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Hintergrund
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In vielen Bereichen der Elektrotechnik besteht Bedarf nach Schutzschaltern, die einen oder mehrere nachfolgende Verbraucher/Anlage vor Überströmen schützen.
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Dafür wurden in der Vergangenheit unterschiedlichste Schutzschalter entwickelt.
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Beispielsweise ist aus der
DE 20 2016 102 848 U1 ein einkanaliger Schutzschalter für einen Verbraucher mit zwei Halbleiterschaltern bekannt.
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Beispielsweise werden von der Anmelderin ein und mehrkanalige elektronische Geräteschutzschalter entwickelt und vertrieben. Ein Beispiel für einen mehrkanaligen elektronischen Geräteschutzschalter ist z.B. der Typ CBM E4 24DC/0.5-10A.
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Je nach Verwendungszweck ist es dabei erforderlich passend auf den gewünschten Nennstrom einen Geräteschutzschalter auszuwählen und zu installieren.
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Es zeigt sich jedoch häufig, dass in größeren elektrischen Anlagen unterschiedliche Geräteschutzschalter benötigt werden. Die Herstellung unterschiedlicher Geräteschutzschalter ist insgesamt kostenträchtig. Zudem ist es bei der Montage unerlässlich den richtigen Geräteschutzschalter eizubauen. Insbesondere, wenn eine Vielzahl von Geräteschutzschaltern zum Einsatz kommt, stiegt die Gefahr einer fehlerhaften Einrichtung. Dies kann zum einen dazu führen, dass eine Anlage stillsteht, weil der Geräteschutzschalter für einen zu geringen Nennstrom ausgelegt ist, zum anderen kann es aber auch dazu führen, dass die Anlage nur unzureichend abgesichert ist, sodass die Schutzfunktion nur eingeschränkt oder gar nicht vorhanden ist.
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Mehrkanaligen Geräteschutzschaltern unterscheiden sich von den einkanaligen Geräteschutzschaltern dadurch, dass mehrere voneinander unabhängige gleichartige Geräteschutzschalter in einem Gerät vereint werden.
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Aufgabenstellung
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Es wäre wünschenswert Anwender in die Lage zu versetzen kostengünstig Geräteschutzschalter für eine Vielzahl von Verbrauchern bereitzustellen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels eines flexiblen Schutzschalters gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und in den Figuren angegeben.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 einen beispielhaften erfindungsgemäßen Schutzschalter gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einer ersten Konfiguration, und
- 2 einen beispielhaften erfindungsgemäßen Schutzschalter gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einer zweiten Konfiguration.
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Ausführliche Beschreibung
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender (unter Bezugnahme auf die Figuren) dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
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Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
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Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.
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Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten, zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.
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„Benachbart“ schließt im Nachfolgenden explizit eine unmittelbare Nachbarschaftsbeziehung ein ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. „Zwischen“ schließt im Nachfolgenden explizit eine Lage ein, in der das zwischenliegende Teil eine unmittelbare Nachbarschaft zu den umgebenden Teilen aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung in Bezug auf einen zweikanaligen Schutzschalter 1 beschreiben werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf zwei Kanäle beschränkt, sondern kann auch mit drei oder mehr Kanälen in gleicher Weise realisiert sein. Für das Verständnis der Erfindung reicht es jedoch die Erfindung lediglich in Bezug auf zwei Kanäle zu beschreiben.
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Ein erfindungsgemäßer flexibler Schutzschalter 1 weist zumindest zwei Halbleiterschalter S1, S2 auf. Weiterhin weist der flexible Schutzschalter 1 zumindest einen Eingang IN und zumindest zwei Ausgänge OUT1, OUT2 auf.
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Jeder der zumindest zwei Halbleiterschalter S1, S2 kann jeweils einen bestimmten Strom 11, 12 tragen. Die Halbleiterschalter S1 und S2 können gleichartig oder aber unterschiedlich ausgestaltet sein. Dementsprechend können die auch die bestimmten Ströme 11 bzw. 12, die ein Halbleiterschalter S1 bzw. S2 tragen kann, auch gleich oder unterschiedlich sein.
