherungen eine träge Auslösecharakteristik, was zur Folge hat, daß in einem Fehlerfall die interne Sicherung ausgelöst wird und diese anschließend ausge­ tauscht werden muß.

Die interne Sicherung, bei der es sich im Allgemeinen um eine Einwegsicherung wie Glaskolbensicherung handelt, wird insbesondere durch Lade-Entladevorgänge vorgeschädigt, da kurze Überströme, zum Beispiel 3 × I_Nenn für 10 ms, die Sicherung stark belasten, so daß deren Lebenserwartung deutlich sinkt.

Ein Austausch der internen Sicherung ist für den Anwender oft mit einem großen Aufwand verbunden, da es aufgrund der Vielzahl von Sicherungstypen (Träge, Mittelträge, Fast, Ultra- Fast, Sicherungen mit und ohne Ul-Zulassung) notwendig ist, den richtigen Sicherungstyp immer vorrätig zu halten. Um die geforderten Sicherheitskriterien einhalten zu können, müssen Sicherungen gleichen Typs eingesetzt werden. Dies ist jedoch nicht immer gewähr­ leistet, denn durch Standzeiten einer Maschine können hohe Verluste entstehen, so daß - um diesem Verlust zu entgehen - auch auf Sicherungstypen zurückgegriffen wird, die den Sicherheitsanforderungen nicht gerecht werden. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dann, wenn die interne Sicherung des Bausteins nicht von außen zugänglich ist und der Baustein geöffnet oder zur Reparatur eingeschickt werden muß.

Zur Lösung des Problems sind bereits elektronische Sicherungen bekannt. Diese sind im Allgemeinen als PTC-Widerstände ausgebildet, deren Widerstandswert sich mit steigender Temperatur erhöht. Durch den durch sie fließenden Strom wird der Widerstand erwärmt, woraufhin sich der Widerstandswert des PTC-Widerstandes erhöht. Das bedeutet, daß im Falle eines Kurzschlusses der Strom begrenzt wird, indem die elektronische Sicherung aufgrund ihrer Eigenerwärmung hochohmig wird. Nach Beseitigung des Kurzschlusses verringert sich der Strom durch die elektronische Sicherung, wodurch der Widerstandswert niederohmig wird.

Bei Verwendung einer solchen elektronischen Sicherung im Zusammenhang mit einem Sicherheitsrelaisbaustein mit Autostartfunktion können schwerwiegende Folgen auftreten. Der Sicherheitsrelaisbaustein ist im Allgemeinen in den Sicherheitskreis einer Maschine einge­ schleift und überwacht die Funktion eines Sicherheitselementes wie Not-Aus-Tasters. Bei der Funktion Autostart erfolgt eine Freigabe zum Beispiel einer Motoransteuerung bei Zuschal­ tung der Netzspannung unter der Voraussetzung, daß die Not-Aus-Taster nicht betätigt sind. Tritt innerhalb des Sicherheitsrelaisbausteins ein interner Fehler auf, wird die elektronische Sicherung ausgelöst, so daß die von dem Relaisbaustein angesteuerte Motoransteuerung abgeschaltet wird.

Die Gefahr dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß einem Bediener aufgrund der nicht betätigten Not-Aus-Taster bzw. anderer Sicherheitsschalter suggeriert wird, den Grund für das Ausschalten bei dem Antrieb selbst bzw. der Motorsteuerung selbst zu suchen.

Wird zum Beispiel durch Vibration der Kurzschluß in dem Sicherheitsrelaisbaustein aufge­ hoben, schaltet der Sicherheitsrelaisbaustein die Motorfreigabe ein, was unter Umständen zu einer Gefahr für den Bediener ausarten kann, wenn sich dieser gerade im Aktionsbereich der Maschine befindet.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, eine Überstrom­ schutzschaltung der zuvor genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein automatisches Wiedereinschalten eines elektrischen Verbrauchers nach Aufheben eines Kurzschlusses in dem elektrischen Verbraucher ausgeschlossen ist.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem strombegrenzenden Element zur Erfassung einer einem Strom durch das strombegrenzende Element proportionalen Größe ein Sensorelement zugeordnet ist, und daß die Überstromschutzschaltung ein von dem Sensorelement aussteuerbares Schaltelement aufweist, das über das strombegrenzende Element an Betriebsspannung liegt und den Stromfluß durch das strombegrenzende Element bis zum Abschalten der Betriebsspannung aufrechterhält.

