DE4410980A1 - Störschutzschaltung für Schaltkontakte in elektronischen Schaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektromag­ netischen Verträglichkeit (EMV).

Betroffen sind elektrische Einrichtungen, die mit elektro­ nischen Einrichtungen gekoppelt sind oder rein elektroni­ sche Einrichtungen, die mit schaltenden Kontakten ausgerü­ stet sind. Diese Kontakte können Relaiskontakte oder Kon­ takte eines beliebigen Schalters sein. Im weiteren wird von Relais, Relaiskontakten oder nur von Kontakten gespro­ chen.

Die Relais können in oder außerhalb der elektronischen Einrichtung angeordnet sein. Von den Kontakten bzw. Relais können interne oder externe Lasten geschaltet werden.

Unter bestimmten Bedingungen können beim Öffnen von Relaiskontakten Störspannungen entstehen, die in elektro­ nische Einrichtungen eindringen und Funktionsfehler her­ vorrufen können. Hauptsächlich entstehen diese Störvor­ gänge dann, wenn induktive Lasten geschaltet werden, wie z. B. Steuermagnete, Motoren, Schütze usw. Während des Abschaltvorganges entsteht an der Induktivität der Last eine hohe Selbstinduktionsspannung, die Störvorgange aus­ löst.

Um zu verhindern, daß an der induktiven Last eine Induk­ tionsspannung während des Abschaltvorganges entsteht, wird als übliche Maßnahme des Standes der Technik parallel zur Last eine spezielle Beschaltung vorgenommen. Diese Be­ schaltung verhindert das Entstehen der Induktionsspannung oder begrenzt ihre Höhe.

Für diesen Zweck werden bekanntermaßen Störschutzbauele­ mente verwendet, wie beispielsweise Freilaufdioden, Ent­ störkondensatoren, Varistoren.

Die Beschaltung erfolgt parallel zur Last entweder direkt an der Last (beispielsweise Motor, Steuermagnet) oder in der elektronischen Einrichtung.

Bei Dimensionierung und Einbau von Beschaltungselementen ist zusätzlich zu unterscheiden zwischen EMV-Maßnahmen, die sich auf das Abschalten induktiver Lasten beziehen und Situationen, die beim Zuschalten von Lasten oder beliebi­ gen Leitungsabschnitten auftreten.

Die Art der Beschaltungselemente ist dabei von der gewähl­ ten Steuerspannung abhängig. Wechselspannung erfordert andere Beschaltungselemente als Gleichspannung. Während beim Abschalten von Gleichspannung Freilaufdioden einge­ setzt werden können, müssen beim Abschalten von Wechsel­ spannung andere Beschaltungselemente, wie Varistoren, Kondensatoren vorgesehen werden. D.h., die elektronische Einrichtung muß zweckgebunden und abhängig von der vorhandenen Steuerspannung mit Entstör­ bauelementen bestückt werden. Die Universalität der Anwen­ dung bestimmter Entstörmaßnahmen ist dadurch einge­ schränkt.

Hochwirksame Wechselspannungs-Beschaltungen durch Konden­ satoren können, da über die Kondensatoren ebenfalls ein Laststrom fließen kann, ungünstige Nebenwirkungen bezüg­ lich der zu steuernden Last hervorrufen. Ebenso können über Freilaufdioden bei bestimmten Schaltungen unerwünsch­ te Ströme fließen.

Mit Varistoren als Beschaltungselement lassen sich zwar zusätzliche Betriebsströme vermeiden, ihre Schutzwirkung ist aber auf Grund ihrer physikalischen Wirkung einge­ schränkt. Die Anwendung und der Einsatz von Kondensatoren ist relativ teuer.

Eine allgemeingültige, universelle Maßnahme, die im Gerät in kostengünstiger Form realisiert werden kann, ist z.Z. nicht bekannt.

