DE3501994C2 - Sicherungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherungseinrichtung ei­ nes Schaltkreises zum Steuern eines Wechselstromflusses zu einer Last (US 38 48 140).

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer dem Stand der Technik entsprechenden Wechselstrom-Steuerschaltung. Gemäß Fig. 2 wird an Anschlüsse 1 und 2 einer Wechsel­ strom-Steuerschaltung 22 eine Wechselspannung angelegt. Eine Last 3, wie z. B. eine Heizvorrichtung eines Fixier­ geräts, und ein bidirektionaler Thyristor 4 als Energiesteuerelement bzw. steuerbarer Halbleiter-Gleichrichter sind zwischen den Anschlüssen 1 und 2 in Serie miteinander verbunden.

Ein an ein Gate G des bidirektonalen Thyristors 4 an­ zulegender Triggerimpuls wird über Anschlüsse 5 und 6 zugeführt.

Ein Optokoppler 7 enthält eine Leuchtdiode 8 und einen Fototransistor 11. Ein erster Anschluß 7-1 des Optokopplers 7 ist über einen strombegrenzenden Wider­ stand 9 mit dem Anschluß 5 verbunden. Ein zweiter An­ schluß 7-2 des Optokopplers 7 ist mit dem Anschluß 6 verbunden. Eine Diode 10 ist antiparallel zur Leucht­ diode 8 geschaltet. Ein an den Anschlüssen 5 und 6 an­ liegender Triggerimpuls läßt die Leuchtdiode 8 aufleuchten. Der das Empfangsteil des Optokopplers 7 darstellende Fototransistor 11 wird daraufhin leitend, wodurch ein Transistor 12 eingeschaltet wird und ein Strom zum Gate G des bidirektionalen Thyristors 4 zu fließen beginnt, so daß dieser eingeschaltet wird. Widerstände 13A und 13B legen den Gatestrom fest, ein Widerstand 14 und ein Kondensator 15 dienen zum Ausfiltern von Störungen.

Ein spannungsabhängiger Widerstand bzw. Varistor 16 schützt vor Überspannungen. Ein Widerstand 17, eine Diode 18 und ein Elektrolytkondensator 19 bilden eine Halbwellen-Gleichrichterschaltung. Eine Zener-Diode 20 erzeugt an den beiden Anschlüssen des Elektrolyt­ kondensators 19 eine Konstantspannung. Ein Widerstand 21 legt eine Basisspannung des Transistors 12 fest.

Selbst wenn dem bidirektionalen Thyristor 4 kein Gate-Trigger­ impuls zugeführt wird, bilden bei der beschriebenen Schaltungsanordnung Anoden A1 und A2 des bidirektionalen Thyristors 4 einen Kurzschluß, so daß weiterhin ein Wechselstrom zur Last 3 fließen könnte. Wenn die Last 3 ein Heizer ist, könnte dieser überhitzen oder ein Feuer verursachen.

Die DE 27 36 304 B2 zeigt eine Sicherheitsschaltung für einen von einer Batterie gespeisten Elektromotor. Dabei kann die Stromzufuhr zu dem Elektromotor im Fehlerfall durch einen Schalter unterbrochen werden. Der Fehlerfall wird dabei durch logische Auswertung sowohl des Steuersignals als auch eines aus dem über einen Meßwiderstand fließenden Motorstrom gewon­ nenen Signals ermittelt. Der Motor wird dort allerdings mit Gleichstrom aus einer Batterie gespeist.

Die DE 31 44 742 A1 zeigt eine Drehzahl-Sicherungsschaltung für drehzahlgeregelte Hauptschluß-Elektromotoren von Hand-Werk­ zeugen. Auch dort kann die Stromzufuhr zu dem Elektromo­ tor durch einen Sicherungsschalter unterbrochen werden. Dabei wird dort der Motorstrom über einen Widerstand geleitet, um Aufschluß über den Motorstrom gewinnen zu können. Zudem wird der Spannungsabfall über ein TRIAC-Bauelement gemessen, um einen dort auftretenden Kurzschluß messen zu können.