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Nunmehr kann jeder der Halbleiterschalter S1, S2 individuell in Bezug auf den durchfließenden Strom 11, 12 überwacht werden.
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Dabei ist der erste Ausgang OUT1 dem ersten Halbleiterschalter S1 zugeordnet. Weiterhin weist der flexible Schutzschalter 1 eine Auswahleinrichtung T1 auf. Durch Auswahl mittels der Auswahleinrichtung T1 kann am flexiblen Schutzschalter 1 ausgewählt werden, ob der Strom 12 durch einen zweiten Halbleiterschalter S2 dem zweiten Ausgang OUT2 oder dem ersten Ausgang OUT1 zugeordnet ist.
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D.h. beide Kanäle können wie in 1 getrennt voneinander im klassischen Zweikanalbetrieb angesteuert werden, wobei ein erster der Kanäle einen eigenen Halbleiterschalter S1 und ein zweiter der Kanäle einen eigenen Halbleiterschalter S2 besitzt. In diesem Fall kann auch vorgesehen sein, dass die an dem jeweiligen Kanal zur Verfügung gestellte Spannung unterschiedlich sind. Ebenso kann der Nennstrom der am jeweiligen Kanal zur Verfügung gestellt wird unterschiedlich gewählt sein.
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Es ist jedoch durch Auswahl mittels der Auswahleinrichtung T1 auch möglich, dass beide „Kanäle“ an einem gemeinsamen Ausgang zur (oder parallel an beiden Ausgängen) Strom zur Verfügung stellen. D.h. wenn z.B. beide Kanäle für identische Ströme I ausgelegt sind, so kann in der ersten Konfiguration an jedem Ausgang der Strom I zur Verfügung gestellt werden, die jeweils getrennt überwacht werden, während in einer zweiten Konfiguration an zumindest einem Ausgang der doppelte Strom, d.h. der Strom aus beiden Kanälen, an einem Ausgang zur Verfügung gestellt wird. Die Überwachung kann dabei weiterhin einzeln für jeden Halbleiterschutzschalter erfolgen.
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D.h. der Schutzschalter kann an die jeweiligen Verhältnisse flexibel angepasst werden. D.h. die Anzahl der abgesicherten Kanäle und die bedarfsgerechte Anpassung des maximalen Auslösestromes innerhalb eines Schutzschalter- Modules kann entsprechend angepasst werden.
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Nachfolgend wird angenommen, dass jeder der Halbleiterschalter S1, S2 und damit jeder einzelne Kanal 10 A Strom tragen kann. Wird der Schutzschalter mittels der Auswahleinrichtung T1 auf einen einkanaligen Betrieb geschaltet, so kann an einem Ausgang / im einkanaligem Betrieb 20 A zur Verfügung gestellt werden. D.h. mit einem Schutzschalter können unterschiedliche Verbraucher abgesichert werden, wodurch die Anzahl der zu entwickelnden Varianten reduziert werden kann. Hierdurch können Entwicklungskosten reduziert werden. Zum anderen ist es aber auch möglich bei einer größeren Stückzahl die Herstellungskosten zu reduzieren.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Halbleiterschalter S1, S2 jeweils zumindest einen MOS-FET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors) auf. Für Wechselspannungsanwendungen weisen die Halbleiterschalter S1, S2 jeweils zwei MOS-FET auf. Bei Stromstärken von 1 A oder mehr werden die MOS-FET häufig auch als Leistungs-MOSFET bezeichnet, da sie konstruktiv einige Unterschiede im Vergleich zu Signaltransistoren aufweisen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der maximale Strom 11, 12 durch einen jeweiligen Halleiterschalter S1, S2 getrennt oder gemeinsam einstellbar. D.h. im Falle eines Zweikanal-Betriebes ist jeder Kanal einzeln einstellbar. So kann z.B. ein Kanal für einen Nennstrom von 5 A und ein anderer Kanal für einen Nennstrom von 10 A konfiguriert