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Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter mit Überwachungseinrichtung.
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Hintergrund
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Aus verschiedensten Bereichen ist es bekannt, elektronische Schutzschalter einzusetzen.
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Aus der
DE 10 2004 036 252 A1 ist ein elektrisches System mit einem relaisgesteuerten elektrischen Verbraucher bekannt. Das Relais kann in Bezug auf Laststrom, Versorgungsspannung, d.h. in Bezug auf den geschalteten Eingang überwacht werden. Aus der
DE 10 2014 016 218 A1 ist ein System und Verfahren zum Überwachen von Relaiskontakten bekannt. Dabei wird auf den Seiten des Schalters jeweils ein zusätzlicher Signal-Emitter eingeschaltet und ein zusätzliches Hochfrequentes Signal ausgewertet. Aus der
EP 2 587 512 B1 der Anmelderin ist ein sicherheitsgerichtetes Schaltgerät mit Zwangsführung bekannt. Bei einer Zwangsführung sind beispielsweise der Öffnerkontakt und die weiteren Kontakte, der Schaltkontakt und/oder ein Schließerkontakt, so miteinander gekoppelt, dass der Öffnerkontakt und der Schließerkontakt nicht gleichzeitig geschlossen sein können. Aus der
DE 10 2006 013 329 A1 ist ein Verfahren zur Fehlererkennung eines Netzwerksystems bekannt. Bei diesem System wird ein definiertes Spannungspotential an einen Buszweig mittels eines zusätzlichen Schaltmittels geführt, um den Trennzustand eines Relais zu detektieren. Aus der
DE 10 2015 121 194 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung mit integriertem Schutzverlauf bekannt, wobei der elektronische Schalter auf Basis eines bestimmten Stromes angesteuert wird.
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In vielen Bereichen elektrotechnischer Anlagen werden zudem galvanisch trennende Schutzschalter eingesetzt. Bei diesen Schutzschaltern soll im Ausschaltfall der Ausgang galvanisch getrennt sein.
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Stand der Technik
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Daher werden z.B. elektronische Schutzschalter eingesetzt, bei denen die galvanische Trennung über ein Relais zur Verfügung gestellt wird.
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Allerdings haben mechanische Kontakte, wie sie bei Relais Verwendung finden, die Eigenschaft, dass die Schaltkontakte verkleben / verschweißen können, sodass eine sichere galvanische Trennung nicht mehr möglich ist.
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Allerdings ist es bei den bisherigen Schutzschaltern für den Verwender nicht möglich zu erkennen, ob die galvanische Trennung gewährleistet ist, ohne dass er eine gesonderte Messung an dem Gerät - unter Umständen verbunden mit einer Außerbetrieb-Setzung - vornimmt.
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Aufgabe
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Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Schutzschalter mit Überwachungseinrichtung hierfür zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, eine nicht mehr vorhandene galvanische Trennung zu erkennen.
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Lösung
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels eines Schutzschalters mit Überwachungseinrichtung gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und in den Figuren angegeben.
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Kurzdarstellung der Figuren
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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 eine Nebeneinanderordnung von schematischen elektrischen Ersatzschaltbildern zu Verfahrensschritten gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
- 2 eine Nebeneinanderordnung von schematischen elektrischen Ersatzschaltbildern zu Verfahrensschritten gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
- 3 eine schematische Darstellung von einem elektrischen Ersatzschaltbild gemäß einem Aspekt der Erfindung,
- 4 eine schematische Darstellung von einem elektrischen Ersatzschaltbild gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, und
- 5 eine weitere schematische Darstellung von einem elektrischen Ersatzschaltbild gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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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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Insbesondere in der Prozessindustrie wird ein galvanisch trennender Schutzschalter häufig gefordert, der im Überlast- bzw. im Kurzschlussfall den Ausgang abschaltet.
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Beispielhafte elektrische Ersatzschaltbilder gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind in den 3-5 aufgezeigt. In den 1 und 2 sind vereinfachte Ersatzschaltbilder neben entsprechenden Verfahrensschritten aufgezeigt.
