Die Erfindung betrifft eine zweifach fehlersichere Schalt
einrichtung für einen Lastkreis gemäß Oberbegriff des An
spruches 1.
Prinzipiell gesehen versteht man hierunter eine Schaltein
richtung zur Schaltung einer Last, in der die entsprechen
den Schaltelemente im Hinblick auf ein fehlerhaftes Ver
halten überwacht werden. Speziell ist die Überwachung da
rauf ausgerichtet, bei Auftreten eines beliebigen Fehlers
oder von zwei beliebigen Fehlern, ein ungewolltes Einschal
ten der Last zu verhindern. Erst beim Auftreten von minde
stens drei beliebigen Fehlern ist bei einer derartigen
Schalteinrichtung ein ungewolltes Zuschalten der Last mög
lich. In diesem Sinne wird die Schalteinrichtung als zwei
fach fehlersichere Einrichtung bezeichnet, da allein beim
Auftreten von mehr als zwei Fehlern die Last ungewollt ge
schaltet werden kann.
Schalteinrichtungen dieser Art sind bereits bekannt. So
ist z. B. aus der DE-PS 24 00 723 eine Schalteinrichtung
bekannt, die im sogen. Taktbetrieb arbeitet, d. h. die Bau
elemente der Schalteinrichtung werden ständig über einen
hochfrequenten Takt auf einwandfreie Funktion abgefragt.
Bei Versagen eines dieser Bauelemente wird der Taktbetrieb
sofort unterbrochen und die Last kann nicht mehr zugeschal
tet werden oder wird abgeschaltet. Bei dieser gattungsge
mäßen Schalteinrichtung kann es als Nachteil angesehen
werden, daß der Laststrom von der Sekundärwicklung eines
Übertragers abgeleitet wird. Dies bedeutet, daß man bei
einem großen Leistungsbedarf an der Last den Übertrager re
lativ voluminös auslegen muß, so daß dieser in einem rela
tiv kleinen Gehäuse nicht mehr angeordnet werden kann.
Eine andere zweifach fehlersichere Schaltung ist weiterhin
aus der DE-OS 35 41 338 bekannt. Diese bekannte Schaltein
richtung stellt eine selbstüberwachende Relaisschaltung
dar, wobei es einerseits als nachteilig angesehen werden
kann, daß die beiden Schaltelemente der Relais Umschalt
kontakte benötigen, so daß eine höhere Störanfälligkeit
besteht. Insbesondere werden aber im Fehlerfall die Last-
und die Steuerspannung der Relais galvanisch verbunden, so
daß hierdurch weitere Fehler induziert werden können, aber
auch ungewollt im Relaiskreis hohe Spannungs- und Stromwer
te auftreten können, die Sicherheitsprobleme aufwerfen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schalteinrichtung
im Hinblick auf die Zweifach-Fehlersicherheit mit einem vom
Grundprinzip her einfachen Überwachungskreis auszulegen,
der für Wechselstrom und Gleichstrom geeignet ist und den
unterschiedlichen Einsatzzwecken und Schaltelementen leicht
angepaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß duch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Ein grundlegender Gedanke der Erfindung kann darin gesehen
werden, den Überwachungskreis, der die zu überwachenden
und betätigbaren Schaltelemente sowie die Überwachungsein
richtung aufweist, als einfache Brückenschaltung auszule
gen, in der die Überwachungseinrichtung eine Verstimmung
bzw. Veränderung des Brückenabgleichs detektiert und da
von ausgehend eine entsprechende Meldung bzw. Schaltung
zur Einhaltung der zweifachen Fehlersicherheit veranlaßt.
Definitionsgemäß müssen dabei die beiden, die Last schal
tenden und unabhängig voneinander steuerbaren Schaltele
mente, die gleichzeitig geschaltet werden, bei fehler
freiem Betrieb stets einen definierten Schaltzustand ha
ben. Dieser definierte Schaltzustand kann z. B. bedeuten,
daß beide Schaltelemente geöffnet sind oder daß eines ge
öffnet und das andere Schaltelement geschlossen ist.
In einfachster Ausführungsform handelt es sich dementspre
chend um zwei einpolige Schaltelemente, z. B. mechanische
Kontakte. Die steuerbaren Schaltelemente können auch
steuerbare Halbleiter, wie z. B. Transistoren oder Thyri
storen oder auch Oszillatoren sein bzw. sogar als Kombina
tion derartiger Schaltelemente ausgebildet sein, wobei es
jedoch wesentlich ist, daß diese Bauelemente von einem
hochohmigen in einen niederohmigen Zustand und umgekehrt
steuerbar sind.
Eine weitere grundlegende Idee der Erfindung besteht darin,
daß die Überwachungseinrichtung, die die Verstimmung der
entsprechenden Brückenschaltung detektiert, vpn der Span
nungs- bzw. Stromversorgung der Last mitversorgt wird, wo
bei dies üblicherweise durch entsprechende Spannungstei
lung bzw. Stromteilung erfolgt, so daß nur eine relativ ge
ringfügige Energieaufnahme durch die Überwachungseinrich
tung vorhanden ist. Außerdem wird eine galvanische Kopp
lung zwischen der Lastspannung und der Steuerspannung für
die Schaltelemente vermieden.