Beim Zuschalten von Spannungen durch den Schaltkontakt in kritischen Zeitpunkten, z. B. beim Zusammentreffen vom Scheitelwert der Wechselspannung oder einer momentan anstehenden Überspannung mit der Schaltungshandlung werden Leitungsabschnitte schlagartig, d. h. etwa innerhalb weniger Nanosekunden, aufgeladen. Dieser Aufladevorgang koppelt naturgemäß erhebliche, Funktionsfehler provozierende Störspannungen in die jeweilige elektronische Schaltung ein.

Die sich auf das Abschalten induktiver Lasten beziehenden EMV-Maßnahmen in Form der parallelen Beschaltung zur Last wirken bei diesem Mechanismus nicht.

Wenn die für die Entstörung von Abschaltvorgängen genann­ ten Maßnahmen in Relaiskontaktnähe ausgeführt sind, tritt sogar eine erhebliche Verschlechterung für Zuschaltvorgän­ ge ein; ggf. kommt es zu einer Überkopplung auf benachbar­ te Leitungen.

Dieser mit dem Zuschalten von Lasten bzw. Leitungsab­ schnitten einhergehende Wirkungsmechanismus ist den Technikern nicht bekannt. Sporadisch angewendete und deshalb auch nicht zuverlässig wirkende Beschaltungsmaß­ nahmen in Form von Netzkondensatoren, Netzfiltern, Schir­ mung, galvanische Trennung stellen mehr oder weniger zu­ fällige, allgemeine und prophylaktische Methoden dar.

Eine gezielte Behandlung ist auf Grund der fehlenden Kenntnisse und Instrumentarien bislang nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einheitliche Be­ schaltungsmaßnahmen vorzuschlagen, die den EMV-Anforderun­ gen sowohl für das Abschalten als auch für das Zuschalten von Lasten oder beliebiger Leitungsabschnitte gerecht werden. Die elektromagnetische Verträglichkeit der Be­ schaltungselemente soll dabei für beide Schalthandlungen gewährleistet sein. Sichere Schalthandlungen ohne Impli­ zierung von gefährlichen Störspannungen und Beeinflus­ sungen sollen auch bei Schaltvorgängen mit Burstcharak­ tistik gegeben sein.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Wenn beim Vorgang des Kontaktschließens oder Öffnens der Kontakt relativ kleine Schlagweiten besitzt, kommt es bei ausreichender Spannung über dem Kontakt (beim Öffnen Induktionsspannung; beim Schließen Betriebsspannung oder Überspannung) zum Überschlag.

Dabei muß beim Schließen des Kontaktes nicht unbedingt ein überschlag entstehen, zur Erreichung extrem hoher Span­ nungsgradienten dU/dt genügt schon die metallische Berüh­ rung der Kontakte.

Die Überschläge können in einer Schalthandlung mehrfach erfolgen und damit kann die Schalthandlung Burstcharakter annehmen.

Die Leitungsbereiche in Kontaktnähe bilden einen Kondensa­ tor, die sogenannte Nahkapazität, der schlagartig umgela­ den wird. Dadurch verändert sich die Spannung im Leitungs­ bereich um den Kontakt um mehrere 100 V pro Nanosekunde. Diese Spannungsveränderung erzeugt einen Störvorgang, der sich in benachbarten elektronischen Schaltungen bzw. Schal­ tungsbereichen beeinflussend auswirken kann. Es werden insbesondere schnelle, digitale elektronische Schaltungen beeinflußt.

Herkömmliche Beschaltungsmaßnahmen verbinden mit ihrer Eigenkapazität Leiterzüge und erhöhen dadurch die Kontakt­ nahkapazität, was zu einer Verstärkung ungünstiger Beein­ flussungsmechanismen führen kann.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in die Leitung zum Relais- bzw. Schaltkontakt, d. h. in den Stromweg vom Kontakt zur Nahkapazität, eine definierte Induktivität oder ein Absorberelement, auch bekannt unter der Bezeichnung chip solid inductor, in Reihe geschaltet wird.