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Ein erfindungsgemäßer Schutzschalter 1 mit Überwachungseinrichtung Ü weist zumindest einen elektronischen Schalter S1 und einem mechanischen Wechselschalter S2 auf. Der elektronische Schalter S1 kann z.B. ein Schalttransistor, insbesondere ein FeldeffektTransistor sein.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann vorgesehen sein, dass an einer Eingangsspannung Uin - wie in 4 angedeutet - auch mehrere geschaltete Ausgänge Uout angeordnet sein können. Nachfolgend wird für das Verständnis der Erfindung davon ausgegangen, dass pro Eingang Uin ein durch den Schutzschalter 1 steuerbarer Ausgang Uout vorhanden ist.
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Der mechanische Wechselschalter S2, z.B. ein Relais, weist einen ersten Anschluss NC, einen zweiten Anschluss NO und einen dritten Anschluss COM auf, wobei in einer Ruhestellung des mechanische Wechselschalter S2der erste Anschluss NC mit dem dritten Anschluss COM verbunden ist und wobei in einer Arbeitsstellung des mechanische Wechselschalter S2der zweite Anschluss NO mit dem dritten Anschluss (COM) verbunden ist. D.h. S2 kann als Relais mit Wechselkontakt ausgeführt sein.
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Der elektronische Schalter S1 ist mit dem dritten Anschluss COM des mechanischen Wechselschalters S2 als Serienschaltung verbunden. Dabei kann eine unmittelbare Abfolge als auch eine Serienschaltung mit weiteren (zwischenliegenden) Bauteilen vorgesehen sein.
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Beim Einschalten des Schutzschalters 1 in einem ersten Schaltzustand ist zunächst der elektronische Schalter S1 aktiviert, wobei am ersten Anschluss NC mittels der Überwachungseinrichtung Ü gemessen wird, ob am ersten Anschluss NC im Wesentlichen das gleiche Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt.
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Dies kann z.B. dadurch bewerkstelligt werden, dass sowohl am dritten Anschluss COM als auch am ersten Anschluss NC jeweils ein Spannungsteiler angeordnet ist, von dem jeweils eine Spannung Uout, Urel-check zum direkten Vergleich (z.B. am Eingang eines differentiellen Operationsverstärkers) oder zum indirekten Vergleich (z.B. nach A/D-Wandlung durch Vergleich der Zahlenwerte) zur Verfügung gestellt wird. Natürlich kann auch bei geeigneter Spannung auf einen Spannungsteiler verzichtet werden, und die jeweiligen Spannungen einer Auswertung unmittelbar zugeführt werden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können natürlich auch weitere Komponenten z.B. Kondensatoren, Ferritkerne etc. vorgesehen sein, um andere Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. Diese sind aber für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich und daher weggelassen.
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Falls am ersten Anschluss NC im Wesentlichen das gleiche Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt, kann in einem nachfolgenden weiteren Schaltzustand sowohl der elektronische Schalter S1 aktiviert sein als auch der mechanische Wechselschalter S2 in Arbeitsstellung sich befinden.
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D.h. es ist nunmehr an Hand der Überprüfung der Spannung am ersten Anschluss im Vergleich zum dritten Anschluss möglich zu bestimmen, ob der Wechselkontakt COM des mechanischen verklebt ist, denn es ist nunmehr möglich zu bestimmen, ob sich der Wechsler von S2 vom zweiten Anschluss NO gelöst hat oder nicht. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass bei einem verschweißten/verklebten Wechsler am ersten Anschluss NC im Wesentlichen ein anders Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt.
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Ein entsprechendes Verfahren wird nun anhand der 1 für den Fall des Einschaltens erläutert werden. D.h. in diesem Verfahren wird vor dem dauerhaften Einschalten überprüft, ob der Kontakt verklebt/verschweißt ist, und damit die galvanische Trennung im Falle des Ausschaltens nicht mehr gegeben ist.
