DE4127392A1 - Anordnung zur ueberwachung einer strom- und/oder spannungsbegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Überwachung einer Strom- und/oder Spannungsbegrenzung auf der Speise­ leitung einer Stromversorgung nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Aus der DE-OS 39 31 537 ist bekannt, zur Strom- und Spannungs­ begrenzung auf der Speiseleitung einer Stromversorgung eine sogenannte Barriere zu verwenden. Im einfachsten Fall besteht eine solche Barriere aus einem ohmschen Widerstand, der in eine Ader der Speiseleitung eingefügt ist, und zwei Zener­ dioden, die hinter dem ohmschen Widerstand zwischen zwei Adern der Speiseleitung liegen. Die beiden Zenerdioden werden in Sperrichtung betrieben und legen durch ihre Zenerspannung die zulässige Spannung auf der Speiseleitung fest. Der ohmsche Widerstand verhindert im Falle eines Kurzschlusses zwischen zwei Adern der Speiseleitung ein Ansteigen der Stromstärke über einen zulässigen Maximalwert. In zunehmendem Maße werden auch elektronische Strombegrenzungen eingesetzt, die z. B. aus der DE-OS 18 16 553 bekannt sind. Um auch bei Ausfall eines Bauelementes noch eine sichere Funktion der Barriere zu ge­ währleisten, ist es notwendig, die Begrenzungselemente minde­ stens doppelt anzuordnen. Ausgenommen hiervon sind nur ohmsche Widerstände, die als "sichere" Bauelemente gelten. Die Doppel­ anordnung der Begrenzungselemente verringert zwar die Ausfall­ häufigkeit der Barriere, eine Funktionsgarantie stellt sie jedoch nicht dar. Sind die Begrenzungselemente eingebaut, so ist keine Funktionsprüfung mehr möglich. Daher ist vor Ein­ bau der Elemente eine besonders sorgfältige Prüfung erforder­ lich. Außerdem kann die doppelte Anordnung der Begrenzungs­ elemente nicht als "redundant" gelten, da ein defektes Element wegen der fehlenden Prüfbarkeit unerkannt bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Überwachung der Strom- und/oder Spannungsbegrenzung zu schaf­ fen, die es ermöglicht, Fehler in den Begrenzungselementen auch im eingebauten Zustand zu erkennen und somit die Ausfall­ häufigkeit der Strom-/Spannungsbegrenzung erheblich zu ver­ ringern.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Anordnung der ein­ gangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 genannten Merkmale auf. Teilstrombegrenzungselemente können auf einfache Weise nach Anspruch 2 sperrbar ausgeführt werden. Ebenso ist es nach Anspruch 3 leicht möglich, Teil­ spannungsbegrenzungselemente einzeln durchschaltbar zu reali­ sieren.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß Fehler in Begrenzungs­ elementen zuverlässig erkannt werden und somit eine redundante Ausführung der Begrenzungselemente vorliegt. Werden mindestens zwei Strom- bzw. Spannungsbegrenzungselemente in einer Barrie­ re verwendet, so wird durch die erfindungsgemäße Anordnung sichergestellt, daß auch mit einem fehlerhaften Begrenzungs­ element während der Prüfung die begrenzende Wirkung erhalten bleibt. Eine derartige Anordnung ist damit auch zur Prüfung der Begrenzungseinrichtungen während des Betriebs (On-line) in eigensicheren Stromkreisen geeignet. Bei einfacher Aus­ führung der Strom-/Spannungsbegrenzungselemente ist die Prüfung während einer vernachlässigbar kurzen Betriebsunter­ brechung (Quasi-On-line) durchführbar.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Strombegrenzungselement,

Fig. 2 ein Spannungsbegrenzungselement und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Strom-/Span­ nungsbegrenzung.

Ein Strombegrenzungselement IB1 besteht nach Fig. 1 aus mehreren Teilstrombegrenzungselementen TIB1 . . . TIBn, die jeweils ein elektronisches Strombegrenzungselement ES1 . . . ESn und einen in Reihe geschalteten Schalter Si1 . . . Sin ent­ halten. Dabei sind die Teilstrombegrenzungselemente TIB1 . . . TIBn zueinander parallelgeschaltet, so daß sich der Strom 1, den eine Speiseleitung führt, auf die einzelnen Teilstrom­ begrenzungselemente TIB1 . . . TIBn aufteilt. Im Betriebsfall sind die Schalter Si1 . . . Sin geschlossen. Ein Fehler in einem Schaltelement reduziert den Begrenzungsstrom und gefährdet nicht die Funktion der Strombegrenzung.

