DE2460680A1 - Kurzschluss-schutzschaltung - Google Patents
Kurzschluss-schutzschaltungInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
Dr.phil. G. B. HAGEN
Dipl-Phye. W. KALKOFF
8000 MÜNCHEN 71 (Solln)
Franz'Hals-Straße 21
Tel. (0811) 796213
Franz'Hals-Straße 21
Tel. (0811) 796213
AMP 3441
München, 16. Dezember 1974 sch
AMP Incorporated
Eisenhower Boulevard Harrisburg, Pa. (V. St. A.)
Eisenhower Boulevard Harrisburg, Pa. (V. St. A.)
Kurzschluß-Schutzschaltung
Priorität: 22. Dez. 1973; Großbritannien; Nr. 59711/73
Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß-Schutzschaltung.
Bei vielen elektrischen Sehalteinrichtungen, bei denen ein Verbraucher
über eine Sehalteinheit mit einer elektrischen Stromversorgung
verbunden ist, ist es sehr wichtig, daß im Fall eines Kurzschlusses, der das Fließen eines außergewöhnlich
hohen Stroms durch den Verbraucher und infolgedessen eine Beschädigung des Verbrauchers zur Folge hat, die Schalteinheit
geöffnet wird, um den Verbraucher von der Stromversorgung zu trennen.
Natürlich ist es erwünscht, daß die Schalteinheit nur dann geöffnet
wird, wenn ein echter Kurzschluß vorhanden ist; d. h. die Schalteinheit sollte von einer Einrichtung gesteuert sein,
die zwischen einem echten Kurzschlußzustand und hohen, für den
Verbraucher ausreichenden Stromstößen kurzer Dauer unter-
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Bayerische Vereinsbank München 823101
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scheiden kann, wie sie z. B. durch Prellen des Schalterkontakts beim Einschalten der Schalteinheit auftreten oder
sich aus der Art des Verbrauchers ergeben, z. B. im Fall von Einschaltkennlinien, wenn der Verbraucher eine Wolframglühfadenlampe
ist.
Die erfindungsgemäße Kurzschluß-Schutzschaltung zum Erfassen
eines hohen Kurzschlußgleichstroms, der durch eine elektrische Schalteinheit zu einem Verbraucher fließt und
die Schalteinheit öffnet, ist gekennzeichnet durch einen mit der stromdurchflossenen Seite des Verbrauchers verbindbaren
Spannungsfühler, der ein erstes logisches Ausgangssignal mit
vorgegebener Dauer erzeugt, wenn die erfaßte-Spannung einen
Wert im Bereich von Null hat, wobei der Ausgang des Spannungsfühlers mit dem Eingang eines Taktgebers verbunden ist, der
ein zweites logisches Ausgangssignal mit vorgegebener Dauer erzeugt, nachdem das erste logische Ausgangssignal ein vorgegebenes
Zeitintervall gedauert hat, und wobei der Ausgang des Taktgebers indirekt mit der Schalteinheit verbunden ist,
so daß das Auftreten des zweiten logischen Ausgangssignals mit vorgegebener Dauer die Sehalteinheit öffnet.
Vorzugsweise ist der Ausgang des Taktgebers mit der Schalteinheit über ein logisches Sperrglied verbunden, das das
zweite logische Ausgangssignal mit vorgegebener Dauer in ein logisches Dauersignal umsetzt.
Bevorzugt ist das logische Sperrglied mit einem ersten Eingang eines logischen Verknüpfungsglieds verbunden, dessen
zweiter Eingang mit einer Verbraucher-Steuerleitung verbunden
ist und dessen Ausgang nur dann ein drittes logisches Signal mit vorgegebener Dauer liefert, wenn das zweite
logische Ausgangssignal vorhanden ist und die Verbraucher-
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Steuerleitung ein eine Verbraucher-Führungsgröße anzeigendes
logisches Signal führt.