werden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann im Falle eines Einkanalbetriebes sowohl der einstellbare Nennstrombereich sowohl den Bereich eines einzelnen Kanales bis hin zum kombinierten Nennstrombereich von zwei (oder mehr) Kanälen aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in einer Initialisierungsphase überwacht, ob der erste Ausgang OUT1 und der zweite Ausgang OUT2 elektrisch miteinander verbunden sind, wobei, wenn eine elektrische Verbindung festgestellt wurde, an einem Anzeigeelement LED der Zustand signalisiert wird. Beispielsweise kann nur ein Ausgang angesteuert werden und die Spannung am zweiten Ausgang OUT2 gemessen werden. Ist dort nach Stromfluss durch den ersten Ausgang OUT1 am zweiten Ausgang, an dem kein Stromfluss durch den Schutzschalter freigeschaltet wurde, eine von 0 V verschiedene Spannung zu messen, so kann daraus abgeleitet werden, dass die Ausgänge OUT1 Und OUT2 elektrisch miteinander verbunden sind. Das Anzeigeelement LED kann eine optische Anzeige wie z.B. eine Leuchtdiode sein. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Elemente, z.B. akustische Elemente, zur Anzeige verwendet werden.
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Für den Fall, dass eine elektrische Verbindung des ersten Ausgangs OUT1 und des zweiten Ausgangs OUT2 erkannt wird, kann optional vorgesehen sein, dass ein Benutzer auswählen kann, ob der Strom 12 durch einen zweiten Halbleiterschalter S2 dem zweiten Ausgang OUT2 oder dem ersten Ausgang OUT1 zugeordnet sein soll. D.h., der Benutzer wird darüber in Kenntnis gesetzt, dass die Ausgänge elektrisch verbunden sind. Falls dies absichtlich ist, so kann der Benutzer entscheiden, dass der Strom des zweiten Halbleiterschalters S2 beiden Ausgängen bzw. auch dem ersten Ausgang OUT1 zugeordnet sein soll, mit anderen Worten, dass ein Einkanalbetrieb gewünscht ist. Ist hingegen die elektrische Verbindung der Ausgänge eine Fehlfunktion / Fehlverkabelung kann der Benutzer die Fehlfunktion / Fehlverkabelung beseitigen und der Benutzer kann entscheiden, dass der Strom des zweiten Halbleiterschalters S2 nur dem zweiten Ausgang OUT2 zugeordnet sein soll, mit anderen Worten, dass ein Mehrkanalbetrieb gewünscht ist. Zudem kann vorgesehen sein, dass im Falle der elektrischen Verbindung der Ausgänge und ohne Benutzereingriff die Nennstromeinstellungen der betroffenen Kanäle auf einen geringeren Wert als den Summenwert der Nennströme der betroffenen Kanäle, z.B. den kleinsten Wert des Nennstromes, begrenzt wird, um die nachfolgenden Geräte vor einer Fehlkonfiguration / Fehlverkabelung zu schützen.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in einer Initialisierungsphase überwacht wird, ob der erste Ausgang OUT1 und der zweite Ausgang OUT2 elektrisch miteinander verbunden sind, wobei, wenn keine elektrische Verbindung festgestellt wurde, an einem Anzeigeelement LED der Zustand signalisiert wird. Dabei kann z.B. die Anzeige den Zustand „elektrisch verbunden“ durch eine orange Leuchtdiode oder ein Lichtmuster (Blinken, ...) anzeigen während der Zustand „elektrisch getrennt“ durch eine grüne Leuchtdiode oder eine erloschene Leuchtdiode oder ein anderes Lichtmuster (Dauerlicht) angezeigt wird. Dem Fachmann sind dabei keine Grenzen gesetzt.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann vorgesehen sein, dass die Auswahleinrichtung T1 zumindest einen Lichttaster aufweist, wobei durch Lichtfolgen und/oder Lichtfarben Zustände, wie z.B. ein ausgewählter Nennstrom, der Beginn oder das Ende einer Initialisierungsphase, eine elektrische Verbindung der Ausgänge / Einkanalbetrieb / Zweikanalbetrieb, Überstrombedingung, etc. signalisiert werden.