Sofern die Überwachungseinrichtung in der Brückenschaltung
eine Veränderung des im fehlerfreien Zustand vorhandenen
Brückenabgleichs feststellt, wird über ein entsprechendes
Ausgangssignal der Überwachungseinrichtung die Schaltein
richtung direkt oder indirekt in einen entsprechenden Zu
stand versetzt, der die Zuschaltung der Last, also ein Ver
sorgen der Last mit Arbeitsspannung verhindert.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann darin gesehen werden, in
die entsprechende Brückenschaltung, die entweder in Serie
zur zu schaltenden Last liegen kann oder die selbst die
Last parallel zur Überwachungseinrichtung aufweist, oder
in der die Last parallel zu einem der beiden Schaltelemen
te liegt, die zu überwachenden und zu schaltenden Schalt
elemente in Reihe in einem Brückenzweig anzuordnen und
diese diagonal gegenüberliegend in den zwei Brückenzweigen
vorzusehen.
Die zusammen mit den zwei Schaltelementen in der Brücken
schaltung weiterhin vorgesehenen Bauelemente können im ein
fachsten Fall zwei Widerstände, vorzugsweise hochohmige
Widerstände, sein, wobei die Überwachungseinrichtung bei in
Reihe liegenden oder diagonal gegenüberliegenden Schaltele
menten zwischen den Verbindungspunkten der Schaltelemene
und der Widerstände geschaltet werden kann und hiermit den
Überwachungspfad bildet.
Die Überwachungseinrichtung selbst ist so ausgelegt, daß
ein Defekt in der Überwachungseinrichtung ein Zuschalten
der Last verhindert. Ein besonderer Vorteil des erfindungs
gemäßen Prinzips mit einer Brückenschaltung besteht darin,
daß hierdurch sowohl eine gleichstrommäßige sowie wechsel
strommäßig geschaltete Last überwacht werden kann. Zweck
mäßigerweise ist eine Entkopplung zwischen dem Last- und
Überwachungskreis einerseits und dem die Schaltelemente be
tätigenden, insbesondere diese mit einem fehlersicheren
Signal ansteuernden Schaltkreis vorgesehen. Diese Entkopp
lung kann sowohl induktiv als auch opto-elektronisch oder
in einer Kombination dieser Funktionsweisen erfolgen.
In einer einfachen Ausführungsform weist aus diesem Grund
die Überwachungseinrichtung mindestens eine Fotodiode auf,
deren Signal sowohl visuell aufnehmbar ist als auch opto-
elektronisch z. B. im Rahmen eines Optokopplers eine Betä
tigung der Schaltelemente realisieren kann.
Ein Optokoppler in dieser Art könnte z. B. aus einer oder
zwei antiparallel geschalteten Fotodioden in der Überwa
chungseinrichtung bestehen, die optisch z. B. einen Foto
transistor in einem die Schaltelemente betätigenden elek
tronischen Schalter ansteuert. Hierdurch ist eine optimale
Entkopplung zwischen dem Lastkreis und dem Steuerkreis der
Schaltelemente realisiert.
Besonders vorteilhaft ist es, den Überwachungskreis, der
die Überwachungseinrichtung mit der Brückenschaltung um
faßt, nicht ständig mit Spannung zu versorgen, sondern erst
dann zuzuschalten, wenn ein Einschaltbefehl für die zu
überwachenden Schaltelemente ansteht. Die zu überwachenden
Schaltelemente werden in diesem Fall zweckmäßigerweise mit
kurzer Verzögerungszeit nach dem Auftreten des Einschalt
befehls zugeschaltet. Hierdurch ist gewährleistet, daß die
Überwachungseinrichtung zunächst auf Fehlerfreiheit prüfen
kann. Im Falle eines detektierten Fehlers kann dementspre
chend das Einschalten des oder der verzögert zugeschalte
ten Schaltelemente verhindert werden. Diese Funktionsweise
ist auch gewährleistet, obwohl der Einschaltbefehl sozusa
gen ständig ansteht.
Das Grundprinzip der Erfindung ermöglicht es, die zu schal
tende Last in Reihe mit der Brückenschaltung oder innerhalb
der Brückenschaltung und zwar in der Brückendiagonale oder
parallel zu einem Schaltelement vorzusehen. Die Überwa
chungseinrichtung kann entsprechend in der Brückendiagona
le oder in einem Brückenzweig angeordnet werden. Im letzte
ren Fall kann die Brückendiagonale kurzgeschlossen werden,
wobei die Last dann nur in Reihe mit der Brückenschaltung
oder parallel zu einem Schaltelement vorgesehen ist.
Liegt die Last parallel zur Überwachungseinrichtung in der
Brückendiagonale, wird zweckmäßigerweise eine Diode in
Reihe zur Last vorgesehen, so daß für den Fall der Fehler
erkennung durch die Überwachungseinrichtung auch ein Rest
strom durch die Last verhindert wird. Die Überwachungs
einrichtung kann des weiteren neben der Fehlerfunktion
im Hinblick auf die zu schaltenden Schaltelemente auch so
ausgelegt sein, daß ein Unterschreiten der Arbeitsspan
nung für die Last unter einen bestimmten Grenzwert detek
tiert wird und auch hierdurch ein Abschaltvorgang ausge
löst werden kann. Gleiches gilt auch dafür, daß auch beim
Erkennen einer Überlast die Schaltelemente durch die Über
wachungseinrichtung initiiert abgeschaltet werden können.
Für den Fall einer Wechselstromversorgung der Last wird
zweckmäßigerweise in der Brückendiagonale selbst eine
Gleichrichterbrücke, z. B. mit vier Dioden, vorgesehen und
die Überwachungseinrichtung in den Gleichstrompfad dieser
Gleichrichterbrücke gelegt. Eine andere Möglichkeit be
steht in der antiparallelen Anordnung von z. B. zwei Foto
dioden.