Die Verbraucher-Steuerleitung ist über logische Verknüpfungsglieder mit einem Eingang des logischen Sperrglieds verbindbar,
wodurch das logische ,Sperrglied rückgesetzt wird, wenn das Verbraucher-Führungssignal von der Verbraucher-Steuerleitung entfernt wird.
Ferner kann die Schaltung einen weiteren Spannungsfühler aufweisen,
der mit dem ersten Spannungsfühler parallelgeschaltet ist und ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die erfaßte Spannung
über einen vorgegebenen Wert steigt, zur Anzeige eines unterbrochenen Schaltkreises.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, die ein Schaltbild der
Erfindung zeigt.
Ein Verbraucher, in diesem Fall eine Glühbirne 1, ist mit einem Widerstand 2 und dazwischenliegenden Arbeitskontakten
3 eines Relais 4 reihengeschaltet. Diese Reihenschaltung ist
am Widerstand 2 mit 12 V und an der Glühbirne 1 mit Erde verbunden.
Der Widerstandswert des Widerstands 2 ist so gewählt, daß dann, wenn normaler Arbeitsstrom durch den Widerstand
fließt, die sich am Widerstand ausbildende Spannung hoch genug ist, um von einem Spannungsfühler 5 erfaßt zu werden,
der mit einem Punkt A zwischen dem Widerstand 2 und den Schaltkontakten 3 verbunden ist, wobei jeMoch keine wesentliche
Verringerung der der Glühbirne 1 zugeführten Spannung bewirkt wird. Typischerweise ist der Wert des Widerstands 2
so gewählt, daß sich am Widerstand 2 ein Spannungsabfall von 0rl V ergibt.
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Ein zweiter Spannungsfühler 8 ist ebenfalls mit dem Punkt A
verbunden. Die Ausgangsleitung B des Spannungsfühlers 8 ist mit dem Rückstelleingang 9 eines Binärzählers 10 und ferner
mit einem Eingang eines UND-Glieds 11 verbunden. Das UND-Glied 11 hat zwei weitere Eingänge, deren einer mit einem
Taktimpulsgenerator (nicht gezeigt) und deren anderer mit einer Verbraucher-Steuerleitung E verbunden ist. Der Ausgang
des UND-Glieds 11 ist mit dem Taktimpulseingang 12 des Binärzählers 10 verbunden.
Der Zähler 10 hat drei Ausgänge Q1, Q2 und Q3, die als
Eingänge mit einem NAND-Glied 14 verbunden sind, dessen Ausgangsleitung C als ein Eingang eines NAND-Glieds 15
geschaltet ist, das zusammen, mit einem weiteren NAND-Glied 16 ein NAND-Sperrglied 17 bildet. Der Sperreffekt wird
durch Verbinden des Ausgangs des NAND-Glieds 15 mit einem Eingang des NAND-Glieds 16 und Verbinden des Ausgangs des
NAND-Glieds 16 mit einem Eingang des NAND-Glieds 15 erzielt. Die Ausgangsleitung D des NAND-Glieds 16 bildet den
Sperrausgang, und dieser ist mit einem Eingang eines UND-Glieds 18 verbunden, dessen anderer Eingang mit der Verbraucher-Steuerleitung
E verbunden ist. Eine Kurzschlußanzeigeleitung ist mit dem Ausgang des NAND-Glies 15 verbunden.
Die Verbraucher-Steuerleitung E ist auch über ein NICHT-Glied
19 und eine Leitung F mit einem Eingang eines NAND-Glieds 20 und einem Eingang eines NAND-Glieds 21 verbunden.
Das NAND-Glied 20 hat einen zweiten Eingang, der mit der Taktsignalleitung verbunden ist, und der Ausgang des NAND-Glieds
20 ist mit einem zweiten Eingang des NAND-Glieds verbunden. Die Ausgangsleitung G des NAND-Glieds 21 ist mit
einem Eingang 22 des Sperr-NAND-Glieds 16 verbunden.
