DE3737791C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für das Schalten einer Last in einem Lastkreis gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige gattungsgemäße Schalteinrichtung ist aus der DE-OS 35 41 338 bekannt. Diese bekannte Schalteinrichtung stellt eine selbstüberwachende Relaisschaltung dar, die sozusagen "fehlersicher" ist, da bei einem ersten, zweiten oder nachfolgenden Fehler eine Stellung eingenommen wird, die eine Zuschaltung der Last verhindert. Bei dieser bekannten Schalteinrichtung wird es jedoch als nachteilig angesehen, daß die beiden Relais Umschaltkontakte benötigen, so daß eine höhere Störanfälligkeit gegeben ist. Insbesondere aber werden im Fehlerfall die Last- und die Steuerspannung der Relais galvanisch verbunden, wodurch weitere Fehler induziert werden können, aber auch ungewollt im Relaiskreis hohe Spannungs- und Stromwerte auftreten können, die Sicherheitsprobleme hervorrufen.

Eine andere Schalteinrichtung, in der die Schaltelemente im Hinblick auf ein fehlerhaftes Verhalten überwacht werden, ist in der DE-PS 24 00 723 beschrieben. Diese letztgenannte Schalteinrichtung arbeitet im sogenannten Taktbetrieb, d. h. die Bauelemente 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 zugeschaltet werden oder wird abgeschaltet. Bei dieser letztgenannten Schalteinrichtung kann es als nachteilig angesehen werden, daß der Laststrom von der Sekundärwicklung eines Übertragers abgeleitet wird. Dies bedeutet bei einem großen Leistungsbedarf an der Last, den Übertrager relativ voluminös auslegen zu müssen, so daß dieser in einem relativ kleinen Gehäuse nicht mehr angeordnet werden kann.

Im Hinblick auf derartige Schalteinrichtungen ist auch die Richtlinie VDE 0660/Teil 209 zu beachten. In dieser Richtlinie wird unter der Bezeichnung "Anforderungen im Fehlerfall" definiert, daß die sichere Funktion der Schalteinrichtung auch beim Auftreten eines weiteren (zweiten) Fehlers aufrechterhalten bleiben muß. Entsprechend dieser Richtlinie ist jedoch die Fehlerbetrachtung nach dem zweiten Fehler abzubrechen.

Insgesamt gesehen ist man daher bemüht, Schalteinrichtungen zu konzipieren, in denen die Bauelemente auf fehlerhaftes Verhalten hin überwacht werden. Speziell ist die Überwachung darauf gerichtet, bei Auftreten eines beliebigen Fehlers oder von zwei beliebigen Fehlern, ein ungewolltes Einschalten einer Last zu verhindern. Erst beim Auftreten von mindestens drei beliebigen Fehlern kann dementsprechend bei einer derartigen Schalteinrichtung ein ungewolltes Zuschalten der Last möglich sein. Aus diesem Grund bezeichnet man Schalteinrichtungen dieser Art als "zweifach-fehlersichere" Schalteinrichtungen, da in derartigen Fällen allein beim Auftreten von mehr als zwei Fehlern in einem Lastkreis die Last ungewollt geschaltet werden kann. Im Hinblick auf den Begriff "zweifach-fehlersicher" geht man dazu über, derartige Schalteinrichtungen als "mit einem vorbestimmten Fehlerverhalten" zu bezeichnen, was beinhaltet, daß auch beim Auftreten von zwei Fehlern Sicherheit gegen ein Zuschalten der Last besteht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schalteinrichtung mit einem vom Grundprinzip her einfachen Überwachungskreis so auszulegen, daß dieser für Wechselstrom und Gleichstrom geeignet ist und den unterschiedlichen Einsatzzwecken und Schaltelementen leicht angepaßt werden kann, wobei eine Zweifach-Fehlersicherheit gegeben sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Schalteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Ein grundlegender Gedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, den Überwachungskreis, der die zu überwachenden, betätigbaren Schaltelemente sowie die Überwachungseinrichtung aufweist, als einfache Brückenschaltung auszulegen, in der die Überwachungseinrichtung eine Verstimmung bzw. Veränderung des Brückenabgleichs detektiert und, davon ausgehend, eine entsprechende Meldung bzw. Schaltung zur Einhaltung der zweifachen Fehlersicherheit veranlaßt.