In Hinblick auf die hohen Anforderungen an ein fehlersiche
res Schalten einer Last kann die Überwachungseinrichtung
mit einer Selbsthalteeinrichtung ausgelegt werden, die nach
dem Ansprechen bzw. dem Fehlererkennen durch die Überwa
chungseinrichtung in Funktion tritt. Die Aufhebung dieser
Selbsthaltung sollte dabei nur über ein spezielles, die
Überwachungseinrichtung ansteuerndes Signal erfolgen, so
daß Fehlschaltungen vermieden werden können.
Bevorzugterweise eignet sich die Schalteinrichtung zur Ver
wendung in einem elektronischen Schalter, speziell einem
induktiven Näherungsschalter, in dem die Ausgangslast erst
nach zweifach-fehlersicherer Prüfung geschaltet wird. Mit
anderen Worten, ist ein bevorzugtes Anwendungsgebiet bei
induktiven Näherungsschaltern zu sehen, über die die An
steuerung der zu überwachenden Schaltelemente erfolgt.
Geeigneterweise kann bei der Verwendung einer Wechselspan
nung als Arbeitsspannung für die Last die Überwachungsein
richtung als Übertrager ausgelegt sein, dessen Primärwick
lung im Überwachungskreis liegt und dessen Sekundärwicklung
bzw. -wicklungen zur Abschaltung der Schaltelemente benutzt
wird bzw. werden.
Einzelheiten und verschiedene Ausführungsformen der Erfin
dung werden nachstehend anhand schematischer Schaltbei
spiele noch näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein einfaches, prinzipielles Ausführungsbeispiel
eines Überwachungskreises in Brückenschaltung mit
dazu in Reihe geschalteter Last, wobei die zu schal
tenden Schaltelemente in Reihe zueinander angeord
net sind;
Fig. 2 ein weiteres Beispiel einer Brückenschaltung in
Reihe zur Last mit diagonal in den einzelnen
Brückenzweigen angeordneten Schaltelementen;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Last parallel
zur Überwachungseinrichtung liegt;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schalt
einrichtung mit parallel zur Überwachungseinrich
tung in der Brückenschaltung liegender Last;
Fig. 5 und 6 jeweils eine abgewandelte Ausführungsform der Schalt
einrichtung nach Fig. 1 mit anderen Schalt- und Bau
elementen;
Fig. 7 ein erweitertes Ausführungsbeispiel entsprechend
der Fig. 4 mit der Ansteuerung der zu überwachenden
Schaltelemente über einen in einem elektronischen
Schalter vorgesehenen Optokoppler;
Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung der Überwachungs
einrichtung gemäß dem Beispiel nach Fig. 1;
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der Überwachungsein
richtung in einer Brückenschaltung nach Fig. 1;
Fig. 10 eine Ausführungsform für Gleichspannungsbetrieb,
bei der die Last in Reihe mit der Brückenschal
tung liegt, die Brückendiagonale kurzgeschlossen
ist und die Überwachungsschaltung in einem Brücken
zweig angeordnet ist;
Fig. 11 ein zweites prinzipielles Ausführungsbeispiel mit
unterschiedlichem Schaltzustand der Schaltelemente
im fehlerfreien Betrieb, wobei die Last parallel
zu einem Schaltelement liegt und
Fig. 12 eine Abänderung des Beispiels nach Fig. 11, mit
der ein verzögertes Schalten der Schaltelemente
erreichbar ist.
Das Grundprinzip der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt.
Die Schalteinrichtung 30 weist einerseits eine Brückenschal
tung 29 auf, die in Serie mit einer Last 6 geschaltet ist.
Die Brückenschaltung 29 und die Last 9 werden zusammen von
dem Generator 7 mit Spannung bzw. mit Strom versorgt.
In der Brückenschaltung 29 sind in einem Brückenzweig die
zu überwachenden und gleichzeitig betätigbaren Schaltele
mente 1 und 2 vorgesehen. Im anderen Brückenzweig liegen im
Beispiel nach Fig. 1 zwei Widerstände 3 und 4, die zweck
mäßigerweise hochohmig gewählt werden. Die Schaltelemente 1
und 2 sowie die Widerstände 3 und 4 bilden zusammen die
Brückenschaltung 29, in deren Brückenzweig bzw. zwischen
den Verbindungspunkten der Schaltelemente 1 und 2 und dem
Verbindungspunkt der Widerstände 3 und 4 eine Überwachungs
einrichtung 5 geschaltet ist.
Die Überwachungseinrichtung 5 hat dabei die Funktion, eine
Verstimmung oder eine Veränderung des Brückenabgleichs fest
zustellen und ein entsprechendes Ausgangssignal an eine
nachgeschaltete, hier nicht dargestellte Schaltung zu ge
ben.
Der Generator 7 kann prinzipiell eine Gleichspannung oder
eine Wechselspannung 7 erzeugen. Funktionell betrachtet sei
zunächst angenommen, daß die Schaltelemente 1 und 2 fehler
frei arbeiten, d. h. beide Schaltelemente sind entweder of
fen oder gleichzeitig geschlossen.
Im Falle, daß beide Schaltelemente 1 und 2 offen sind, fließt
ein Reststrom über die hochohmigen Widerstände 3 und 4 zur
Last. Über die Überwachungseinrichtung fällt keine Spannung
ab, so daß funktionell der Brückenabgleich im Sinne von
"fehlerfrei" bestätigt wird.