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Der Ausgang des UND-Glieds 18 ist über ein Transistoransteuer-Zwischenglied
24 mit der Basis eines Schalttransistors 25 verbunden, dessen Emitter mit Erde und dessen
Kollektor mit einem Ende einer Spule 26 des Relais 4 verbunden ist. Das andere Ende der Spule 26 ist mit der 12 V-Versorgung
verbunden. Eine Diode 27^ ist zur Relaisspule 26
parallelgeschaltet.
Zum Einschalten der Glühbirne 1 wird der Verbraucher-Steuerleitung
E durch eine nicht gezeigte Einrichtung eine logische "1" zugeführt. Diese logische "1", die dem UND-Glied 18 zusammen
mit einer am Ausgang des NAND-Sperrglieds■17 erhaltenen
logischen 11I" zugeführt wird, erzeugt eine logische
"1" am Ausgang des UND-Glieds 18, wodurch der Transistor
leitend wird, die Spule 26 erregt und die Kontakte 3 schließt. Dadurch wird die Glühbirne 1 mit der 12 V-Versorgung verbunden.
Es sei jetzt angenommen, daß die Glühbirne versagt oder daß aus irgendeinem anderen Grund ihr Stromkreis unterbrochen
wird. Durch den Widerstand 2 fließt nun kein Strom mehr, und somit steigt die Spannung am Punkt A von 11,9 V (12 - 0,1)
auf 12 V an. Diese Spannungsänderung wird vom Spannungsfühler 5 erfaßt, der auf seiner Ausgangsleitung H eine
logische "1" erzeugt und somit ein Signal zur Anzeige der Stromkreisunterbrechung liefert.
Wenn nun anstatt einer Stromkreisunterbrechung im Glühbirnenkreis ein Kurzschluß gegen Erde auftritt, sinkt die
Spannung am Punkt A von 11,9 V auf 0 V. Diese Spannungsänderung wird vom Spannungsfühler 8 erfaßt, der an seinem
Ausgang eine logische "1M erzeugt. Diese logische "1"
aktiviert den Zähler 10 aus seinem vorhergehenden (Sperr-/ Lösch-) Zustand, und somit kann das UND-Glied 11, dessen
sämtliche drei Eingänge geöffnet sind, dem Zähler 10 Takt-
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impulse zuführen. Wenn der Kurzschluß weiter besteht, zählt der Zähler von seinem Rückstellzustand von Q1 = O, Q2 = 0,
Q3 = 0, bis nach sieben Taktimpulsen der Komplementcode
Q1 = If Q2 = 1, Q3 = 1 erreicht ist; zu diesem Zeitpunkt
decodiert das NAND-Glied 14 den Zählwert, ändert sein
Ausgangssignal von einer logischen wl" zu einer logischen
11O" und setzt dadurch das NAND-Sperrglied 17. Das Ausgangssignal
des NAND-Sperrglieds 17 auf der Leitung D ändert sich von einer logischen "1" zu einer logischen "0" und sperrt
somit das das Relais steuernde UND-Glied 18, wodurch der Transistor 25 nichtleitend und die Relaisspule 26 entregt
wird und die Relaiskontakte 3 öffnet. Somit wird der gefährliche hohe Kurzschlußstrom durch Trennen der 12 V-Versorgungsleitung
vom Glühbirnenkreis abgeschaltet. Während der Dauer des Kurzschlusses ist die Kurzschluß-Anzeigeleitung
eingeschaltet und kann zum Einschalten einer Anzeigelampe verwendet werden.
Das Sperrglied 17 bleibt gesetzt und hält somit das Relais abgeschaltet, bis das Verbraucher-Steuersignal ausgeschaltet
wird, d. h. bis das Signal auf der Leitung E von "1" auf 11O"
geändert wird. Diese logische M0" wird vom NICHT-Glied 19
invertiert, und dadurch können die NAND-Glieder 20 und 21 kontinuierliche Rücksetz-Taktsignale zum Eingang 22 des
NAND-Sperrglieds 17 durchlassen.