Definitionsgemäß müssen dabei die beiden, die Last schaltenden und von einem Schaltbefehl steuerbaren Schaltelemente, die etwa gleichzeitig geschaltet werden, bei fehlerfreiem Betrieb stets einen definierten Schaltzustand haben. Dieser definierte Schaltzustand kann z. B. bedeuten, daß beide Schaltelemente geöffnet sind oder daß das eine Schaltelement geöffnet und das andere Schaltelement geschlossen ist.

In einfachster Ausführungsform handelt es sich dementsprechend um zwei einpolige Schaltelemente, z. B. mechanische Kontakte. Die steuerbaren Schaltelemente können auch steuerbare Halbleiter, wie z. B. Transistoren oder Thyristoren oder auch Oszillatoren sein bzw. sogar als Kombination derartiger Schaltelemente ausgebildet sein, wobei es jedoch wesentlich ist, daß diese Bauelemente von einem hochohmigen in einen niederohmigen Zustand und umgekehrt steuerbar sind.

Ein weiterer wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, daß die Überwachungseinrichtung, die die Verstimmung der entsprechenden Brückenschaltung detektiert, von der Spannungs- bzw. Stromversorgung der Last mitversorgt wird, wobei dies üblicherweise durch entsprechende Spannungsteilung bzw. Stromteilung erfolgt, so daß nur eine relativ geringfügige Energieaufnahme durch die Überwachungseinrichtung vorhanden ist. Außerdem wird eine galvanische Kopplung 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 Schalteinrichtung direkt oder indirekt in einen entsprechenden Zustand versetzt, der die Zuschaltung der Last, also ein Versorgen 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, die zu überwachenden Schaltelemente in Reihe in einem Brückenzweig anzuordnen oder diese diagonal gegenüberliegend in den zwei Brückenzweigen vorzusehen.

Die zusammen mit den zwei Schaltelementen in der Brückenschaltung weiterhin vorgesehenen Bauelemente können im einfachsten Fall zwei Widerstände, vorzugsweise hochohmige Widerstände, sein, wobei die Überwachungseinrichtung bei in Reihe liegenden oder diagonal gegenüberliegenden Schaltelementen zwischen den Verbindungspunkten der Schaltelemente 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 erfindungsgemäßen Prinzips mit einer Brückenschaltung besteht darin, daß hierdurch sowohl eine gleichstrommäßig sowie wechselstrommäßig betriebene Last überwacht werden kann. Zweckmäßigerweise ist eine Entkopplung zwischen dem Last- und Überwachungskreis einerseits und dem die Schaltelemente betätigenden, insbesondere diese mit einem fehlersicheren Signal ansteuernden Schaltkreis vorgesehen. Diese Entkopplung kann sowohl induktiv als auch opto-elektronisch oder in einer Kombination dieser Funktionsweisen erfolgen.

In einer einfachen Ausführungsform weist aus diesem Grunde die Überwachungseinrichtung mindestens eine Fotodiode auf, deren Signal sowohl visuell aufnehmbar ist als auch opto-elektronisch z. B. mit Hilfe eines Optokopplers eine Betätigung oder Steuerung der Schaltelemente realisieren kann.

Ein Optokoppler dieser Art könnte z. B. aus einer oder zwei antiparallel geschalteten Fotodioden in der Überwachungseinrichtung bestehen, die optisch z. B. einen Fototransistor in einem die Schaltelemente betätigenden elektronischen 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 umfaßt, 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 Einschaltbefehls zugeschaltet. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Überwachungseinrichtung zunächst auf Fehlerfreiheit prüfen kann. Im Falle eines detektierten Fehlers kann dementsprechend das Einschalten des oder der verzögert zugeschalteten Schaltelemente verhindert werden. Diese Funktionsweise ist auch gewährleistet, obwohl der Einschaltbefehl sozusagen ständig ansteht.