Die US 3 848 140 offenbart einen Steuerschaltkreis zur An­ steuerung eines TRIACs als ein Energiesteuerelement, mit dem die Wechselstromzufuhr zu einer Last gesteuert wird. Dabei gibt ein Verstärker als Steuersignal-Eingabeeinrichtung eine Pulswelle als ein das Energiesteuerelement (TRIAC) steuerndes Steuersignal ab. Somit kann mittels einer Photodiode als ei­ ner ersten Erfassungseinrichtung ermittelt werden, ob der Be­ triebszustand des Energiesteuerelements bzw. TRIACS "EIN" oder "AUS" ist.

Wie schon eingangs beschrieben ist, kann es bei einer Steuer­ schaltung gemäß dem vorstehenden Stand der Technik trotz ei­ nes nicht anliegenden Steuerimpulses dazu kommen, daß der TRIAC einen Kurzschluß darstellt, daß also der Last unkon­ trolliert Leistung zugeführt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Siche­ rungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine Beschädigung der Last bei fehlerhaft arbeitendem Energiesteuerelement verhindert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Genauer wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine zweite Er­ fassungseinrichtung erfaßt, ob das Steuersignal in die Steu­ ersignal-Eingabeeinrichtung eingegeben wurde. Die Eingabe des Steuersignals wird dabei durch eine Halteeinrichtung festge­ halten, die bei der Eingabe des Steuersignals in einen Halte­ zustand übergeht und deren Haltezustand normalerweise syn­ chron mit dem zu der Last fließenden Wechselstrom zurückgesetzt wird.

Eine dritte Erfassungseinrichtung kann dadurch eine Abwei­ chung vom Normalzustand des Energiesteuerelements ermitteln, das heißt, wenn die erste Erfassungseinrichtung den Be­ triebszustand des Energiesteuerelements mit "EIN" erfaßt hat und der Haltezustand der zweiten Erfassungseinrichtung trotz­ dem zurückgesetzt ist.

Somit ist es durch eine vierte Erfassungseinrichtung möglich, die Last sicher vor Beschädigungen zu schützen, da diese bei Andauern einer mittels der dritten Erfassungseinrichtung er­ faßten Abweichung vom Normalzustand über eine Zeitdauer von einem halben Wechselstromzyklus hinaus derart ein Ausgangssi­ gnal bildet, daß mittels einer Abschalteinrichtung der Wech­ selstromfluß zu der Last unterbrochen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er­ läutert.

Fig. 1 ist ein Querschnitt und zeigt den Aufbau eines Geräts, bei dem die Erfindung eingesetzt wird;

Fig. 2 ist ein Schaltplan einer herkömmlichen Wechsel­ strom-Steuerschaltung;

Fig. 3 ist ein Schaltplan eines ersten Ausführungsbei­ spiels der erfindungsgemäßen Sicherungseinrich­ tung;

Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm von Spannungs- und Stromver­ läufen der Schaltung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Schaltplan eines zweiten Ausführungsbei­ spiels der erfindungsgemäßen Sicherungeinrich­ tung;

Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm von Spannungs- und Stromver­ läufen der Schaltung gemäß Fig. 5.

Die Fig. 1 ist ein Querschnitt und zeigt den schematischen Aufbau eines Laserdruckers, bei dem die Erfindung ver­ wendet werden kann.