Im Falleines Stromstoßes, wobei die Relaiskontakte 3 geschlossen
werden, fällt die Spannung am Punkt A momentan nach 0 V ab, wodurch sich ein scheinbarer. Kurzschlußzustand
ergibt, der vom Spannungsfühler 8 erfaßt wird. Das Ausgangssignal des Spannungsfühlers 8 auf der Leitung B
löst den Zählzyklus in der erläuterten Weise aus. Da jedoch das erfaßte Signal beim Punkt A ein Impuls (oder Impulse)
kurzer Gesamtdauer ist, hat der Zählzyklus hcüistens
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den zweiten oder dritten Zählwert erreicht, bis die Spannung am Punkt A ihren Anfangswert von 11,9 V wieder erreicht hat;
in diesem Zeitpunkt kehrt das Ausgangssignal des Spannungsfühlers 8 zu einer logischen "0" zurück zum Rückstellen des
Zählers 10 und Sperren des UND-Glieds 11. Somit unterscheidet die Schaltung erfolgreich zwischen einem wirklichen Dauerkurzschluß
und einem. Übergangs- oder Einschalt zustand,, z. B.
Kontaktprellen.
Der in der vorstehenden Schaltung verwendete Binärzähler kann durch eine triggerbare monostabile Einheit ersetzt werden,
die bei Auftreten eines Ausgangssignals vom Fühler 8 in ihren, instabilen Zustand umgeschaltet wird. Wenn das Ausgangssignal
des Fühlers 8 ein vorgegebenes Zeitintervall dauert, erzeugt die monostabile Einheit am Ende dieses Zeitintervalls ein
kurzes Ausgangssignal, das das Sperrglied 17 umschaltet. Wenn jedoch das Ausgangssignal des Fühlers 8 kurzer als
das vorgegebene Zeitintervall ist, kehrt die monostabile Einheit in ihren ursprünglichen stabilen Zustand zurück,
erzeugt kein Ausgangssignal und das Sperrglied 17 wird nicht
umgeschaltet.
5 0 9 8 2 7/02 Tp&tentanspräche;
Claims (1)
- 2460880AMP 3441 - 8 -Patentansp r ü c h eIj Kurzschluß-Schutzschaltung zum Erfassen eines hohen Kurzschlußgleichstroms, der durch eine elektrische Schalteinheit zu einem Verbraucher fließt und die Schalteinheit öffnet,gekennzeichnet durch einen mit der stromdurchflossenen Seite des Verbrauchers (l) verbindbaren Spannungsfühler (8), der ein erstes logisches Ausgangssignal mit vorgegebener Dauer erzeugt, wenn die erfaßte Spannung einen Wert im Bereich von Null hat, wobei der Ausgang des Spannungsfühlers (8) mit dem Eingang eines Taktgebers (10) verbunden ist, der ein zweites logisches Ausgangssignal mit vorgegebener Dauer erzeugt, nachdem das erste logische Ausgangssignal ein vorgegebenes Zeitintervall gedauert hat, und wobei der Ausgang (Q1, Q2, Q„) des Taktgebers (10) indirekt mit der Schalteinheit (4, 3) verbunden ist, so daß das Auftreten des zweiten logischen Ausgangssignals mit vorgegebener Dauer die Schalteinheit (3) öffnet.2. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (Q1, Q2, Q3) des Taktgebers (10) mit der Schalteinheit (4, 3) über ein logisches Sperrglied (17) verbunden ist, das das zweite logische Ausgangssignal mit vorgegebener Dauer in ein logisches Dauersignal umsetzt.3. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (D) des logischen Sperrglieds (17) mit einem ersten Eingang eines logischen Verkripfungsglieds509827/0273AMP 3441 - 9 -(18) verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit einer Verbraucher-Steuerleitung (E) verbunden ist und dessen Ausgang nur dann ein drittes logisches Ausgangssignal mit vorgegebener Dauer liefert, wenn das zweite logische Ausgangssignal vorhanden ist und die Verbraucher-Steuerleitung (E) ein eine Verbraucher-Führungsgröße anzeigendes logisches Signal führt.4. Schaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucher-Steuerleitung (E) über