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Dabei wird angenommen, dass der Schutzschalter 1 wie zuvor ausgestaltet ist. In einem Schritt 100 wird nun zunächst der elektronische Schalter S1 aktiviert. Dies wird in der symbolischen Darstellung des Ersatzschaltbildes durch ein Dreieck symbolisiert. Anschließend wird der Zustand des nicht-aktivierten, d.h. des nicht aktiv angesteuerten, mechanischen Schalters S2 ermittelt. Hierzu wird in einem weiteren Schritt 200 mittels der Überwachungseinrichtung Ü überprüft, ob am ersten Anschluss NC im Wesentlichen das gleiche Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt, und falls dies der Fall ist, nachfolgend sowohl der elektronische Schalter S1 in einem Schritt 400 aktiviert als auch der mechanische Wechselschalter S2 in Arbeitsstellung in Schritt 300 verbracht wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird im Fehlerfall, d.h. falls im ersten Schaltzustand beim Einschalten am ersten Anschluss NC im Wesentlichen nicht das gleiche Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt, ein Fehlerzustand mittels einer Warneinrichtung W signalisiert. Beispielsweise kann in 1 ein Fehlerzustand mittels einer Warneinrichtung W in Schritt 600 signalisiert werden. Danach kann je nach Anwendungsfall und Konfiguration entweder wie dargestellt, die dauerhafte Zuschaltung unterbunden sein oder aber die Zuschaltung ist unter Warnung (durch die Warneinrichtung W bzw. nach Fernmeldung) und/oder durch explizite Freigabe (z.B. mittels Bestätigung durch Taste T) möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Warneinrichtung W eine Signalleuchte und/oder eine akustische Warneinrichtung und/oder eine Fernmeldung FM auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Warneinrichtung W auch mit anderen Einrichtungen kombiniert sein. Beispielhaft ist in 5 aufgezeigt, dass die Warneinrichtung auch zusammen mit einem Taster T, z.B. einem Leuchttaster, realisiert werden kann.
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Obwohl die Schritte 300 und 400 getrennt und in zeitlicher Reihenfolge dargestellt sind, muss dies nicht der Fall sein. Vielmehr können die Schritte in beliebiger Reihenfolge als auch zeitgleich ausgeführt werden.
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Jedoch hat die zeitlich dargestellte Abfolge der Schritte einen Vorteil dahingehend, dass der mechanische Schalter S2 bevorzugt lastfrei geschaltet werden kann, sodass z.B. Lichtbögen, die zu einer Kontaktverschweißung/Verklebung führen können, vermieden werden können. Hierzu kann der Schutzschalter 1 in einem weiteren, zwischengeschalteten Schaltzustand zwischen dem ersten Schaltzustand und dem weiteren Schaltzustand den elektronischen Schalter S1 abschalten, um eine stromlose Umschaltung des mechanischen Wechselschalters S2 in Arbeitsstellung zu ermöglichen. D.h. vor dem Verbringen des mechanischen Wechselschalters S2 in Arbeitsstellung in Schritt 300 kann der elektronische Schalter S1 zunächst in Schritt 250 abgeschaltet werden, um eine stromlose Umschaltung des mechanischen Wechselschalters S2 in Arbeitsstellung zu ermöglichen.
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Obwohl der Schutzschalter 1 vorstehend nur in Bezug auf einen Einschaltvorgang beschrieben wurde, kann der Schutzschalter 1 auch in ähnlicher Weise beim Ausschalten auf ein Verkleben/Verschweißen hin überprüft werden. Dies wird nachfolgend erläutert. Dabei können die Verfahren zur Überwachung des Einschaltens / Ausschaltens grundsätzlich unabhängig voneinander, zeitlich nachfolgend verwendet werden.
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Beim Ausschalten des Schutzschalters 1 ist in einem ersten Schaltzustand zunächst der mechanische Wechselschalter S2 deaktiviert. Nun wird am ersten Anschluss NC mittels der Überwachungseinrichtung Ü gemessen, ob am ersten Anschluss NC im Wesentlichen das gleiche Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt. Falls dies der Fall ist, kann in einem nachfolgenden weiteren Schaltzustand sowohl der elektronische Schalter S1 deaktiviert sein als auch der mechanische Wechselschalter S2 in Ruhestellung sich befinden.