Das Grundprinzip der Erfindung ermöglicht es, die zu schaltende Last in Reihe mit der Brückenschaltung oder innerhalb der Brückenschaltung, und zwar in der Brückendiagonale oder parallel zu einem Schaltelement vorzusehen. Die Überwachungseinrichtung kann entsprechend in der Brückendiagonale oder in einem Brückenzweig angeordnet werden. Im letzteren 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 Brückendiagonalen, wird zweckmäßigerweise eine Diode in Reihe zur Last vorgesehen, so daß für den Fall der Fehlererkennung durch die Überwachungseinrichtung auch ein Reststrom durch die Last verhindert wird. Die Überwachungseinrichtung kann des weiteren neben der Fehlerfunktion im Hinblick auf die Schaltelemente auch so ausgelegt sein, daß ein Unterschreiten der Arbeitsspannung für die Last unter einen bestimmten Grenzwert detektiert wird und auch hierdurch ein Abschaltvorgang ausgelöst werden kann. Gleiches gilt dafür, daß auch beim Erkennen einer Überlast die Schaltelemente durch die Überwachungseinrichtung 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 besteht in der antiparallelen Anordnung von z. B. zwei Fotodioden.

Im Hinblick auf die hohen Anforderungen an ein fehlersicheres Schalten einer Last kann die Überwachungseinrichtung mit einer Selbsthalteeinrichtung ausgelegt werden, die nach dem Ansprechen bzw. dem Fehlererkennen durch die Überwachungseinrichtung 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 Verwendung in einem elektronischen Schalter, speziell einem induktiven Näherungsschalter, mit dem das Schalten einer Ausgangslast zweifach-fehlersicher durchgeführt wird. Mit anderen Worten ist ein bevorzugtes Anwendungsgebiet bei induktiven Näherungsschaltern zu sehen, über die die Ansteuerung der zu überwachenden Schaltelemente erfolgt.

Geeigneterweise kann bei der Verwendung einer Wechselspannung als Arbeitsspannung für die Last die Überwachungseinrichtung als Übertrager ausgelegt sein, dessen Primärwicklung im Überwachungskreis liegt und dessen Sekundärwicklung bzw. -wicklungen zur Abschaltung der Schaltelemente benutzt wird bzw. werden.

Einzelheiten und verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand schematischer Schaltbeispiele noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein einfaches, prinzipielles Ausführungsbeispiel eines Überwachungskreises in Brückenschaltung mit dazu in Reihe geschalteter Last, wobei die zu schaltenden Schaltelemente in Reihe zueinander angeordnet 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 Schalteinrichtung mit parallel zur Überwachungseinrichtung in der Brückenschaltung liegender Last;

Fig. 5 und 6 jeweils eine abgewandelte Ausführungsform der Schalteinrichtung nach Fig. 1 mit anderen Schalt- und Bauelementen;

Fig. 7 ein erweitertes Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 4 mit der Ansteuerung der zu überwachenden Schaltelemente über einen in einem elektronischen Schalter vorgesehenen Optokoppler;

Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung der Überwachungseinrichtung gemäß dem Beispiel nach Fig. 1;

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der Überwachungseinrichtung in einer Brückenschaltung nach Fig. 1 und

Fig. 10 eine Ausführungsform für Gleichspannungsbetrieb, bei der die Last in Reihe mit der Brückenschaltung liegt, die Brückendiagonale kurzgeschlossen ist und die Überwachungsschaltung in einem Brückenzweig angeordnet ist.

Das Grundprinzip der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Schalteinrichtung 30 weist einerseits eine Brückenschaltung 29 auf, die in Serie mit einer Last 6 geschaltet ist. Die Brückenschaltung 29 und die Last 6 werden zusammen von einem Generator 7 mit Spannung bzw. mit Strom versorgt.