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Es sei angemerkt, dass der flexible Schutzschalter 1 auch im Parallelbetrieb mit einem gleichartigen flexiblen Schutzschalter 1 betrieben werden kann. Dabei kann einer der flexiblen Schutzschalter 1 als Master konfiguriert sein und als solcher agieren, während z.B. der andere flexible Schutzschalter 1 als Slave konfiguriert ist und als solcher bei Ausfall des Masters übernimmt. Dabei können beide flexible Schutzschalter 1 sowohl im „Einkanal“-Modus als auch im „Mehrkanal“-Modus betrieben sein. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann vorgesehen sein, dass z.B. die flexiblen Schutzschalter 1 eine Schnittstelle zur Kommunikation aufweisen. Mittels dieser Schnittstelle können flexible Schutzschalter 1 in einer Master-Slave-Anordnung Daten zum Betrieb / Zustand austauschen. Es ist aber auch möglich, dass z.B. Konfigurationsdaten über die Schnittstelle, wie z.B. Nennstrom, Einkanal- / Mehrkanalbetrieb, etc. über die Schnittstelle konfigurierbar ist und/oder Betriebsdaten / Messdaten aus dem flexiblen Schutzschalter 1 ausgelesen werden können. Eine geeignete Schnittstelle kann sowohl drahtgebunden (elektrisch/optisch) als auch drahtlos (z.B. W-LAN, ZigBee, Bluetooth Low-Energy, RFID, NFC, optisch Freiraum, ...) vorgesehen sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Funktion als Master / Slave durch eine bereits vorhandene Auswahleinrichtung T1 oder eine getrennte Auswahleinrichtung T2 konfigurierbar sein.
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Beispielsweise kann durch eine bestimmte Druckdauer / Druckfolge ein Programmiermodus aktiviert werden, in dem diese Funktion und/oder ein Nennstrom (pro Kanal/ alle Kanäle) und/oder ein Einkanalbetrieb zur Auswahl zur Verfügung steht.
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Beispielsweise kann der flexible Schutzschalter einen Microcontroller µC aufweisen. Für die Anwenderbedienung können ein oder mehrere Drucktaster T1, T2 (z.B. pro Kanal) vorgesehen sein. Für die Anzeige und Signalisierung kann z.B. pro Kanal eine mehrfarbige Leuchtdiode LED, z.B. B1, B2 vorgesehen sein.
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Beim Betrieb im zweikanaligen Modus kann jeder Kanal mit dem dazugehörigen Taster T1, T2 bedient z. B. Ein,- Aus,- Stromeinstellung, .... Die jeweilige Anzeige LED kann den Zustand des dazugehörigen Kanals signalisieren. D.h. B1 kann Kanal 1 / Ausgang OUT1 und B2 ist Kanal2 / OUT2 zugeordnet sein.
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Beim Betrieb im einkanaligen Modus kann die Bedienung von jedem der beiden Taster T1, T2 gleichwertig möglich sein. Die Anzeige LED der beiden Hälften kann dann synchron erfolgen. Alternativ kann natürlich auch vorgesehen sein, dass nur einer der beiden Taster und nur eine zugeordnete Anzeige LED verwendet während die andere für den normalen Betrieb funktionslos ist.
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Um vom Mehrkanalbetrieb in den Einkanalbetrieb zu wechseln können mehrere Schritte vorgesehen sein.