logische Verknüpfungsglieder (20, 21) mit einem Eingang (22) des logischen Sperrglieds (17) verbunden ist, wodurch das logische Sperrglied (17) rückgesetzt wird, wenn das Verbraucher-Führungssignal von der Verbraucher-Steuerleitung (E) entfernt ist.5. Schaltung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die logischen Verknüpfungsglieder (20, 21) aufweisen: ein erstes NAND-Glied (20), dessen einer Eingang mit einer Taktsignalquelle und dessen zweiter Eingang (F) über ein NICHT-Glied (19) mit der Verbraucher-Steuerleitung (E) verbunden ist, und ein zweites NAND-Glied (21), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des ersten NAND-Glieds (20) und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang (F) des NICHT-Glieds (19) verbünden ist, wobei der Ausgang (G) des zweiten NAND-Glieds (21) mit dem Eingang (22) des logischen Sperrglieds (17) verbunden ist..6. Schaltung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Taktsignaleinheit einen Binärzähler (10) aufweist, der Impulse von der Taktimpulsquelle zählt.5 0 9-827/0 27 3ΑΗΡ 34« -10- 2Α606807. Schaltung-nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,■ daß der erste Eingang des ersten NAND-Glieds (20) mit einem Eingang, eines UND-Glieds (ll) verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang (B) des Spannungsfühlers (8) und dessen dritter Eingang mit der Verbraucher-Steuerleitung (E) verbunden ist, und daß der Ausgang (12) des UND-Glieds (11) mit dem Zähler (10) verbunden ist, wodurch dem Zähler (10) bei geöffnetem UND-Glied (ll) Taktimpulse zuführbar sind.8. Schaltung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des vom logischen Sperrglied (17) gesteuerten logischen Verknüpfungsglieds (18) die Schalteinheit (4, 3) über einen Transistor (25) steuert, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit einem Schaltglied (26) der Schalteinheit reihengeschaltet und dessen Basis mit dem Ausgang des logischen Verknüpfungsglieds (18) verbunden ist.9. Schaltung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Sperrglied (17) aufweist: ein erstes NAND-Glied (15) mit einem ersten Eingang (C), der mit dem Ausgang des Taktgebers (10) verbunden ist, und. ein zweites NAND-Glied (16), dessen erster Eingang (22) mit einer Taktimpulsquelle verbindbar ist, wobei der Ausgang des ersten NAND-Glieds (15) und der Ausgang des zweiten NAND-Glieds (16) mit einem zweiten Eingang des ersten NAND-Glieds (15) verbunden sind und auch den Ausgang (D) des logischen Sperrglieds (17), bilden.5 09827/02732460880AMP 3441 - 11 -,10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen über die Schalteinheit (3) mit dem Verbraucher (l) reihengeschalteten Widerstand (2), dessen von der Schalteinheit (3) fernes Ende mit einer Spannungsquelle verbindbar ist, wobei der Spannungsfühler (8) mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand (2) und der Schalteinheit (3) verbunden ist.11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d.a durch gekennzeichnet, daß die Schalteinheit ein elektromagnetisches Relais (4) ist.12. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten SpannungsfüKIfir (5), der mit dem ersten Spannungsfühler (8) parallelgeschaltet ist und ein Ausgangssignal (H) erzeugt, wenn die erfaßte Spannung über einen, vorgegebenen Wert ansteigt, zur Anzeige eines unterbrochenen Stromkreises. ' .509827/02 7-3Leerseite
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FR2255729A1 (de) | 1975-07-18 |
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