In Fig. 2 ist ein Spannungsbegrenzungselement UB1 darge­ stellt, das durch eine Reihenschaltung mehrerer Teilspannungs­ begrenzungselemente TUB1 . . . TUBm gebildet wird. Jedes Teil­ spannungsbegrenzungselement TUB1 . . . TUBm enthält eine Zener­ diode D1 . . . Dm, die mit einem parallelgeschalteten Schalter Su1 . . . Sum überbrückt werden kann. Die Summe der Begrenzungs­ spannungen der Teilspannungsbegrenzungselemente TUB1 . . . TUBm ergibt die wirksame Begrenzungsspannung für das Spannungs­ begrenzungselement UB1. Im Betriebszustand sind die Schalter Su1 . . . Sum offen. Tritt ein Fehler in einem der Schalter Su1 . . . Sum auf, so verringert sich die Begrenzungsspannung des Spannungsbegrenzungselements UB1, und die Spannung kann auch in diesem Fall einen zulässigen Maximalwert nicht über­ schreiten.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Strom-/Spannungs­ begrenzung, an deren Eingangsklemmen die Eingangsspannung U gegen Erdpotential GND anliegt. An ihren Ausgangsklemmen, die sich im eigensicheren Bereich EB befinden können, ist eine Ausgangsspannung UV, wiederum bezogen auf Erdpotential GND, abnehmbar. In diesem Ausführungsbeispiel sind Eingangs- (U) und Ausgangsspannung (UV) jeweils Gleichspannungen gegen Erdpotential GND. Selbstverständlich ist die Erfindung auch bei einer zweipoligen Versorgungsspannung oder bei einer Versorgung mit Wechselspannung anwendbar. In eine Ader der Speiseleitung sind Strombegrenzungselemente IB1, IB2 sowie ein Stromsensor IS eingefügt, die jeweils vom Strom I durchflossen werden. Zwei Spannungsbegrenzungselemente UB1, UB2 und ein Spannungssensor US sind zwischen die beiden Adern der Speise­ leitung geschaltet. Abweichend vom gezeigten Ausführungs­ beispiel können der Stromsensor IS und der Spannungssensor US natürlich auch mehrfach ausgeführt werden. Der Strom I durch die Strombegrenzungselemente IB1 und IB2 sowie die Spannung UV an den Spannungsbegrenzungselementen UB1 und UB2 werden durch die Sensoren IS und US gemessen und einer Auswerteeinrichtung AE zugeführt. Der Schaltzustand der Begrenzungselemente IB1, IB2, UB1 und UB2 wird durch eine Auswahlschaltung AS vorge­ geben. Zusammen mit einer Ein-/Ausgabeeinheit E/A bilden die Auswahlschaltung AS und die Auswerteeinrichtung AE eine An­ steuerschaltung A. Die Koordination der Überwachung bzw. Prüfung der Strom-/Spannungsbegrenzung kann durch ein ex­ ternes Steuerwerk beliebiger Art geschehen, das über eine Schnittstelle mit der Ein-/Ausgabeeinheit E/A verbunden ist. Selbstverständlich kann die gesamte Ansteuerschaltung A aus Zuverlässigkeitsgründen redundant bzw. fehlertolerant aufge­ baut sein. Die Zahl der dargestellten Begrenzungselemente ist ebenfalls nicht als Einschränkung der Allgemeingültigkeit zu verstehen, und es kann in bestimmten Fällen auf die Über­ wachung entweder der Strom- oder der Spannungsbegrenzung verzichtet werden.

Im folgenden wird erläutert, wie bei diesem Ausführungs­ beispiel die Begrenzungselemente überwacht werden können. Zur Prüfung der Strombegrenzungselemente IB1, IB2 werden alle Schalter Su1 . . . Sum in den Teilspannungsbegrenzungselementen TUB1 . . . TUBm geschlossen. Der Spannungssensor US meldet an die Auswerteeinrichtung AE die Spannung UV = 0. Weiterhin werden die Schalter Si1 . . . Sin in einem der beiden Strom­ begrenzungselemente, z. B. IB1, geöffnet. Der Stromsensor IS muß nun den Strom I = 0 messen. Werden jetzt die Schalter Si1 . . . Sin des Strombegrenzungselements IB1 einzeln der Reihe nach kurzgeschlossen und wieder geöffnet, so mißt der Strom­ sensor IS den jeweiligen Begrenzungsstrom der Teilstrom­ begrenzungselemente TIB1 . . . TIBn und die Auswerteeinrichtung AE überwacht, ob ein zulässiger Toleranzbereich eingehalten wird. Nach erfolgter Prüfung aller Teilstrombegrenzungs­ elemente TIB1 . . . TIBn des Strombegrenzungselementes IB1 werden alle Schalter Si1 . . . Sin des Strombegrenzungs­ elementes IB1 wieder geschlossen. Anschließend wird das Strom­ begrenzungselement IB2 in gleicher Weise geprüft.