Für den Fall, daß beide Schaltelemente 1 und 2 geschlossen
sind, wird die Last 6 über den kurzgeschlossenen Brücken
zweig der Brückenschaltung 29 direkt an den Generator 7 ge
legt. Auch in diesem Falle fällt keine Spannung über die
Überwachungseinrichtung 5 ab.
Schaltungstechnisch wird vorausgesetzt, daß die Schaltelemen
te 1 und 2 unabhängig voneinander, von separaten Bauelementen
angesteuert werden. Da als Fehler definiert ist, daß eines
der Schaltelemente bei Betätigung einen anderen Schaltzu
stand als das andere Schaltelement einnimmt, wird z. B. der
Fall betrachtet, daß das Schaltelement 1 geschlossen und das
Schaltelement 2 offen ist. Für diesen Fall fließt über das
geschlossene Schaltelement 1, die Überwachungseinrichtung 5
und den Widerstand 4 ein Strom zur Last 6. Dies bedeutet,
daß die Überwachungseinrichtung 5 eine Veränderung des ur
sprünglichen Brückenabgleichs feststellt, so daß dies als
"Fehler" detektiert wird. Die Weiterschaltung eines entspre
chenden Ausgangssignals zur Überwachungseinrichtung 5 wird
anhand des Beispiels nach Fig. 7 noch erläutert.
Mit anderen Worten wird beim Versagen eines der beiden
Schaltelemente 1 oder 2 die Überwachungseinrichtung 5 mit
Spannung versorgt, so daß als Reaktion darauf ein oder bei
de Schaltelemente 1, 2 abgeschaltet werden.
Prinzipiell gesehen kann die Brückenschaltung auch
so ausgelegt sein, daß in der Phase des normalerweise be
stehenden Brückenabgleichs als Indiz für die Fehlerfrei
heit ein Ausgangssignal erzeugt wird, wohingegen bei
einem Fehler ein Ausgangssignal eines unterschiedlichen
Pegels vorhanden ist.
Im Beispiel nach Fig. 1 ist die zweifache Fehlersi
cherheit der Schalteinrichtung dadurch gegeben, daß bei
spielsweise sowohl die Überwachungseinrichtung 5 als auch
eines der Schaltelemente 1 oder 2 versagen kann, ohne daß
die Last an die Arbeitsspannung des Generators 7 geschal
tet wird. Erst bei mindestens drei Fehlern würde die Last
unzulässigerweise mit Spannung versorgt werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist prinzipiell gesehen
der Widerstand 4 mit dem Schaltelement 2 im Vergleich zu
dem Beispiel nach Fig. 1 getauscht worden. Der eine Brücken
zweig wird daher vom Schaltelement 1 in Serie mit dem Wi
derstand 4 und der zweite Brückenzweig vom Widerstand 3 in
Serie mit dem Schaltelement 2 gebildet. Die Überwachungs
einrichtung 5 liegt in der Brückendiagonale , so daß bei
geöffneten Schaltelementen 1 und 2 ein Stromfluß über die
Widerstände 3 und 4 zusammen mit der Überwachungseinrich
tung 5 zur Last 6 erfolgt. Im Beispiel nach Fig. 2 sind
des weiteren zwei Dioden 8 und 9 antiparallel zur Überwa
chungseinrichtung 5 geschaltet.
Im Gegensatz zum Beispiel nach Fig. 1 wird diesmal die
Überwachungseinrichtung nur dann mit Spannung versorgt,
wenn beide Schaltelemente den gleichen Zustand haben, d. h.
es liegt eine umgekehrte Wirkungsrichtung wie nach Fig. 1
vor. Da in der Ausführungsform nach Fig. 2 der Laststrom
durch die Überwachungseinrichtung 5 fließen muß, ist die
Überwachungseinrichtung 5 zweckmäßigerweise niederohmig
ausgebildet. Die antiparallel geschalteten Dioden 8 und 9
können zusätzlich vorgesehen werden und begrenzen dabei
den Spannungsabfall über die Überwachungseinrichtung, so
daß die maximale Spannung an der Überwachungseinrichtung 5 gleich
der Schwellenspannung der Dioden 8 und 9 ist. Die anti
parallele Schaltung ist im Hinblick auf eine Wechsel
spannung am Generator 7 vorgesehen. Bei Gleichspannung
genügt auch eine entsprechend geschaltete Diode.
Im Beispiel nach Fig. 3 liegt die Last nicht mehr - wie
in den Fig. 1 und 2 - in Serie zur Brückenschaltung 29,
sondern ist parallel zur Überwachungseinrichtung 5 in die
Brückenschaltung integriert worden. Die Wirkungsweise die
ser Schaltung entspricht weitgehend der nach Fig. 2. Im
Falle der Zuschaltung der Last, was im Regelfall einem
geschlossenen Zustand der beiden Schaltelemente 1 und 2
entspricht, wird über die Überwachungseinrichtung die an
der Last abfallende Spannung detektiert. Im Fehlerfall,
z. B. bei geöffnetem Schaltelement 1 und geschlossenem
Schaltelement 2, fällt hingegen die Betriebsspannung vom
Generator 7 über den Brückenzweig mit dem Widerstand 3 und
dem Schaltelement 2 ab, so daß die Überwachungseinrich
tung 5 spannungslos wird. Mit dem Beispiel nach Fig. 3
kann auch ein Kurzschluß der Last 6 erkannt werden, nach
dem bei einem derartigen Lastkurzschluß die Überwachungs
einrichtung 5 nicht mehr mit Spannung versorgt wird.