Durch das Sensorelement wird eine erhöhte Stromaufnahme des elektrischen Verbrauchers erfaßt, woraufhin das Schaltelement in den leitenden Zustand geschaltet wird. Durch das Schaltelement wird bewußt ein Kurzschluß erzeugt, so daß der angeschlossene elektrische Verbraucher nicht mehr an Betriebsspannung liegt. Selbst wenn zu diesem Zeitpunkt der den Kurzschluß im elektrischen Verbraucher verursachende Fehler behoben wird, erfolgt kein Wiederanlauf, da der elektrische Verbraucher nicht mit Betriebsspannung versorgt wird.

Erst durch Abschalten der Betriebsspannung kann der durch das Schaltelement verursachte Kurzschluß aufgehoben werden. Durch das Abschalten der Betriebsspannung wird der Stromfluß durch das strombegrenzende Element unterbrochen, woraufhin über das Sensor­ element das Schaltelement in den nicht leitenden Zustand geschaltet wird. Nach Wiederein­ schalten der Betriebsspannung kann auch der elektrische Verbraucher über das strombegren­ zende Element mit Betriebsspannung versorgt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Überstromschutzschaltung einen Opto-Transistor aufweist, wobei das Sensorelement eine Leuchtdiodenstrecke des Opto- Transistors ist und parallel zu dem strombegrenzenden Element liegt und wobei das elek­ trische Schaltelement als Kollektor-Emitter-Strecke des Opto-Transistors ausgebildet ist und parallel zu Betriebsspannungseingängen des elektrischen Verbrauchers liegt.

Die Verwendung eines Opto-Transistors erlaubt einen sicheren, einfachen und kostengün­ stigen Schaltungsaufbau. Überschreitet die an dem strombegrenzenden Element abfallende Spannung einen bestimmten Wert, wird die Leuchtdiode leitend geschaltet und die Kollektor- Emitter-Strecke angesteuert. Der Strom fließt über die Kollektor-Emitter-Strecke durch das strombegrenzende Element, was mit einer Art "Selbsthalteschaltung" zu vergleichen ist.

Vorzugsweise ist das strombegrenzende Element als PTC-Widerstand ausgebildet. Dieses Bauelement hat die besondere Eigenschaft, daß sein Widerstandswert mit zunehmender Erwärmung aufgrund des Stromflusses steigt. Die über dem PTC-Widerstand abfallende Spannung kann zur Ansteuerung des Sensorelementes verwendet werden.

Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers vor Wiederanlauf nach Aufhebung eines Kurzschlusses in dem selben. Dazu ist vorgesehen, daß eine dem Kurzschlußstrom proportionale Größe erfaßt wird und bei Erreichen eines Grenzwertes ein Kurzschluß erzeugt wird, dessen Kurzschlußstrom über das strombegrenzende Element fließt, wodurch die Stromversorgung zu dem elektrischen Verbraucher unterbrochen wird.

Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß nach Behebung des Kurz­ schlusses im elektrischen Verbraucher dieser nicht sofort an Betriebsspannung liegt. Um den elektrischen Verbraucher mit Betriebsspannung zu versorgen, muß zuvor der bewußt ausgelöste Kurzschluß behoben werden. Dies kann nur durch Abschalten der Betriebs­ spannung geschehen. Bei dem anschließenden Wiedereinschalten der Betriebsspannung und Beseitigung der ursprünglichen Kurzschlußursache wird der elektrische Verbraucher eben­ falls an Betriebsspannung gelegt und ist betriebsbereit.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungsbeispiels.

Die einzige Figur zeigt eine Überstromschutzschaltung 10 für einen elektrischen Verbraucher 12, der in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Sicherheitsrelaisbaustein mit Autostart-Funktion zur Freigabe einer Motoransteuerung ist. Der elektrische Verbraucher 12 ist mit einem ersten Betriebsspannungsanschluß 14 über ein strombegrenzendes Element 16 mit einem positiven Pol U_B+ der Betriebsspannungsquelle verbunden. Ein weiterer Betriebs­ spannungsanschluß 18 des elektrischen Verbrauchers 12 ist über eine Verbindungsleitung mit einem negativen Pol U_B- der Betriebsspannungsquelle verbunden. Parallel zu dem strombe­ grenzenden Element 16 ist ein Sensorelement 20 angeordnet, das in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als Leuchtdiodenstrecke eines Opto-Transistors 22 ausgebildet ist. Die Leuchtdiode 20 ist anodenseitig mit dem positiven Pol U_B+ der Betriebsspannungsquelle verbunden.

Parallel zu den Betriebsspannungseingängen 14, 18 des elektrischen Verbrauchers 12 ist ein Schaltelement 24 geschaltet, das in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Kollektor- Emitter-Strecke 24 des Opto-Transistors 22 ausgebildet ist.