Gemäß Fig. 1 besitzt eine Belichtungsvorrichtung 101 eine Abtast- und eine Lasereinheit. Mittels einer Entwicklungs­ einheit 102 wird ein auf einer fotoempfindlichen Trommel 103 ausgebildetes Latentbild sichtbar gemacht. Eine Ablöse- bzw. Vereinzelungswalze 105 entnimmt einem Papier­ magazin 104 ein Papierblatt und führt es einer Förder­ walze 106 zu. Das von der Förderwalze 106 weitergelei­ tete Papier wird von einem Registrierverschluß 107 so lange angehalten, bis die Projizierung eines Laserstrahls, die Drehung der photoempfindlichen Trommel 103 und die Zufuhr des Papierblatts miteinander synchronisiert sind. Zuführungswalzen 108 fördern das Papierblatt zu einer Übertragungseinheit 109. Eine Fixiereinheit 110 fixiert ein auf das Papierblatt übertragenes Tonerbild. Eine Fixierwalze 110b wird mittels einer Heizvorrichtung 110a erhitzt. Eine Ablagevorrichtung 111 nimmt das ausgegebene Papierblatt auf. Ein herausnehmbarer programmierbarer Festwertspeicher 112 legt einen Zeichensatz fest.

In einem derartigen Laserdrucker wird die zeitliche Auf­ einanderfolge einer Reihe von Arbeitsgängen, wie z. B. die Förderung der Papierblätter, die Ausbildung von Zeichen und das Entwickeln, von einer nicht gezeigten Zentraleinheit durchgeführt.

Die Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Sicherungseinrichtung.

Eine Einheit 22 entspricht der in Fig. 2 gezeigten Ein­ heit, so daß an dieser Stelle auf eine genaue, Beschrei­ bung verzichtet wird. Die Einheit 22 besitzt Anschlüsse 23 bis 28.

Gemäß Fig. 3 liegt ein Relaiskontakt 29 in Serie zu einer Last 3. Der Relaiskontakt 29 wird von einer Relaisspule 30 geöffnet oder geschlossen. Ein Strom aus einer nicht gezeigten Gleichstromquelle V fließt ständig zu der Relaisspule 30, so daß der Relaiskontakt 29 geschlossen ist.

Wenn ein bidirektionaler Thyristor 4 als Energiesteuerelement eingeschaltet wird, fließt über einen Widerstand 32A ein Strom zu einer Diodenbrücke 31. Gemäß Fig. 4a ergibt sich ein Strom­ verlauf, wie man ihn bei einer Vollwellen- Gleichrich­ tung erhält. Dieser fließt in eine Leuchtdiode 33A eines Optokopplers 33. Eine Diode 32B dient als Schutzdiode für die Leuchtdiode 33A.

Eine Ausgangsspannung Vb des Optokopplers 33 hat den in Fig. 4b gezeigten Verlauf. Dargestellt als Strom Ic an einem Anschluß 5, hat ein Triggersignal des bi­ direktionalen Thyristors 4 den in Fig. 4c gezeigten Verlauf C.

Ein Optokoppler 34 wird von dem Strom Ic mit dem Kurven­ verlauf C angesteuert.

Eine Halteeinrichtung bzw. Selbsthalteschaltung 36 enthält einen pnp-Tran­ sistor 37 und einen npn-Transistor 38. Wenn am Opto­ koppler 34 ein Triggerimpuls ankommt, behalten die Transistoren 37 und 38 der Selbsthalteschaltung 36 ihren eingeschalteten Zustand so lange bei, bis die Emitter­ spannung des Transistors 37 nahezu auf 0 V sinkt. Die Selbsthalteschaltung 36 wird daher jedesmal dann zu­ rückgesetzt bzw. gelöscht, wenn ein Transistor 35 ein­ geschaltet wird. Ohne die Selbsthalteschaltung 36 hätte die Ausgangsspannung Vd des Transistors 35 den in Fig. 4d mit einer gestrichelten Linie angedeuteten Verlauf, da in diesem Fall der Spannungsabfall über der Selbst­ halteschaltung 36 nicht berücksichtigt werden müßte. Wenn die Transistoren 37 und 38 jedoch eingeschaltet sind, hat die Ausgangsspannung Vd einen Verlauf mit einem geringerem Spannungshub, wie es in Fig. 4d mit der durchgezogenen Linie dargestellt ist. Wenn der bidirektionale Thyristor 4 von einem am Anschluß 5 an­ liegenden Triggersignal normal eingeschaltet wird, ist die Ausgangsspannung des Transistors 35 gering, so daß auf einem Kondensator 39 nahezu keine Ladung gespeichert wird. Daher verläuft eine Spannung Ve am Kondensator 39 gemäß der durchgezogenen Linie aus Fig. 4e. Da die Spannung Ve die Spannung zwischen Basis und Emitter eines Transistors 40 und die Zener-Spannung einer Zener-Diode 41 nicht überschreitet, wird der Transistor 40 nicht durchgeschaltet.