In der Brückenschaltung 29 sind in einem Brückenzweig zu überwachende und gleichzeitig betätigbare Schaltelemente 1 und 2 vorgesehen. Im anderen Brückenzweig liegen im Beispiel nach Fig. 1 zwei Widerstände 3 und 4, die zweckmäßigerweise hochohmig gewählt werden. Die Schaltelemente 1 und 2 sowie die Widerstände 3 und 4 bilden zusammen die Brückenschaltung 29, in deren Brückenzweig bzw. zwischen dem Verbindungspunkt der Schaltelemente 1 und 2 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 3 und 4 eine Überwachungseinrichtung 5 geschaltet ist.

Die Überwachungseinrichtung 5 hat dabei die Funktion, eine Verstimmung oder eine Veränderung des Brückenabgleichs festzustellen und ein entsprechendes Ausgangssignal an eine nachgeschaltete, hier nicht dargestellte Schaltung zu geben.

Der Generator 7 kann prinzipiell eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung erzeugen. Funktionell betrachtet sei zunächst angenommen, daß die Schaltelemente 1 und 2 fehlerfrei arbeiten, d. h. beide Schaltelemente 1 und 2 sind entweder offen 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 6. Über die Überwachungseinrichtung 5 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 Brückenzweig der Brückenschaltung 29 direkt an den Generator 7 gelegt. Auch in diesem Falle fällt keine Spannung über die Überwachungseinrichtung 5 ab.

Schaltungstechnisch wird vorausgesetzt, daß die Schaltelemente 1 und 2 unabhängig voneinander von separaten Bauelementen angesteuert werden. Da als Fehler definiert ist, daß eines der Schaltelemente 1 und 2 bei Betätigung einen anderen Schaltzustand als das andere Schaltelement 2, 1 einnimmt, wird z. B. der Fall betrachtet, daß das erste Schaltelement 1 geschlossen und das zweite Schaltelement 2 offen ist. Für diesen Fall fließt über das geschlossene erste Schaltelement 1, die Überwachungseinrichtung 5 und den zweiten Widerstand 4 ein Strom zur Last 6. Dies bedeutet, daß die Überwachungseinrichtung 5 eine Veränderung des ursprünglichen Brückenabgleichs feststellt, so daß dies als "Fehler" detektiert wird. Die Weiterschaltung eines entsprechenden 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 beide Schaltelemente 1, 2 abgeschaltet werden.

Prinzipiell gesehen kann die Brückenschaltung 29 auch so ausgelegt sein, daß in der Phase des normalerweise bestehenden Brückenabgleichs als Indiz für die Fehlerfreiheit ein Ausgangssignal erzeugt wird, wohingegen bei einem Fehler ein Ausgangssignal eines unterschiedlichen Pegels vorhanden ist.

Im Beispiel nach Fig. 1 ist die zweifache Fehlersicherheit der Schalteinrichtung dadurch gegeben, daß beispielsweise sowohl die Überwachungseinrichtung 5 als auch eines der Schaltelemente 1 oder 2 versagen kann, ohne daß die Last 6 an die Arbeitsspannung des Generators 7 geschaltet wird. Erst bei mindestens drei Fehlern würde die Last 6 unzulässigerweise mit Spannung versorgt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist prinzipiell gesehen der zweite Widerstand 4 mit dem zweiten Schaltelement 2 im Vergleich zu dem Beispiel nach Fig. 1 getauscht worden. Der eine Brückenzweig wird daher vom ersten Schaltelement 1 in Serie mit dem zweiten Widerstand 4 und der zweite Brückenzweig vom ersten Widerstand 3 in Serie mit dem zweiten Schaltelement 2 gebildet. Die Überwachungseinrichtung 5 liegt in der Brückendiagonale, so daß bei geöffneten Schaltelementen 1 und 2 ein Stromfluß über die Widerstände 3 und 4 zusammen mit der Überwachungseinrichtung 5 zur Last 6 erfolgt. Im Beispiel nach Fig. 2 sind des weiteren zwei Dioden 8 und 9 antiparallel zur Überwachungseinrichtung 5 geschaltet.

