DE3701799A1 - Kurzschlusssicherer elektronischer schalter - Google Patents

Description

In Anlagen der Fertigungs- und Verfahrenstechnik, z. B. Pro­ zeßsteueranlagen, werden als Schalter dienende Transistor- Leistungsendstufen zum Schalten von Verbrauchern, z. B. Lam­ pen oder Relais, verwendet. Da oft eine Vielzahl von solchen Schaltern eingesetzt ist und diese zudem über lange Ausgangs­ leitungen mit den zu betätigenden Elementen verbunden sind, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß Kurzschlüsse in den Aus­ gängen der Schalter auftreten.

Aus der DE-PS 22 13 921 ist ein Schaltersystem bekannt, das je Schalter ein Koinzidenzglied enthält, dessen einen Eingang das den Schalter steuernde Eingangssignal zugeführt ist und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des jeweiligen Schal­ ters verbunden ist und das im Falle einer Überlast des Schalters das Sperren des Ausgangstransistors bewirkt. Den zweiten Eingängen der Koinzidenzglieder sind ferner Impulse mit kleinem Puls-Pausen-Verhältnis zugeführt. Im Falle eines Kurzschlusses im Lastkreis wird die Ausgangsspannung nur während der Dauer der Impulse auf den Ausgang geschaltet. Häufig müssen solche Schalter potentialfrei betrieben werden, z. B. wenn Anlagenteile mit den Verbrauchern auf einem ande­ ren Potential liegen als die steuernden Anlagenteile. Dabei tritt die Schwierigkeit auf, daß in geschaltetem Zustand des Schalters die mit diesem verbundenen Bauelemente nur eine kleine Betriebsspannung von z. B. 1 V erhalten, so daß sie in nicht genau spezifizierten Arbeitsbereichen betrieben werden müssen. Eine worst-case-Dimensionierung ist nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kurzschlußsicheren Schalter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, der zum Schalten von Strömen in potentialfreien Stromkreisen geeignet und zuverlässig gegen Kurzschlüsse gesichert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung beruht somit darauf, daß die Kurzschlußmeldung von der potentialfreien auf die potentialgebundene Seite übertragen und dort verarbeitet wird. Da auf der potential­ gebundenen Seite eine ausreichende Spannung zur Verfügung steht, können die Bauelemente so dimensioniert und betrieben werden, daß bei Kurzschluß ein zuverlässiges Abschalten und Wiedereinschalten, auch im worst-case-Fall, erreicht wird.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt ist, werden im folgenden Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung näher beschrieben und er­ läutert.

Mit V 1 ist ein Schalttransistor bezeichnet, der den Strom durch eine Last RV aus einer potentialfreien Spannungsquelle SQ schaltet. Die Steuersignale für den Schalter sind einem Eingang E zugeführt, der mit dem einen Eingang eines Koinzi­ denzgliedes, im Ausführungsbeispiel ein UND-Glied U, verbun­ den ist. An dessen zweiten Eingang ist eine bistabile Kipp­ stufe BK angeschlossen, deren Eingang S Taktimpulse von einem Taktgeber TG zugeführt sind. An das UND-Glied U ist ein Opto­ koppler Hl angeschlossen, der, wenn die UND-Bedingung am Ein­ gang des UND-Gliedes U erfüllt ist, einen Treibertransistor V 4 aufsteuert, der seinerseits den Schalttransistor V 1 in den Durchlaßzustand schaltet.

