DE3701799C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kurzschlußsicheren elektro­ nischen Schalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Schalter ist aus der DE-OS 23 60 678 bekannt.

In Anlagen der Fertigungs- und Verfahrenstechnik, z. B. Prozeßsteueranlagen, werden als Schalter dienende Transi­ stor-Leistungsendstufen zum Schalten von Verbrauchern, z. B. Lampen oder Relais, verwendet. Da oft eine Vielzahl von solchen Schaltern eingesetzt ist und diese zudem über lange Ausgangsleitungen mit den zu betätigenden Elementen verbunden sind, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß Kurz­ schlüsse in den Ausgängen der Schalter auftreten.

Aus der DE-PS 22 13 921 ist ein Schaltersystem bekannt, das je Schalter ein Koinzidenzglied enthält, dessem einen Eingang das den Schalter steuernde Eingangssignal zuge­ führt ist und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des jeweiligen Schalters 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 zuge­ führt. Im Falle eines Kurzschlusses im Lastkreis wird die Ausgangsspannung nur während der Dauer der Impulse auf den Ausgang geschaltet. Häufig müssen solche Schalter poten­ tialfrei betrieben werden, z. B. wenn Anlagenteile mit den Verbrauchern auf einem anderen 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 Betriebs­ spannung von z. B. 1 V erhalten, so daß sie in nicht genau spezifizierten Arbeitsbereichen betrieben werden müssen. Eine worst-case-Dimensionierung ist nicht möglich.

In der US-PS 46 31 623 ist ein elektronischer Schalter beschrieben, der gegen Überlast und Kurzschluß geschützt ist. Eine Überwachungsschaltung überwacht den Laststrom auf Überschreiten eines Grenzwertes. Das Steuersignal für den Schalter wird über eine logische Verknüpfungsschaltung sowie einen ersten Optokoppler einem Transistorschalter zugeführt. Ausgangsspannung und Strom des Schalters werden überwacht. Im Falle des Überschreitens eines Grenzwertes wird ein Meldesignal über einen zweiten Optokoppler auf die logische Verknüpfungsschaltung gegeben und von dieser mit dem Steuersignal sowie einem Taktsignal verknüpft, derart, daß der Laststrom gesperrt wird, wenn die Über­ wachungseinrichtung einen den Grenzwert überschreitenden Laststrom feststellt, und daß bei Auftreten eines Takt­ impulses der Laststrom eingeschaltet wird. Die beiden Optokoppler sorgen für eine galvanische Trennung des Schalters von dem die logische Verknüpfungsschaltung ent­ haltenden Steuerkreis. Die Bauelemente auf der potential­ freien Seite werden mit der im Vergleich zur Durchlaß­ spannung des Schalttransistors hohen Versorgungsspannung betrieben, so daß außer einer Anschlußklemme für die Ver­ sorgungsspannung und einer Klemme für die Last auch eine gemeinsame Klemme für die Versorgungsspannung und die Last erforderlich ist.

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

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

Die Kurzschlußmeldung wird von der potentialfreien auf die potential­ gebundene Seite übertragen und dort verarbeitet. 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 V1 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 V4 aufsteuert, der seinerseits den Schalttransistor V1 in den Durchlaßzustand schaltet.

In Reihe zum Schalttransistor V1 liegt ein Strommeßwiderstand R1, dem die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors V2 paral­ lelgeschaltet ist. Übersteigt der Laststrom einen einstell­ baren Wert, wird der Transistor V2 geöffnet, und sein Kollek­ torstrom fließt durch einen zweiten Optokoppler H2. 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 V1 wird daher nach der Zeit t die Kippstufe BK zurückgesetzt und damit das UND- Glied U gesperrt, so daß der Schalttransistor V1 Sperrsignal erhält. Mit dem nächsten Impuls des Taktgebers TG wird die Kippstufe BK wieder gesetzt und, wenn das Steuersignal noch anliegt, der Transistor V1 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 V1 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 V1 während der Verzögerungszeit t nicht überlastet wird, ist eine Strombegrenzung vorgesehen. Hierzu wird ein Transistor V3 über einen Spannungsteiler R2, R3 mit der am Strommeßwiderstand R1 abfallenden Spannung angesteuert. Überschreitet diese Spannung einen vorgegebenen Wert, der größer ist als der, bei dem der Transistor V2 durchgesteuert wird, erhält mit zunehmendem Spannungsabfall der Treibertran­ sistor V4 und damit der Schalttransistor V5 zunehmend Sperrsignal.

Claims (4)

1. Kurzschlußsicherer elektronischer Schalter

• - mit einer Schalteinrichtung (V1, V4) zum Schalten eines Stromes durch eine Last (RV) aus einer Spannungsquelle (SQ) in Abhängigkeit eines Steuersignals,
• - mit einer Überwachungseinrichtung (R1, V2) zum Über­ wachen des Laststromes auf Überschreiten eines Grenz­ wertes,
• - mit einer bistabilen Kippstufe (BK), deren Setzeingang (S) Taktimpulse zugeführt sind und deren Rücksetzeingang (R) über ein Verzögerungsglied (VZ) der Überwachungs­ einrichtung (R1, V2) nachgeschaltet ist,
• - mit einem Koinzidenzglied (U), dessen erster Eingang mit dem Ausgang der bistabilen Kippstufe (BK) verbunden ist, dessem zweiten Eingang das Steuersignal zugeführt ist und mit dessen Ausgangssignal die Schalteinrichtung (V1, V4) gesteuert ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen das Koinzidenzglied (U) und die Schalt­ einrichtung (V1, V4) ein diese steuernder erster Opto­ koppler (H1) geschaltet ist,
• - daß zwischen die Überwachungseinrichtung (R1, V2) und das Verzögerungsglied (VZ) ein von der Überwachungs­ einrichtung gesteuerter zweiter Optokoppler (H2) ge­ schaltet ist und
• - daß ein gemeinsamer Verbindungspunkt zweier Anschlüsse der beiden Optokoppler (H1, H2) über die Last (RV) mit einem Pol der Spannungsquelle (SQ) verbunden ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung einen im Laststromkreis liegenden Strommeßwiderstand (R1) enthält, dem die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (V2) parallelgeschaltet ist, in dessen Kollektorkreis der zweite Optokoppler (H2) geschaltet ist.

3. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtung einen Laststrombegrenzer (R2, R3, V3) enthält.