Im Gegensatz zum Beispiel nach Fig. 1 wird diesmal die Überwachungseinrichtung 5 nur dann mit Spannung versorgt, wenn beide Schaltelemente 1 und 2 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 5, so daß die maximale Spannung an der Überwachungseinrichtung 5 gleich der Schwellenspannung der Dioden 8 und 9 ist. Die antiparallele Schaltung ist im Hinblick auf eine Wechselspannung am Generator 7 vorgesehen. Bei Gleichspannung genügt auch eine entsprechend geschaltete Diode.

Im Beispiel nach Fig. 3 liegt die Last 6 nicht mehr - wie in den Fig. 1 und 2 - in Serie zur Brückenschaltung 29, sondern ist parallel zur Überwachungseinrichtung 5 in die Brückenschaltung 29 integriert worden. Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht weitgehend der nach Fig. 2. Im Falle der Zuschaltung der Last 6, was im Regelfall einem geschlossenen Zustand der beiden Schaltelemente 1 und 2 entspricht, wird über die Überwachungseinrichtung 5 die an der Last 6 abfallende Spannung detektiert. Im Fehlerfall, z. B. bei geöffnetem ersten Schaltelement 1 und geschlossenem zweiten Schaltelement 2, fällt hingegen die Betriebsspannung vom Generator 7 über den Brückenzweig mit dem ersten Widerstand 3 und dem zweiten Schaltelement 2 ab, so daß die Überwachungseinrichtung 5 spannungslos wird. Mit dem Beispiel nach Fig. 3 kann auch ein Kurzschluß der Last 6 erkannt werden, nachdem bei einem derartigen Lastkurzschluß die Überwachungseinrichtung 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 parallel zur Überwachungseinrichtung in der Brückenschaltung 29 vorgesehen ist. Im Beispiel nach Fig. 4 besteht die Überwachungseinrichtung aus einem Transistor (pnp-Transistor) 10, dessen Emitter mit dem ersten Widerstand 3 bzw. der Kathode der Diode 25 verbunden ist. Die Basis des Transistors 10 liegt über einen Widerstand 11 am ersten Schaltelement 1 und am zweiten Widerstand 4. Weiterhin ist zur Überwachungseinrichtung gehörend ein Transistor 12 vorgesehen, dessen Emitter am Verknüpfungspunkt zwischen dem zweiten Widerstand 4 und dem ersten 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 ersten Widerstand 3 und dem zweiten Schaltelement 2 geführt. Die Kollektoren beider Transistoren 10 und 12 sind zusammengeführt und bilden einen ODER-Ausgang. Die Brückenschaltung 29 liegt weiterhin am Generator 7, der der Einfachheit wegen als Gleichstromgenerator angesehen wird.

Funktionell gesehen arbeitet diese Schalteinrichtung nach Fig. 4 folgendermaßen: Sofern die Schaltelemente 1 und 2 offen sind, ist die pnp-Transistor 10 über seinen Basiswiderstand 11 in Reihe liegend mit den Widerständen 3 und 4 aufgesteuert. Ist hingegen ein Schaltelement 1 oder 2 fehlerhaft 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 Schaltelemente 1, 2 mittels des ODER-Ausgangs so gesteuert werden, daß ein Zuschalten der Last 6 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 umgekehrter Polarität gegenüber der geringen Spannung bei offenen Kontakten anliegt. Gleichzeitig wird jedoch der Transistor 12 über seinen Basiswiderstand 13 und die in Reihe dazu geschaltete Zener-Diode 14 angesteuert. Der Transistor 12 übernimmt jetzt die Funktion des Transistors 10, indem 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 Grenzwert, z. B. bei Überlast, gegenüber der normalen Arbeitsspannung 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 Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 kann die nicht dargestellte Abschalteinrichtung, 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 6 ist im Beispiel nach Fig. 4 die Diode 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 Lastkurzschluß jedoch nicht feststellen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 entspricht der Prinzipschaltung nach Fig. 1, wobei jedoch anstelle der mechanischen Schaltelemente 1 und 2 steuerbare Halbleiter 15 und 16 in Form von Transistoren benutzt werden.