Wenn der bidirektionale Thyristor 4 selbst dann durch­ geschaltet ist, wenn am Anschluß 5 kein Triggerimpuls eingespeist wird, erzeugt der Optokoppler 34 kein Aus­ gangssignal, so daß die Selbsthalteschaltung 36 aus­ geschaltet wird. Die Ausgangsspannung des Transistors 35 steigt daher an, wodurch sich die Ladung des Kon­ densators 39 erhöht. Die Spannung Ve verläuft daher entsprechend der gestrichelten Linie der Fig. 4e. Wenn die Spannung Ve die Summe V1 aus der Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 40 und der Zener-Span­ nung der Zener-Diode 41 überschreitet, wird der Transistor 40 eingeschaltet. Eine Ausgangsspannung Vf des Transistors 40 hat daher im Normalfall den in Fig. 4f mit einer durchgezogenen Linie angedeuteten Verlauf, während sie im Störungsfall (wenn die Spannung des Kon­ densators 39 also V1 übersteigt) gemäß der, gestrichel­ ten Linie verläuft. Der Transistor 40 wird daher im Störungsfall eingeschaltet, so daß durch eine Sicherung 42 und einen Widerstand 43 ein hoher Strom fließt. Die Sicherung 42 wird dadurch zerstört, wodurch kein Strom mehr durch die Relaisspule 30 fließt, so daß der Relais­ kontakt 29 geöffnet und eine Stromzufuhr der Last 3 unterbrochen wird. Eine Zeitkonstante zur Aufladung des Kondensators 39, die durch Widerstände 44 und 45 und seine Kapazität festgelegt ist, wird so gewählt, daß der Transistor 40 durch mehrere Fehlzündungen des bi­ direktionalen Thyristors 4 nicht eingeschaltet wird.

Der durch die Sicherung 42 fließende Strom wird vom Widerstand 43 begrenzt. Die Sicherung 42 wird eine vorbestimmte Zeitdauer t1, die von ihrer Sicherungscha­ rakteristik festgelegt ist, nach Einschalten des Tran­ sistors 40 zerstört. Ein durch die Relaisspule 30 fließender Strom Ig verläuft gemäß Fig. 4g; dabei ent­ spricht die durchgezogene Linie wiederum dem Normal­ fall, während die gestrichelte Linie dem Störungsfall entspricht.

Die Halteeinrichtung bzw. Selbsthalteschaltung kann auch aus einem Thyristor, einem Gate-Einschalt-Transistor oder einer Flipflop-Schal­ tung aus Transistoren aufgebaut werden. An Stelle der Sicherung 42 kann auch ein Sicherungsautomat ver­ wendet werden. Wenn die Widerstände und Transistoren so ausgewählt werden, daß im Störungsfall kein Strom zur Zener-Diode 41 fließt, kann das von dem Wider­ stand 44 und dem Kondensator 39 gebildete Integrier­ glied weggelassen werden.

Die erfindungsgemäße Sicherungseinrichtung weist demzufolge eine Erkennungsschaltung auf, diese besteht aus dem Optokoppler 33 zum Feststellen eines Strom­ flusses durch die Last, dem Transistor 35 zum Fest­ stellen, ob das Ausgangssignal des Optokopplers 33 darauf zurückzuführen ist, daß ein normales Trigger­ signal für den bidirektionalen Thyristor 4 am Anschluß 5 anliegt, sowie der Selbsthalteschaltung 36.