Ein von dem elektrischen Verbraucher 12 aufgenommener Strom I verursacht in dem als PTC-Widerstand ausgebildeten strombegrenzenden Element 16 einen bestimmten Spannungs­ abfall, der von der Leuchtdiode 20 erfaßt wird. Steigt der von dem elektrischen Verbraucher 12 aufgenommene Strom I in einem Fehlerfall an, so hat dies zur Folge, daß die über dem strombegrenzenden Element 16 abfallende Spannung ansteigt. Durch den Anstieg der Spannung über dem strombegrenzenden Element 16 wird die dazu parallel geschaltete Leuchtdiode 20 in Durchlaßrichtung bestromt, was zur Folge hat, daß die Kollektor-Emitter- Strecke 24 des Opto-Transistors 22 leitend geschaltet wird. Dadurch wird eine niederohmige Verbindung zwischen den Betriebsspannungsanschlüssen 14, 18 bzw. zwischen den Polen der Betriebsspannungsquelle U_B+, U_B- hergestellt, was zu einem beabsichtigten Kurzschluß führt. Mit anderen Worten wird die Kollektor-Emitter-Strecke 24 über die Leuchtdiode 20 in Selbsthaltung geschaltet, wodurch der Stromfluß über das strombegrenzende Element 16 und die Kollektor-Emitter-Strecke 24 aufrechterhalten bleibt.

Der Kurzschluß kann nur durch Abschalten der Betriebsspannung U_B aufgehoben werden, da das strombegrenzende Element 16 in Richtung des elektrischen Verbrauchers 12 einen Kurzschluß detektiert, selbst wenn ein Kurzschluß in dem elektrischen Verbraucher 12 aufgehoben wird.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird gewährleistet, daß nach Beheben des den Kurzschluß in dem elektrischen Verbraucher verursachenden Fehlers dieser elektrische Verbraucher 12 nicht sofort mit Betriebsspannung U_B versorgt wird. Insbesondere bei automatisch aufstartenden bzw. anlaufenden Einrichtungen wie Sicherheitsrelaisbausteinen oder ähnlichen Einrichtungen werden dadurch folgenschwere Gefahrensituationen vermieden. Bei der beschriebenen Schaltungsanordnung muß nach Auftreten eines Kurzschlusses zunächst die Betriebsspannung insgesamt abgeschaltet werden, so daß der Kurzschlußstrom­ fluß über das strombegrenzende Element 16 und das Schaltelement 24 unterbrochen wird. Dadurch wird das Schaltelement in den nicht leitenden Zustand geschaltet, so daß erst bei erneutem Wiedereinschalten der Betriebsspannung auch der elektrische Verbraucher 12 wieder mit Betriebsspannung U_B versorgt wird.

Claims (5)

1. Überstromschutzschaltung (10) für einen elektrischen Verbraucher (12), insbesondere Sicherheitsrelaisbaustein mit Autostart-Funktion, der über ein strombegrenzendes Element (16) wie PTC-Widerstand an Betriebsspannung (U_B) liegt, dadurch gekennzeichnet daß dem strombegrenzenden Element (16) zur Erfassung einer einem Strom durch das strombegrenzende Element (16) proportionalen Größe ein Sensorelement (20) zu­ geordnet ist und daß die Überstromschutzschaltung (10) ein von dem Sensorelement (20) ansteuerbares Schaltelement (24) aufweist, das über das strombegrenzende Ele­ ment (16) an Betriebsspannung (U_B) liegt und den Stromfluß durch das strombe­ grenzende Element bis zum Abschalten der Betriebsspannung (40) aufrechterhält.

2. Überstromschutzschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überstromschutzschaltung einen Opto-Transistor (22) aufweist, wobei das Sensorelement (20) eine Leuchtdiodenstrecke des Opto-Transistors (22) ist und parallel zu dem strombegrenzenden Element liegt und wobei das elektrische Schalt­ element (24) als Kollektor-Emitter-Strecke des Opto-Transistors (22) ausgebildet ist und parallel zu Betriebsspannungseingängen (14, 18) des elektrischen Verbrauchers (12) liegt.

3. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strombegrenzende Element (16) ein PTC-Widerstand ist.

4. Überstromschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strombegrenzende Element (16) und die Kollektor-Emitter-Strecke (24) des Opto-Transistors (22) im durchgeschalteten Zustand in Reihe an den Polen U_B+, U_B- der Betriebsspannung liegt.

5. Verfahren zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers (12) vor Wiederanlauf nach Aufhebung eines Kurzschlußstromes in demselben, dadurch gekennzeichnet, daß eine einem ersten Kurzschlußstrom proportionale Größe erfaßt wird und bei Erreichen eines Grenzwertes ein zweiter Kurzschluß erzeugt wird, dessen Kurz­ schlußstrom aufrechterhalten wird, wodurch die Stromversorgung zu dem elektrischen Verbraucher unterbrochen wird.