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D.h. es ist nunmehr anhand der Überprüfung der Spannung am ersten Anschluss im Vergleich zum dritten Anschluss möglich zu bestimmen, ob der Wechselkontakt COM des mechanischen Wechselschalter S2 verklebt ist, denn es ist nunmehr möglich zu bestimmen, ob sich der Wechsler von S2 vom zweiten Anschluss NO gelöst hat oder nicht. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass bei einem verschweißten/verklebten Wechsler am ersten Anschluss NC im Wesentlichen ein anders Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt.
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Ein entsprechendes Verfahren wird nun anhand der 2 für den Fall des Ausschaltens erläutert werden. D.h. in diesem Verfahren wird vor dem dauerhaften Ausschalten überprüft, ob der Kontakt verklebt/verschweißt ist, und damit die galvanische Trennung im Falle des Ausschaltens nicht mehr gegeben ist.
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Dabei wird angenommen, dass der Schutzschalter 1 wie zuvor ausgestaltet ist. In einem ersten Schritt 1100 wird der mechanische Wechselschalter S2 deaktiviert. Nachfolgend kann in Schritt 1200 mittels der Überwachungseinrichtung Ü überprüft werden, ob am ersten Anschluss NC im Wesentlichen das gleiche Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt. Falls dies der Fall ist, kann sowohl der elektronische Schalter S1 in Schritt 1400 deaktiviert werden als auch der mechanische Wechselschalter S2 in Ruhestellung belassen werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann, falls im ersten Schaltzustand am ersten Anschluss NC im Wesentlichen nicht das gleiche Potential wie am dritten Anschluss COM anliegt, ein Fehlerzustand mittels einer Warneinrichtung W, z.B. ein einem Schritt 1600, signalisiert werden. Die Warneinrichtung W kann dabei eigenständig sein oder aber die gleiche Warneinrichtung W wie zuvor in Bezug auf das Einschalten beschrieben, sein. Weiterhin kann der Schutzschalter 1 auch eine Fernmeldung für diesen Fehlerfall aufweisen.
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Jedoch hat die zeitlich dargestellte Abfolge der Schritte einen Vorteil dahingehend, dass der mechanische Schalter S2 bevorzugt lastfrei geschaltet werden kann, sodass z.B. Lichtbögen, die zu einer Kontaktverschweißung/Verklebung führen können, vermieden werden können. Hierzu kann der Schutzschalter 1 vor dem Deaktivieren 1100 des mechanischen Wechselschalters S2 der elektronische Schalter S1 in einem Zwischenschritt 1050 abgeschaltet werden, um eine stromlose Umschaltung des mechanischen Wechselschalters S2 in Arbeitsstellung zu ermöglichen.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann der Schutzschalter 1 weiterhin eine Schmelzdrahtsicherung F aufweisen, wobei die Schmelzdrahtsicherung F in Serie mit dem elektronischen Schalter S1 und dem dritten Anschluss COM des mechanischen Wechselschalters S2 geschaltet ist. Diese Schmelzsicherung F kann z.B. bei Überlast ausgelöst werden.
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Weiterhin kann, wie in 4 angedeutet, der mechanische Wechselschalter S2 weiterhin einen oder mehrere mechanische gekoppelte aber elektrisch isoliert schaltbare Pole aufweisen. D.h. durch die Überwachung zumindest eines Poles des mechanischen Wechselschalters S2 kann für eine Vielzahl von mechanisch gekoppelten Polen ebenfalls der Zustand in Bezug auf die galvanische Trennung ermittelt werden. Natürlich kann auch jeder einzelne Pol getrennt überwacht werden.
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D.h. die Erfindung macht sich den „normally closed“-Kontakt des Relais als Messeingang zu bestimmten Zeitpunkten zu Nutze, um abzufragen, ob die galvanische Trennung gewährleistet ist. Im Fehlerfall, z.B. bei einem Überstrom (lout) oder einer Überspannung Uin / Uout / Urel-check kann der Anwender über den Fehlerfall informiert werden und/oder der Weiterbetrieb unterbunden werden.