Wenn die Erkennungsschaltung feststellt, daß der durch die Last 3 fließende Strom nicht normal ist, wird die Sicherung 42 vom Transistor 40 zerstört, so daß das Relais 30 öffnet und der Stromfluß zur Last unterbrochen wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß zu viel Strom durch die Last 3 fließt und diese beschädigt wird.

Da die Sicherung 42 zum Unterbrechen des Stromflusses durch das Relais zerstört wird, wird die Last auch nach Rücksetzen der Schaltung geschützt. Wenn die Sicherung 42 eine Sichtüberprüfung zuläßt, wie z. B. eine in einem Glasrohr eingeschlossene Sicherung, kann das Auftreten einer Betriebsstörung leicht durch Nach­ schauen festgestellt werden.

Wenn bei Öffnen des Relaiskontakts 29 eine Leuchtdiode eingeschaltet oder in Blinkbetrieb gesetzt wird, oder ein Summer zum Erzeugen eines Warntons eingeschaltet wird, ist eine Betriebsstörung ebenfalls leicht zu erkennen.

Mit Hilfe der Erfindung ist es also möglich, in einer Schaltung, bei der ein zu einer Last fließender Wechsel­ strom über einen steuerbaren Halbleiter-Gleichrichter gesteuert wird, zu verhindern, daß ein auf eine Betriebs­ störung zurückzuführender Fehlstrom zur Last fließt und diese überhitzt.

Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sicherungseinrichtung beschrieben. Die Fig. 5 zeigt ein Schaltbild des zweiten Ausführungs­ beispiels. Bezugszeichen, die mit denen der Fig. 3 über­ einstimmen, bezeichnen ähnliche Teile mit ähnlicher Funktion.

Das zweite Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeich­ net, daß ein Ausgang eines Optokopplers 34 über einen Kondensator mit einer Halteeinrichtung bzw. Selbsthalteschaltung 36 gekoppelt ist.

Ein durch einen Fototransistor 34B des Optokopplers 34 fließender Strom fließt über einen Widerstand 46 ab. Dadurch erhöht sich das Potential der mit dem Foto­ transistor 34B verbundenen Seite des Widerstands 46. Als Folge davon fließt ein Strom zu einem Elektrolytkondensator 47 und weiter zu Widerständen 48 und 49, wodurch ein Transistor 50 eingeschaltet wird. Der Kondensator 47 überträgt ein Ausgangssignal des Optokopplers 34 also durch eine Wechselstromkopplung zum Transistor 50. Wenn der Fototransistor 34B des Optokopplers 34 ausgeschal­ tet ist, fließt kein Strom zum Transistor 50. Wenn der Fototransistor 34B jedoch eingeschaltet wird, fließt ein Ladestrom Ih, der den Kondensator 47 auflädt. Gemäß Fig. 6c erhöht sich die Ladung des Kondensators 47 allmählich, wenn der Einschaltzustand aufrechterhalten wird. Wenn sich ein Spannungsabfall Vi am Kondensator 47 der Spannung V der Stromquelle nähert, nimmt der Ladestrom Ih allmählich ab. Daher fließt kein Basis­ strom mehr, so daß der Transistor 50 nicht länger leitet. Da deshalb auch kein Kollektorstrom Ij des Transistors 50 mehr fließt, kann die Selbsthalteschal­ tung 36 nicht mehr neu getriggert bzw. eingeschaltet werden.