Eine besondere Gestaltung der Überwachungseinrichtung 5
aus Fig. 3 ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Last 6 liegt
dabei in Reihe zu einer Diode 25, wobei dieser Pfad paral
lel zur Überwachungseinrichtung 5 in der Brückenschaltung
vorgesehen ist. Im Beispiel nach Fig. 4 besteht die Über
wachungseinrichtung 5 aus einem Transistor 10, dessen
Emitter mit dem Widerstand 3 bzw. der Kathode der Diode 25
verbunden ist. Die Basis des Transistors 10 liegt über
einen Widerstand 11 am Schaltelement 1 und am Widerstand
4. Weiterhin ist zur Überwachungseinrichtung 5 gehörend
ein Transistor 12 vorgesehen, dessen Emitter am Verknüp
fungspunkt zwischen dem Widerstand 4 und dem Schaltelement
1 liegt. Die Basis dieses Transistors 12 liegt in Serie
zu einem Widerstand 13, der wiederum in Serie zur Kathode
einer Zener-Diode 14 liegt. Die Anode der Zener-Diode 14
ist auf den Verknüpfungspunkt zwischen dem Widerstand 3
und dem Schaltelement 2 geführt. Die Kollektoren beider
Transistoren 10 und 12 sind zusammengeführt und bilden
einen ODER-Ausgang. Die Brückenschaltung 29 liegt weiter
hin am Generator 7, der der Einfachheit wegen als Gleich
stromgenerator angesehen wird.
Funktionell gesehen arbeitet diese Schalteinrichtung nach
Fig. 4 folgendermaßen: Sofern die Schaltelemente 1 und 2
offen sind, ist der pnp-Transistor 10 über den Basiswider
stand 11 in Reihe liegend mit den Widerständen 3 und 4 auf
gesteuert. Ist hingegen ein Schaltelement 1 oder 2 fehler
haft geschlossen oder liegt ein Kurzschluß der Last 6 vor,
ist der Transistor 10 gesperrt. In beiden Fällen wird ein
Zuschalten der Last 6 verhindert. Beispielsweise kann dies
dadurch realisiert werden, daß ein oder beide Schaltelemen
te 1, 2 mittels des ODER-Ausgangs so gesteuert werden, daß
ein Zuschalten der Last nicht erfolgt.
Sind beide Schaltelemente 1 und 2 geschlossen, wird der
Transistor 10 ebenfalls gesperrt, da an der Last 6 die
volle Arbeitsspannung vom Generator 7, jedoch mit umgekehr
ter Polarität gegenüber der geringen Spannung bei offenen
Kontakten anliegt. Gleichzeitig wird jedoch der Transistor
12 über seinen Basiswiderstand 13 und die in Reihe dazu ge
schaltete Zener-Diode 14 angesteuert. Der Transistor 12
übernimmt jetzt die Funktion des Transistors 10, in dem
beispielsweise die beiden Kollektoren der Transistoren 10
und 12 im Sinne einer ODER-Verknüpfung zusammengeschaltet
werden.
Die Zener-Diode 14 hat den Zweck, daß bei Unterschreiten
der Spannung an der Last 6 unter einen bestimmten Grenz
wert, z. B. bei Überlast, gegenüber der normalen Arbeits
spannung vom Generator 7, der selbstverständlich einen
Innenwiderstand hat, der Transistor 12 gesperrt wird, wodurch
dann eine Abschaltung der beiden Schaltelemente 1 und 2
erfolgt. Die Zener-Diode 14 ist entsprechend diesem Zweck
und im Hinblick auf den Grenzwert dimensioniert.
Zur Vermeidung eines Taktbetriebes bei diesem Ausführungs
beispiel nach Fig. 4 kann die nicht dargestellte Abschalt
einrichtung, die von den Kollektoren der Transistoren 10
und 12 angesteuert wird, in eine Selbsthaltung gehen, die
nur durch ein besonderes Signal aufgehoben werden kann.
In Reihe mit der Last ist im Beispiel nach Fig. 4 die Dio
de 25 vorgesehen, mit der ein Reststrom durch die Last 6
bei offenen Schaltelementen 1 und 2 verhindert wird. In
diesem Beispiel kann der Transistor 10 einen Lastkurz
schluß jedoch nicht feststellen.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 entspricht der Prinzip
schaltung nach Fig. 1, wobei jedoch anstelle der mechani
schen Schaltelemente 1 und 2 steuerbare Halbleiter 15 und
16 in Form von Transistoren als Schaltelemente benutzt wer
den.
Die Schalteinrichtung nach Fig. 6 stellt sozusagen eine Er
gänzung der Schaltung nach Fig. 5 dar, wobei in Reihe zum
Widerstand 3 die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
17 und in Reihe zum Widerstand 4 die Kollektor-Emitter-
Strecke eines weiteren Transistors 18 geschaltet ist. Die
Last 6 liegt hierbei in Serie zur Brückenschaltung 29. Die
ses Beispiel nach Fig. 6 zielt darauf ab, einen über die
Brückenschaltung fließenden Reststrom in der Last 6 zu ver
meiden.
Funktionell gesehen werden die Schaltelemente 15 und 16
sowie die Transistoren 17 und 18 durch einen äußeren Befehl
gleichzeitig angesteuert. Der Schaltbefehl für die Schalt
elemente 15 und 16 wird jedoch verzögert durchgeschaltet.