Die Schalteinrichtung nach Fig. 6 stellt sozusagen eine Ergänzung der Schaltung nach Fig. 5 dar, wobei in Reihe zum ersten Widerstand 3 die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 17 und in Reihe zum zweiten Widerstand 4 die Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors 18 geschaltet ist. Die Last 6 liegt hierbei in Serie zur Brückenschaltung 29. Dieses Beispiel nach Fig. 6 zielt darauf ab, einen über die Brückenschaltung 29 fließenden Reststrom in der Last 6 zu vermeiden.

Funktionell gesehen werden die Schaltelemente 15 und 16 sowie die Transistoren 17 und 18 durch einen äußeren Befehl gleichzeitig angesteuert. Der Schaltbefehl für die Schaltelemente 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 diese nicht der Fall ist, wenn also ein Fehler eines der Schaltelemente 15 bzw. 16 vorliegt, wird die Ansteuerung der beiden Schaltelemente 15 und 16 abgeschaltet. Der Ansteuerbefehl für die Transistoren 17 und 18 bleibt jedoch so lange anstehen, bis der externe Ansteuerbefehl wieder 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 fehlersicherer elektronischer Schalter 19 in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 30 arbeitet. Der elektronische Schalter 19 entspricht im Prinzip in seinem Aufbau dem Schalter nach der DE-PS 24 00 723. Im Beispiel nach Fig. 7 steuern Sekundärwicklungen 21 und 22 eines Ausgangsübertragers des elektronischen Schalters 19 die beiden Schaltelemente 15 und 16. Detaillierter betrachtet, liegt daher nach Fig. 7 eine Brückenschaltung 29 entsprechend 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 eine Sekundärwicklung 22 gelegt ist. Diese eine Sekundärwicklung 22 liegt mit dem anderen Anschlußpunkt am Emitter des pnp- Transistors 15.

Das Schaltelement 16 ist als npn-Transistor ausgelegt, dessen Emitter gegen die Last 6 und gegen einen Anschlußpunkt der anderen Sekundärwicklung 21 liegt. Der andere Anschlußpunkt der anderen 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. Dadurch wird der Schaltbefehl für die beiden Schaltelemente 15 und 16 aufgehoben. Im Beispiel nach Fig. 7 wird der elektronische Schalter 19 über eine separate Versorgungsspannung (Spannungsquelle 24) versorgt. Hiervon kann jedoch abgesehen werden, so daß die Arbeitsspannung des Generators 7 auch zur Spannungsversorgung des elektronischen Schalters 19 herangezogen wird.

Das Beispiel nach Fig. 8 entspricht im wesentlichen dem Beispiel nach Fig. 1, wobei jedoch die Überwachungseinrichtung 5 antiparallel geschaltete Fotodioden 31 und 32 aufweist. Diese Fotodioden 31 und 32 können entweder direkt oder indirekt über Verstärkerelemente beim Ansprechen der Überwachungseinrichtung 5, also bei einer Fehlererkennung, angesteuert werden. Die entsprechende Fotodiode 31 bzw. 32 kann dann, wie im Beispiel nach Fig. 7, einen Fototransistor ansteuern. Das Ausgangssignal des Fototransistors kann dann dazu benutzt werden, die Schaltelemente 1 bzw. 2 entsprechend anzusteuern und insbesondere abzuschalten. Je nachdem, welche Fotodiode 31 oder 32 anspricht, kann bei Gleichspannungsbetrieb 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 unterschiedliche Polaritätsansteuerung der Überwachungseinrichtung zu vermeiden, ist die Einschaltung eines Brückengleichrichters 33 in den Überwachungszweig zweckmäßig. Dieser Brückengleichrichter 33 besteht in bekannter Weise aus vier gegeneinander geschalteten Dioden. Zwischen den Anschlußpunkten 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 Aufbau der Fig. 5 entspricht und vorzugsweise für Betrieb mit Gleichspannung vorgesehen ist, ist die Überwachungseinrichtung 5, die beispielhaft aus den beiden in Reihe geschalteten 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 Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen 15, 16 und zwischen den beiden Fotodioden 37, 38 ist kurzgeschlossen. Die Wirkungsweise ist folgende: Sind beide Schaltelemente 15, 16 offen, so 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 1 bzw. 2 fehlerhaft, d. h. ein Schaltelement 1 bzw. 2 offen und das andere Schaltelement 2 bzw. 1 durchgeschaltet, wird jeweils nur eine Fotodiode 37 bzw. 38 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 Überwachungseinrichtung 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 Primärwicklung des Übertragers im Überwachungszweig liegen und dessen Sekundärwicklung(en) zur Abschaltung der entsprechenden Schaltelemente herangezogen werden.