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Wird mittels des Schutzschalters ein Kanal von Uin nach Uout vom Anwender (z.B. durch einmaliges Drücken der Taste T) zugeschaltet, so kann zunächst der elektronische Schalter S1 durchgeschaltet werden und am „normally closed“-Kontakt NC des mechanischen Schalters S2 gemessen werden, ob Spannung anliegt. Wenn Spannung anliegt, kann darauf geschlossen werden, dass der Schaltkontakt des mechanischen Schalters S2 nicht in der NO-Stellung verschweißt ist. Der elektronische Schalter S1 kann nun abgeschaltet werden und sofern der mechanische Schalter S2 fehlerfrei ist, kann der mechanische Schalter S2 stromlos zugeschaltet werden. Nachfolgend kann der elektronische Schalter S1 zugeschaltet werden und der Ausgang Uout ist (dauerhaft bis zur Abschaltung) in Betrieb. Wenn keine Spannung anliegt, wird der elektronische Schalter S1 abgeschaltet und dem Anwender kann signalisiert werden, dass der Ausgang nicht galvanisch getrennt ist (Kontakt in der NO-Stellung verschweißt).
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Andererseits, wird mittels des Schutzschalters ein Kanal von Uin nach Uout vom Anwender (z.B. durch einmaliges Drücken der Taste T) ausgeschaltet, so unterbricht erst einmal der elektronische Schalter S1 den Stromfluss. Danach wird auch der mechanische Schalter S2 (z.B. durch die Überwachungseinrichtung U) abgeschaltet. Im nächsten Schritt schaltet der elektronische Schalter S1 wieder dazu und es erfolgt die Messung am „normally c|osed“-Kontakt NC. Danach wird der elektronische Schalter S1 wieder abgeschaltet. Wenn Spannung beim Messen anlag, so hat ein Wechsel der Schaltstellung am mechanischen Schalter S2 stattgefunden und die galvanische Trennung ist gewährleistet. Im Fehlerfall kann dem Anwender signalisiert werden, dass der Ausgang nicht galvanisch getrennt ist (Kontakt in der NO-Stellung verschweißt).
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Überwachungseinrichtung Ü in vielfältiger Weise zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann die Überwachungseinrichtung Ü durch einen geeigneten Microcontroller / Microprozessor / FPGA / ASIC zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann die Überwachungseinrichtung Ü auch einen Strom lout durch den Schutzschalter 1, insbesondere aber durch den elektronischen Schalter S1, bestimmen, um z.B. einen Überlastfall zu erkennen. Weiterhin kann die Überwachungseinrichtung aber auch eine Kurzschlussüberwachung bereitstellen.
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Der Messeingang / die Messeingänge an der Überwachungseinrichtung U können unterschiedlich ausgeführt werden. Es kann über einen Spannungsteiler die Spannung gemessen und der Analogwert weiter ausgewertet werden. Andernfalls kann an einem digitalen Eingang der Schaltzustand digital erfasst und ausgewertet werden.
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Im Falle eines Fehlers kann durch geeignete Maßnahmen angezeigt werden, dass der Fehler beim Einschalten oder beim Ausschalten aufgetreten ist. Beispielsweise kann die Fernmeldeeinrichtung FM auch eine digitale Schnittstelle sein, die entsprechende Schaltstellungen / Fehlermeldungen zur Verfügung stellt. Zugleich kann die Fernmeldeeinrichtung FM auch so ausgestaltet sein, dass mittels der Fernmeldeeinrichtung FM der Schutzschalter 1 auch fernbedient werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schutzschalter
- F
- Schmelzdrahtsicherung
- Ü
- Überwachungseinrichtung
- NO
- Normally-Open Contact
- NC
- Normally-Closed Contact
- COM
- Gemeinsamer Kontakt
- T
- Taster
- FM
- Fernmeldung
- S1
- Schalter, elektronisch
- S2
- Schalter, mechanisch
- W
- Warneinrichtung
- Uin
- Spannung am Eingang
- Uout
- Spannung am Ausgang
- Urel-check
- Spannung am Ausgang NC
- relay-switch
- Schaltsignal für mechanischen Schalter
- lout
- Strom durch den Schutzschalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004036252 A1 [0003]
- DE 102014016218 A1 [0003]
- EP 2587512 B1 [0003]
- DE 102006013329 A1 [0003]
- DE 102015121194 A1 [0003]