Zunächst werden also nur die beiden Transistoren 17 und
18 durchgeschaltet und es wird in analoger Weise wie der
Wirkungsablauf beim Beispiel nach Fig. 1 sofort geprüft,
ob beide Schaltelemente 15, 16 die gleiche Stellung - in
diesem Fall geöffnete Stellung - haben. Ist dies der Fall,
kann die Last 6 nach Ablauf der kurzen Verzögerungszeit
durch Schalten der Schaltelemente 15 und 16 zugeschaltet
werden.
Sofern dies nicht der Fall ist, wenn also ein Fehler eines
der Schaltelemente 15 bzw. 16 vorliegt, wird die Ansteue
rung der beiden Schaltelemente 15 und 16 abgeschaltet. Der
Ansteuerbefehl für die Transistoren 17 und 18 bleibt je
doch solange anstehen, bis der externe Ansteuerbefehl wie
der weggenommen wird. Die Schalteinrichtung nach Fig. 6
arbeitet auch dann in der gewünschten Weise, wenn nur einer
der beiden Transistoren 17 oder 18 angeordnet wird.
In Fig. 7 ist beispielhaft dargestellt, wie ein fehlersi
cherer elektronischer Schalter 19 in Verbindung mit einer
erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 30 arbeitet. Der elek
tronische Schalter 19 entspricht im Prinzip in seinem Auf
bau dem Schalter nach der DE-PS 24 00 723. Im Beispiel nach
Fig. 7 steuern die Sekundärwicklungen 21 und 22 eines Aus
gangsübertragers 20 des elektronischen Schalters 19 die
beiden Schaltelemente 15 und 16. Detaillierter betrachtet,
liegt daher nach Fig. 7 eine Brückenschaltung 29 entspre
chend der Fig. 5 vor. Der als Schaltelement 15 verwendete
PNP-Transistor liegt mit seiner Basis an der Anode einer
Diode 28, die kathodenseitig über einen Widerstand 27 an
die Sekundärwicklung 22 gelegt ist. Die Sekundärwicklung
22 liegt mit dem anderen Anschlußpunkt am Emitter des
Transistors 15.
Das Schaltelement 16 ist als NPN-Transistor ausgelegt,
dessen Emitter gegen die Last 6 und gegen einen Anschluß
punkt der Sekundärwicklung 21 liegt. Der andere Anschluß
punkt der Sekundärwicklung 21 ist über einen Widerstand 27
auf die Anode einer Diode 28 geführt, deren Kathode an der
Basis des Transistors 16 liegt.
Sofern ein Versagen eines der Schaltelemente 15 oder 16
vorliegt, steuert die Überwachungseinrichtung 5 einen
Fototransistor 23 im elektronischen Schalter 19 an und
schließt die Primärwicklung 20 des Übertragers kurz. Da
durch wird der Schaltbefehl für die beiden Schaltelemente
15 und 16 aufgehoben. Im Beispiel nach Fig. 7 wird der
elektronische Schalter 19 über eine separate Versorgungs
spannung 24 versorgt. Hiervon kann jedoch abgesehen werden,
so daß die Arbeitsspannung des Generators 7 auch zur Span
nungsversorgung des elektronischen Schalters 19 herange
zogen wird.
Das Beispiel nach Fig. 8 entspricht im wesentlichen dem
Beispiel nach Fig. 1, wobei jedoch die Überwachungseinrich
tung 5 antiparallel geschaltete Fotodioden 31 und 32 auf
weist. Diese Fotodioden 31 und 32 können entweder direkt
oder indirekt über Verstärkerelemente beim Ansprechen der
Überwachungseinrichtung, also bei einer Fehlererkennung, an
gesteuert werden. Die entsprechende Fotodiode 31 bzw. 32 kann
dann, wie im Beispiel nach Fig. 7, einen Fototransistor an
steuern. Das Ausgangssignal des Fototransistors kann dann
dazu benutzt werden, die Schaltelemente 1 bzw. 2 entspre
chend anzusteuern und insbesondere abzuschalten. Je nachdem
welche Fotodiode 31 oder 32 anspricht, kann bei Gleichspan
nungsbetrieb zusätzlich festgestellt werden, welches der
beiden Schaltelemente 1 oder 2 fehlerhaft ist.
Im Hinblick auf vorzugsweise einen Wechselspannungsbetrieb
ist das Beispiel nach Fig. 9 geeignet. Um eine unterschied
liche Polaritätsansteuerung der Überwachungseinrichtung 5
zu vermeiden, ist die Einschaltung eines Brückengleich
richters 33 in den Überwachungszweig zweckmäßig. Dieser
Brückengleichrichter 33 besteht in bekannter Weise aus
vier gegeneinander geschalteten Dioden. Zwischen den An
schlußpunkten 35 und 36 des Brückengleichrichters 33 ist
dann z. B. eine Fotodiode 34 als Kern der eigentlichen
Überwachungseinrichtung vorgesehen. Diese Fotodiode 34
wird daher im Gleichstrombetrieb betrieben.
Im Beispiel nach Fig. 10, das in seinem prinzipiellen Auf
bau der Fig. 5 entspricht und vorzugsweise für Betrieb mit
Gleichspannung vorgesehen ist, ist die Überwachungseinrich
tung 5, die beispielhaft aus den beiden in Reihe geschalte
ten Fotodioden 37, 38 besteht, in einen Brückenzweig, und
zwar zwischen und in Reihe zu den beiden Widerständen 3, 4
geschaltet. Die Brückendiagonale 39, d. h. der Verbindungs
punkt zwischen den Schaltelementen 15, 16 und zwischen den
beiden Fotodioden 37, 38 ist kurzgeschlossen. Die Wirkungs
weise ist folgende: Sind beide Schaltelemente 15, 16 offen,
sind beide Fotodioden 37, 38 von Strom durchflossen. Sind
beide Schaltelemente 15, 16 durchgeschaltet, ist keine der
beiden Fotodioden 37, 38 von Strom durchflossen. Ist ein
Schaltelement fehlerhaft, d. h. ein Schaltelement offen
und das andere Schaltelement durchgeschaltet, wird je
weils nur eine Fotodiode von Strom durchflossen. Dieser
Zustand wird als Fehler detektiert und als Reaktion
darauf ein oder beide Schaltelemente 15, 16 abgeschaltet.