Wenn zu diesem Zeitpunkt durch den bidirektionalen Thyristor 4 Strom fließt, verläuft die Kollektorspannung Vd eines Transistors 35 gemäß Fig. 6d. Eine Spannung Ve an einem Kondensator hat folglich den in Fig. 6e gezeigten Verlauf. Wenn die Ladespannung Ve die Summe aus der Zener-Span­ nung einer Zener-Diode 41 und der Spannung zwischen Basis und Emitter eines Transistors 40 übersteigt, wird der Transistor 40 leitend, wodurch ein hoher Strom durch eine Sicherung 42 fließt. Wenn die Sicherung 42 nach einem von ihrer Sicherungscharakteristik festgelegten Zeitraum zerstört ist, fließt kein Strom Ig mehr zu einer Relaisspule 30, ein Relaiskontakt 29 öffnet sich, so daß schließlich kein Strom mehr zu einer Last fließt.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel geschieht die Über­ tragung des Triggerimpulses für die Selbsthalteschaltung 36, durch einen Gate-Triggerimpuls des steuerbaren Halbleiter-Gleichrichters (Triac) in den Haltezustand gebracht wird, nicht durch eine Gleichstromkopplung, sondern durch eine Wechselstromkopplung über den Kon­ densator 47. Daher kann auch dann eine Betriebsstörung festgestellt werden, wenn z. B. die Treiberschaltung der Leuchtdiode des Optokopplers 34 kurzgeschlossen ist und der Triac 4 bei anliegendem Triggerimpuls durchge­ schaltet bleibt.

Claims (7)

1. Sicherungseinrichtung eines Schaltkreises zum Steuern ei­ nes Wechselstromflusses zu einer Last (3) mit
einem Energiesteuerelement (4), mit dem die Wechselstromzu­ fuhr zu der Last (3) gesteuert wird,
einer Steuersignal-Eingabeeinrichtung (5, 6, 22) zum Eingeben eines Steuersignals, mit dem das Energiesteuerelement (4) ge­ steuert wird, und
einer ersten Erfassungseinrichtung (31-33) zum Erfassen, ob der Betriebszustand des Energiesteuerelements (4) "EIN" oder "AUS" ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine zweite Erfassungseinrichtung (34-38) erfaßt, ob das Steuersignal in die Steuersignal-Eingabeeinrichtung (5, 6, 22) eingegeben wurde,
daß die zweite Erfassungseinrichtung (34-38) eine Halteein­ richtung (36) umfaßt, die in einen Haltezustand übergeht, wenn das Steuersignal eingegeben wurde, und die den Haltezu­ stand der Halteeinrichtung (36) synchron mit dem zu der Last (3) fließenden Wechselstrom zurücksetzt,
daß eine dritte Erfassungseinrichtung (39, 41) eine Abwei­ chung vom Normalzustand des Energiesteuerelements (4) erfaßt, wenn die erste Erfassungseinrichtung (31-33) den Betriebszu­ stand des Energiesteuerelements (4) mit "EIN" erfaßt hat und der Haltezustand der zweiten Erfassungseinrichtung (34-38) zu­ rückgesetzt ist, und
daß eine vierte Erfassungseinrichtung (40) bei Andauern einer mittels der dritten Erfassungseinrichtung (39, 41) erfaßten Abweichung vom Normalzustand über eine Zeitdauer von einem halben Wechselstromzyklus hinaus derart ein Ausgangssignal bildet, daß mittels einer Abschalteinrichtung (29, 30, 42) der Wechselstromfluß zu der Last (3) unterbrochen wird.

2. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Impedanzelement (47) in einer elektrischen Verbin­ dung zwischen der Steuersignal-Eingabeeinrichtung (5, 6, 22) und der zweiten Erfassungseinrichtung (34-38).

3. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Erfassungseinrichtung (34-38) eine elektrisch isolierte Signal-Übertragungseinrichtung (34) umfaßt.

4. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrisch isolierte Signal-Übertragungs­ einrichtung ein Optokoppler (34) ist.

5. Sicherungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung, die eine Unterbrechung des Wechselstromflusses zu der Last (3) kennt­ lich macht.

6. Sicherungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtung (29, 30, 42) eine Sicherung (42) und einen Schalter (29, 30) um­ faßt, wobei die Sicherung (42) beim Auftreten des Ausgangssi­ gnals von der vierten Erfassungseinrichtung (40) zerstört wird und der Schalter (29, 30) den Wechselstromfluß zu der Last (3) daraufhin unterbricht.

7. Sicherungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Erfassungsein­ richtung (40) ein Integrierglied aufweist, dessen Zeitkon­ stante größer als ein halber Wechselstromzyklus ist.