In Reihe zum Schalttransistor V 1 liegt ein Strommeßwiderstand R 1, dem die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors V 2 paral­ lelgeschaltet ist. Übersteigt der Laststrom einen einstell­ baren Wert, wird der Transistor V 2 geöffnet, und sein Kollek­ torstrom fließt durch einen zweiten Optokoppler H 2. An ihn ist ein Verzögerungsglied VZ mit einer Verzögerungszeit t angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Eingang R der bista­ bilen Kippstufe BK verbunden ist. Bei Auftreten eines Kurz­ schlusses im Lastkreis des Transistors V 1 wird daher nach der Zeit t die Kippstufe BK zurückgesetzt und damit das UND- Glied U gesperrt, so daß der Schalttransistor V 1 Sperrsignal erhält. Mit dem nächsten Impuls des Taktgebers TG wird die Kippstufe BK wieder gesetzt und, wenn das Steuersignal noch anliegt, der Transistor V 1 in den Durchlaßzustand geschaltet. Besteht der Kurzschluß noch, wird die Kippstufe nach der Zeit t wieder zurückgesetzt. Da das Verzögerungsglied VZ, die Kippstufe BK und das UND-Glied U auf der potentialgebundenen Seite angeordnet sind und daher mit einer üblichen Spannung von z. B. 5 V versorgt werden, können die Arbeitspunkte exakt eingestellt werden, so daß auch die Verzögerungszeit t und die Periodendauer des Taktgebers TG in weiten Grenzen einge­ stellt und den jeweiligen Erfordernissen des Schalters opti­ mal angepaßt werden können. Die Verzögerungszeit t des Verzö­ gerungsgliedes VZ muß z. B. im Falle einer Last, die eine Einschaltstromspitze bewirkt, z. B. einer Glühlampe, so be­ messen sein, daß am Ende der Verzögerungszeit der Laststrom auf den Nennwert abgesunken ist. Andererseits darf aber im Falle eines Kurzschlusses die mittlere Verlustleistung nicht zu einer Gefährdung des Transistors V 1 führen. Die maximale mittlere Verlustleistung kann durch das Verhältnis der Ver­ zögerungszeit t zu Periodendauer der Impulse des Taktgebers TG eingestellt werden.

Damit der Transistor V 1 während der Verzögerungszeit t nicht überlastet wird, ist eine Strombegrenzung vorgesehen. Hierzu wird ein Transistor V 3 über einen Spannungsteiler R 2, R 3 mit der am Strommeßwiderstand R 1 abfallenden Spannung angesteuert. Überschreitet diese Spannung einen vorgegebenen Wert, der größer ist als der, bei dem der Transistor V 2 durchgesteuert wird, erhält mit zunehmendem Spannungsabfall der Treibertran­ sistor V 4 und damit der Schalttransistor V 5 zunehmend Sperrsignal.

Claims (4)

1. Kurzschlußsicherer elektronischer Schalter

• - mit einer Schalteinrichtung (V 1, V 4) zum Schalten eines Laststromes in Abhängigkeit eines Steuersignals,
• - mit einer Überwachungseinrichtung (R 1, V 2) zum Überwachen des Laststromes auf Überschreiten eines Grenzwertes,
• - mit einer Verknüpfungseinrichtung (BK, U) zum logischen Verknüpfen des Steuersignals mit dem Ausgangssignal der Überwachungseinrichtung und eines Taktgebers (TG), derart, daß die Schalteinrichtung (V 1) den Laststrom sperrt, wenn die Überwachungseinrichtung einen den Grenzwert überschrei­ tenden Laststrom feststellt, und daß sie den Laststrom bei Auftreten eines Taktimpulses durchschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verknüpfungseinrichtung (BK, U) und die Schalteinrichtung (V 1, V 4) sowie zwischen die Überwachungseinrichtung (R 1, V 2) und die Verknüpfungseinrichtung jeweils ein Optokoppler (H 1, H 2) geschaltet ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verknüpfungseinrichtung eine bistabile Kippstufe (BK) enthält, deren Setzeingang (S) die Taktimpulse zugeführt sind, dessen Rücksetzeingang (R) die Ausgangsimpulse des zweiten Optokopplers (H 2) über ein Ver­ zögerungsglied (VZ) zugeführt sind und deren Ausgang mit dem einen Eingang eines Koinzidenzgliedes (U) verbunden ist, dessen zweitem Eingang das Steuersignal zugeführt ist und an das der erste Optokoppler (H 1) angeschlossen ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung einen im Laststromkreis liegenden Strommeßwiderstand (R 1) enthält, dem die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (V 2) parallelgeschaltet ist, in dessen Kollektorkreis der zweite Optokoppler (H 2) geschaltet ist.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtung einen Laststrombegrenzer (R 2, R 3, V 3) enthält.