Die Fotodioden 37, 38 können auch durch andere Bauelemente,
z. B. Transistoren, ersetzt werden bzw. kann die Überwa
chungseinrichtung 5 aus einer Kombination von Transistoren
und Fotodioden bestehen.
In einer anderen - nicht dargestellten - Ausführungsform
kann es im Hinblick auf einen Wechselspannungsbetrieb
zweckmäßig sein, die Überwachungseinrichtung prinzipiell
als einen Übertrager auszubilden. Hierbei würde die Pri
märwicklung des Übertragers im Überwachungszweig liegen
und dessen Sekundärwicklung(en) zur Abschaltung der ent
sprechenden Schaltelemente herangezogen werden.
Da in der Praxis, insbesondere wenn es sich bei den Schalt
elementen 1 und 2 um mechanische Schaltelemente handelt,
ein exakt gleichzeitiges Schließen oder Öffnen der Schalt
elemente nicht immer gewährleistet ist, wird zweckmäßiger
weise das Ansprechen der Überwachungseinrichtung oder die
Weiterschaltung des Befehls verzögert, um ein ungewolltes
Ansprechen der Überwachungseinrichtung oder eine ungewollte
Befehlsabgabe zu vermeiden. Die Verzögerungszeit wird so
gewählt, daß sie nur geringfügig höher ist als die even
tuelle Differenz beim Schließen bzw. Öffnen der Schaltele
mente 1 und 2. Zur Realisierung einer Verzögerung könnte
man z. B. in Fig. 5 parallel zur Überwachungseinrichtung 5
einen entsprechend dimensionierten Kondensator vorsehen.
Bei Verwendung von Widerständen 3 und 4 in der Brücken
schaltung sind diese zweckmäßigerweise gegenüber dem zu
lässigen Lastwiderstand 6 hochohmig ausgebildet. Dies hat
den Vorteil, daß die Verlustleistung gering gehalten wird
und im Falle keiner besonderen Maßnahme zur Vermeidung
eines Reststroms in der Last 6 der Reststrom durch die Last
6 gering ist. Wie vorausgehend aufgezeigt, können auch an
stelle der Widerstände 3 und 4 andere geneigte Bauelemente,
z. B. Kondensatoren, Drosseln, Halbleiter, Halbleiter-Kom
binationen z. B. in Form von Stromkonstantern, verwendet
werden.
In den Fig. 1 bis 10 ist das erste Grundprinzip der Erfin
dung in der Form dargestellt, daß die Schaltelemente 1 und
2 gleichsinnig arbeiten. Beide Schaltelemente sind im
fehlerfreien Betrieb der Schalteinrichtung entweder gleich
zeitig geöffnet oder gleichzeitig geschlossen.
Ein weiteres Grundprinzip der Schalteinrichtung gemäß der
Erfindung ist in Fig. 11 dargestellt. Im Gegensatz zu den
Beispielen nach den Fig. 1 bis 10 arbeiten die Schaltele
mente 1, 2 gegensinnig, d. h. im fehlerfreien Betrieb ist
jeweils ein Schaltelement, z. B. 1, offen und das andere
Schaltelement, z. B. 2, geschlossen. Die Last 6 wird dabei
parallel zu dem Schaltelement geschaltet, das im Zustand,
in dem die Last 6 abgeschaltet oder kurzgeschlossen ist,
geschlossen ist. Die Schalteinrichtung 30 bzw. die Brücken
schaltung 29 ist direkt an die Generatorspannung 7 ange
schaltet.
Die Wirkungsweise der Schalteinrichtung nach Fig. 11 ist
folgende. Ist im an sich abgeschalteten Zustand der Last 6
das Schaltelement 1 offen und das Schaltelement 2 geschlos
sen, kann durch die Last 6 kein Strom fließen. Über das
Brückenelement 3 und das Schaltelement 2 fließt in diesem
Zustand in die Überwachungseinrichtung 5, die in der Brüc
kendiagonale angeordnet ist, Strom aus dem Generator 7.
Damit detektiert die Überwachungseinrichtung 5, - die bei
spielsweise ausgebildet ist wie in Fig. 5 dargestellt -,
daß das Schaltelement 2 geschlossen ist und somit kein Feh
ler an diesem Schaltelement 2 vorliegt.
Zum Zuschalten der Last 6 wird das Schaltelement 1 geschlos
sen und gleichzeitig das Schaltelement 2 geöffnet. Die Last
6 wird nunmehr direkt über das Schaltelement 1 an die Ge
neratorspannung 7 geschaltet. Die Überwachungseinrichtung
5 wird weiterhin über das Schaltelement 1 und das Brücken
element 4 mit Strom versorgt, so daß der ordnungsgemäße Zu
stand detektiert werden kann.
Wird durch einen Fehler z. B. das Schaltelement 2 bei an
sich abgeschalteter Last 6 (Fig. 11) geöffnet, so fließt
durch die Überwachungseinrichtung 5 ein geringerer Strom,
der abhängig ist von der Größe des Widerstandes der Last 6.