Zur Prüfung der Spannungsbegrenzungselemente UB1, UB2 bleiben alle Schalter Si1 . . . Sin der Strombegrenzungselemente IB1, IB2 in ihrem Betriebszustand, d. h. geschlossen. Zudem werden die Schalter Su1 . . . Sum in einem der beiden Spannungsbegren­ zungselemente, z. B. UB1, geschlossen. Der Spannungssensor US muß nun den Wert UV = 0 messen. Nun werden die Schalter Su1 . . . Sum der Reihe nach einzeln geöffnet und kurz darauf wieder geschlossen. In diesem Zeitraum mißt der Spannungssensor US jeweils die Begrenzungsspannung und die Auswerteeinrichtung AE überwacht, ob ein zulässiger Toleranzbereich eingehalten wird. Ist die Prüfung aller Teilspannungsbegrenzungselemente TUB1 . . . TUBm des Spannungsbegrenzungselementes UB1 abgeschlossen, so werden wieder alle Schalter Su1 . . . Sum des Spannungs­ begrenzungselements UB1 geöffnet. Analog dazu kann das Span­ nungsbegrenzungselement UB2 geprüft werden.

Die einzelnen Prüfschritte müssen nicht unmittelbar aufein­ anderfolgen. Bei einer On-line- oder Quasi-On-line-Prüfung kann es von Vorteil sein, wenn die Dauer des Prüfvorgangs sehr kurz ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, in einem Prüf­ vorgang immer nur ein einziges Begrenzungselement zu prüfen und dann wieder für längere Zeit den normalen Betriebszustand herzustellen. Natürlich kann die Prüfung der einzelnen Be­ grenzungselemente in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Auch die Überwachung auf Einhaltung eines Toleranz­ bereichs muß nicht zwangsläufig darauf beschränkt sein, daß die Schalter Si1 . . . Sin bzw. Su1 . . . Sum einzeln geschlossen bzw. geöffnet werden. Diese Vorgehensweise soll hier nur als eine von vielen Möglichkeiten verstanden werden.

Claims (3)

1. Anordnung zur Überwachung einer Strom- und/oder Spannungs­ begrenzung auf der Speiseleitung einer Stromversorgung, ins­ besondere für elektronische Geräte in eigensicheren Strom­ kreisen, wobei

• - in Reihe zu einer Ader der Speiseleitung mindestens ein Strombegrenzungselement und/oder
• - zwischen zwei Adern der Speiseleitung mindestens ein Spannungsbegrenzungselement geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,
• - daß im Falle der Strombegrenzungsüberwachung mindestens ein Strombegrenzungselement (IB1, IB2) aus mehreren parallel­ geschalteten Teilstrombegrenzungselementen (TIB1 . . . TIBn) besteht, die einzeln sperrbar sind, und ein Stromsensor (IS) vorhanden ist, mit dem die Stromstärke (I) in der Speise­ leitung erfaßbar ist,
• - daß im Falle der Spannungsbegrenzungsüberwachung mindestens ein Spannungsbegrenzungselement (UB1, UB2) aus mehreren in Reihe geschalteten Teilspannungsbegrenzungselementen (TUB1 . . . TUBm) besteht, die einzeln durchschaltbar sind, und ein Spannungssensor (US) vorhanden ist, mit dem die Spannung (UV) zwischen den beiden Adern der Speiseleitung erfaßbar ist, und
• - daß eine Ansteuerschaltung (A) vorhanden ist, welche einen von mehreren möglichen Zuständen der Teilstrom- und/oder Teilspannungsbegrenzungselemente (TIB1 . . . TIBn; TUB1 . . . TUBm) vorgibt und in Abhängigkeit des jeweils vorgegebenen Zustandes und der auf der Speiseleitung erfaßten Stromstärke (I) und/oder Spannung (UV) ein Signal liefert, das Fehler in Teilstrom- oder Teilspannungsbegrenzungselementen (TIB1 . . . TIBn; TUB1 . . . TUBm) anzeigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß die Teilstrombegrenzungselemente (TIB1 . . . TIBn) jeweils ein elektronisches Strombegrenzungselement (ES1 . . . ESn) mit einem in Reihe geschalteten Schalter (Si1 . . . Sin) sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Teilspannungsbegrenzungselemente (TUB1 . . . TUBm) jeweils eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode (D1 . . . Dm) mit einem parallelgeschalteten Schalter (Su1 . . . Sum) sind.