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Beispielweise kann vorgesehen sein, dass in einem ersten Schritt die betroffenen Kanäle OUT1, OUT2 ausgeschaltet werden. Anschließend können die betroffenen Kanäle OUT1, OUT2 miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung sowohl auf der Ausgangsseite des flexiblen Schutzschalters 1 möglich ist („hart-verdrahtet“) als auch durch Schaltung einer im flexiblen Schutzschalter 1 vorsehbaren optionalen Schaltmatrix. In einem weiteren Schritt werden nun die betroffenen Kanäle OUT1, OUT2 z.B. durch gleichzeitige Aktivierung (Drücken der Auswahleinrichtung T1, T2) in den Betrieb der Initialisierungsphase gesetzt. In der Initialisierungsphase kann z.B. die Funktion von kanalspezifischen Fragen, z.B. ein Selbsttest der entsprechenden Halbleiterschalter S1 S2, erfolgen. Zudem kann das Vorhandensein einer elektrischen Verbindung geprüft werden.
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Beispielsweise können die Halbleiterschalter S1 S2 kurzfristig (z.B. 5 ms) geschaltet werden. Sind z.B. beide Halbleiterschalter S1 S2 aus, so sollte an den entsprechenden Ausgängen OUT1, OUT2 keine Spannung vorhanden sein, sodass die Halbleiterschalter S1 S2 funktionsfähig sein sollten. Wird einer der Halbleiterschalter S1 S2 eingeschaltet während der andere ausbleibt, so sollte nur an dem Ausgang eine Spannung aufzufinden sein, die dem eingeschaltetem Halbeleiterschalter zugeordnet ist. D.h. der entsprechende Kanal befindet sich im Einzelbetrieb. Nur für die Halbleiterschalter S1, S2 für die an mehr als an einem Ausgang Spannung aufzufinden ist, ist ein gemeinsamer Betrieb durch elektrische Verbindung vorgesehen. Nunmehr kann - wie bereits zuvor beschrieben - dem Benutzer signalisiert werden, dass zumindest zwei Ausgänge elektrisch miteinander verbunden sind. Werden nun z.B. die Auswahleinrichtungen von betroffenen Kanälen erneut zusammen betätigt, kann dies als Bestätigung des Einkanalbetriebes gesehen werden.
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Andererseits kann das Schalten in den mehrkanaligen Modus durch eine Art „Reset“-Funktion ermöglicht werden. Dabei kann z.B. der Benutzer durch Drücken von einer / mehreren / allen Auswahleinrichtungen T1, T2 über einen längeren Zeitraum, z.B. 3 s, den Einkanalmodus beenden. Dabei kann zugleich der flexible Schutzschalter 1 in einen ausgeschalteten Zustand versetzt werden.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann auch vorgesehen sein, dass, wenn die Spannung an den Ausgängen und/oder der Strom an den Ausgängen unterschiedlich ist, der flexible Schutzschalter 1 ein Wegfall einer externen elektrischen Verbindung erkennt und als Vorsichtsmaßnahme die betroffenen Kanäle in den Mehrkanalbetrieb (unter Umständen bei reduziertem Nennstrom) schaltet.
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Zudem kann weiterhin vorgesehen sein, dass jedem Halbleiterschalter S1, S2 ein Widerstand R1, R2 zur Messung des Stromes durch den jeweiligen Halbleiterschalter S1, S2 zugeordnet ist, sollte der Eigenwiderstand des Halbleiterschalter zu gering sein, um eine sinnvolle Messung am Halbleiterschalter zu erlauben. Ebenso kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Halbleiterschalter S1, S2 durch eine gemeinsame Sicherung und/oder eine Sicherung F1, F2 pro Halbleiterschalter S1, S2 abgesichert sind, sodass im Falle eines Überstromes / Fehlfunktion die Sicherung F1 / F2 auslöst und den flexiblen Schutzschalter 1 als auch nachgeordneten Analgen vor Zerstörung schützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flexibler Schutzschalter
- S1, S2
- Halbleiterschalter
- OUT1, OUT2
- Ausgang
- 11, 12
- Strom
- T1, T2
- Auswahleinrichtung
- LED
- Anzeigeelement
- F1, F2
- Sicherung
- R1, R2
- Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202016102848 U1 [0003]