Die Überwachungseinrichtung 5 detektiert diese Abweichung
und führt den ihr zugeordneten Befehl aus. Durch Einschal
ten einer Diode 41 in die Verbindungsleitung zwischen den
Schaltelementen 1 und 2 in der Form, daß die Last 6 paral
lel zur Reihenschaltung von Diode 41 und Schaltelement 2
und an der Anode der Diode 41 liegt, kann das Verhalten
der Schalteinrichtung verbessert werden. Im vorher ange
nommenen Fehlerfall wird nunmehr die Überwachungseinrich
tung 5 nicht mehr mit Strom versorgt und durch die Last 6
fließt auch im Fehlerfall kein Reststrom.
Wird das Schaltelement 1 fehlerhaft geschlossen, ohne daß
das Schaltelement 2 öffnet, so fließt durch die Last 6 kein
Strom, da die Arbeitsspannung vom Generator 7 über die bei
den Schaltelemente 1 und 2 kurzgeschlossen ist. Die Über
wachungseinrichtung 5 wird in diesem Zustand ebenfalls
nicht mit Strom versorgt und detektiert den Fehler.
Um zu verhindern, daß in diesem Fehlerfall der mögliche
Kurzschlußstrom des Generators 7 dauernd duch die Schalt
elemente fließt, wird zweckmäßigerweise in Reihe mit dem
Generator 7 ein strombegrenzendes oder stromabschaltendes
Element 40 vorgesehen. Dieses Element 40 kann dabei bei
spielsweise eine Sicherung, ein Widerstand, ein temperatur
abhängiger Widerstand, vorzugsweise ein Kaltleiter, oder
eine elektronische Strombegrenzungsschaltung sein, die
innerhalb oder außerhalb der Schalteinrichtung 30 angeord
net sein kann.
Das gemäß Fig. 11 realisierte zweite Grundprinzip der Er
findung bietet mehrere Vorteile. Einerseits fließt durch
die Last im Fehlerfall kein Reststrom. Andererseits fließt
der Laststrom nur durch ein Schaltelement. Des weiteren
ist die Last im abgeschalteten Zustand kurzgeschlossen,
was eine erhöhte Sicherheit gegen eventuell eingestreute
Spannungen in die Lastzuleitungen bedeutet. Ein weiterer
Vorteil kann darin gesehen werden, daß die Last im Prin
zip jedem der beiden Schaltelemente parallel geschaltet
werden kann, was eine Umkehr der Wirkungsrichtung mit
sich bringt, ohne daß ein Eingriff in die Schalteinrich
tung vorgenommen werden muß.
Selbstverständlich ist es auch möglich, bei dem Schaltungs
prinzip nach Fig. 11 die Brückendiagonale kurzzuschließen
und dann die Überwachungseinrichtung 5 bei entsprechender
Ausbildung parallel zu einem Brückenelement 3 oder 4 zu
schalten.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des zweiten Grundprinzips
der Erfindung nach Fig. 11 ist in Fig. 12 dargestellt.
Durch eine Diode 42, die in Reihe mit der Schalteinrichtung
30 liegt, und einen zweckmäßigerweise parallel zur Schalt
einrichtung 30 vorgesehenen Kondensator 43 wird erreicht,
daß die Schalteinrichtung 30 bzw. die Brückenschaltung 29
nur mit Gleichspannung betrieben wird, auch wenn die Span
nung am Generator 7 eine Wechselspannung ist. Dabei fließt
durch die Last 6 im angeschalteten Zustand jedoch der Wech
selstrom. Mit einem npn-Transistor 44, dessen Basis-Emitter-
Strecke in Reihe mit der Überwachungseinrichtung 5 in die
Brückendiagonale eingeschaltet ist, kann folgende Wirkung
erreicht werden.
Im abgeschalteten Zustand der Last 6 ist der Transistor 44
aufgesteuert, da ein Basisstrom fließt. Der Kollektor des
Transistors 44 ist so geschaltet, daß hierüber in diesem
Zustand ein Schließen des Schaltelementes 1 verhindert wird.
Wird nunmehr an die beiden Schaltelemente 1 und 2 der Be
fehl gegeben, die Last 6 einzuschalten, - wofür das Schalt
element 2 geöffnet und 1 geschlossen werden muß -, so
kann dieser Befehl zunächst nur vom Schaltelement 2 ausge
führt werden. Sobald das Schaltelement 2 geöffnet hat,
wird die Basis des Transistors 44 stromlos und der Tran
sistor 44 hebt den Sperrbefehl für das Schaltelement 1
auf. Damit in dieser kurzen Übergangszeit die Überwachungs
einrichtung 5 nicht wirksam werden kann, wird zweckmäßi
gerweise das Ansprechen der Überwachungseinrichtung 5 et
was verzögert. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin,
daß auch in der kurzen Übergangszeit - bei nicht gleich
zeitigem Arbeiten der Schaltelemente 1 und 2 - die Spannung
des Generators 7 nicht kurzgeschlossen wird.
Als eine weitere Alternative kann z. B. die Ausführungs
form nach Fig. 2 so abgeändert werden, daß die Last 6 an
stelle in Serie zur Brückenschaltung 29 direkt in einen
Brückenzweig, z. B. zwischen das Schaltelement 2 und den
Generator gelegt wird. Hiermit vermeidet man zweckmäßiger
weise einen Reststrom durch die Last 6 im Fehlerfall.