Da in der Praxis, insbesondere wenn es sich bei den Schaltelementen um mechanische Schaltelemente handelt, ein exakt gleichzeitiges Schließen oder Öffnen der Schaltelemente nicht immer gewährleistet ist, wird zweckmäßigerweise das Ansprechen der Überwachungseinrichtung oder die Weiterschaltung des Befehls absichtlich 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 eventuelle Differenz beim Schließen bzw. Öffnen der Schaltelemente. Zur Realisierung einer Verzögerung könnte man z. B. in Fig. 5 parallel zur Überwachungseinrichtung 5 einen entsprechend dimensionierten Kondensator vorsehen.

Bei Verwendung von Widerständen in der Brückenschaltung sind diese zweckmäßigerweise gegenüber dem zulässigen Lastwiderstand 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 der Reststrom durch die Last gering ist. Wie vorausgehend aufgezeigt, können auch anstelle der Widerstände andere geeignete Bauelemente, z. B. Kondensatoren, Drosseln, Halbleiter, Halbleiter-Kombinationen z. B. in Form von Stromkonstantern, verwendet werden.

Claims (11)

1. Schalteinrichtung für das Schalten einer Last in einem Lastkreis,
mit einer Überwachungseinrichtung und
mit mindestens zwei im Lastkreis liegenden, im wesentlichen gleichzeitig von einem Schaltbefehl steuerbaren Schaltelementen, die bei fehlerfreiem Betrieb jeweils einen definierten Schaltzustand einnehmen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens zwei steuerbaren Schaltelemente (1, 2; 15, 16) zusammen mit mindestens zwei weiteren Bauelementen (3, 4; 17, 18) eine Brückenschaltung (29) bilden,
daß die Überwachungseinrichtung (5) die Brückenschaltung (29) auf eine Veränderung des Brückenabgleichs überwacht und in Abhängigkeit von der Arbeitsspannung (von 7) für die Last (6) betrieben ist, und
daß bei einem vorliegenden Fehler an einem Schaltelement (1, 2; 15, 16) die Überwachungseinrichtung (5) das noch funktionsfähige andere Schaltelement (2, 1; 16, 15) so steuert, daß ein Zuschalten der Last (6) verhindert ist.

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Überwachungseinrichtung (5) mindestens eine Fotodiode (31, 32; 34) vorgesehen ist.

3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiode (31, 32; 34) über einen Optokoppler (23, 26) die Schaltelemente (15, 16) steuert.

4. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der die Überwachungseinrichtung (5) mit Brückenschaltung (29) aufweisende Überwachungskreis erst dann mit Spannung versorgt wird, wenn ein Einschaltbefehl für die Schaltelemente (1, 2; 15, 16) ansteht, und
daß das Steuern der Schaltelemente (1, 2; 15, 16) nach dem Anstehen des Einschaltbefehls verzögert erfolgt.

5. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (5) in der Brückendiagonale angeordnet ist.

6. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Überwachungseinrichtung (5) zwei antiparallel geschaltete Dioden (8, 9) vorgesehen sind.

7. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (6) parallel zur Überwachungseinrichtung (5) angeordnet ist.

8. Schalteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Last (6) eine Diode (25) geschaltet ist.

9. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (5) eine Gleichrichterbrücke (33) und die Fotodiode (34) im Gleichstrompfad (35, 36) dieser Gleichrichterbrücke (33) aufweist.

10. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (5) eine Selbsthalteeinrichtung aufweist.

11. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem elektronischen Schalter zur Schaltung von dessen Ausgangslast verwendet wird.