Die kennzeichnende Eigenschaft des Absorberelements be­ steht darin, daß es für hohe Frequenzanteile oder steile Schaltflanken einen erhöhten Durchgangswiderstand besitzt. Das Absorberelement hat kombinierte ohmsche und induktive Eigenschaften und ist immer in den Stromweg zum Kontakt einzuschalten.

Durch die Reihenschaltung dieser Induktivität oder des Absorberelements wird der ansonsten sehr schnell verlau­ fende Umladevorgang der Kontaktnahkapazität verlangsamt. Durch die zeitliche Verlangsamung des Spannungszusammen­ bruchs bzw. Spannungsaufbaus wird die beeinflussende Wir­ kung auf elektronische Schaltungen stark reduziert.

Diese Schaltungsmaßnahme ist für Geräte, die mit Gleich- oder Wechselspannung arbeiten, gleichermaßen wirksam.

Die Erfindung kann in zwei Richtungen angewendet werden.

Einmal ist die Induktivität oder das in den Kontaktstrom­ weg eingeschaltete Absorberelement unmittelbar am Relais- bzw. Schaltkontakt oder in unmittelbarer Nähe des Relais angeordnet, wodurch die gesamte Nahkapazität entkoppelt wird.

Zum anderen ist die Induktivität oder das Absorberelement nur im Stromweg der Beschaltungselemente angeordnet, d. h. mit dem jeweiligen Beschaltungselement in Reihe geschal­ tet. Hier wird nur die durch Weiterkoppeln über die Be­ schaltungselemente verursachte nachteilige Vergrößerung der Nahkapazität begrenzt.

Für beide Anwendungsrichtungen gibt es mehrere Varianten für die konkrete schaltungstechnische Anordnung von Induk­ tivität oder Absorberelement.

Nachfolgend werden alternative Anordnungen von Induktivi­ tät oder Absorberelement bei der ersten Anwendungsrichtung beschrieben.

Induktivitäten oder Absorberelemente können auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Kontaktes angeordnet sein. Bei der einfachsten Ausführungsform ist die Indukti­ vität ein Ferritelement, das auf den Kontakt selbst oder auf dessen Zuleitung aufgeschoben ist.

Die Induktivität oder das Absorberelement kann im Relais oder in einem Bauelement bzw. einer Baugruppe mit schal­ tendem Kontakt oder außerhalb von Relais bzw. eines sol­ chen Bauelementes oder einer solchen Baugruppe angeordnet sein.

Der Einbau in die elektronische Einrichtung sollte bevor­ zugt werden, da damit Montageunsicherheiten, die beim Einbau der Induktivität an der Last auftreten könnten, vermieden werden.

Das Absorberelement kann auch so ausgeführt werden, daß es unmittelbar einen Teil des Relais-Kontaktstromweges oder einen Teil der Zuleitung bildet.

Als Ferritelemente können Ferritperlen, Ferritrohre, Ferritstäbe oder auch Ringkerne eingesetzt werden, wobei die Anschlußleitungen in einer Windung oder in mehreren Windungen durch die Ferritelemente geführt sind. Zur Einstellung des erforderlichen Betrages der Induktivität können mehrere Ferritelemente in Reihe geschaltet werden.

Bei einer weiteren Ausführungsvariante kann die Induktivi­ tät in Form eines Ferritblocks ausgebildet sein. Im Fer­ ritblock sind entsprechend der jeweiligen Sockelgeometrie Löcher für die Durchführung der Relaisanschlüsse vorhan­ den.

Schließlich kann Induktivität oder Absorberelement auch als diskretes Bauelement ausgeführt sein.

Bei der zweiten Anwendungsrichtung wird die Induktivität bzw. das Absorberelement im Stromweg der Beschaltungsele­ mente angeordnet. Als Beschaltungselemente werden i.d.R. Entstörkondensatoren und Varistoren eingesetzt.

Durch die Kapazität des Beschaltungselements wird die geometrische Fläche der Kontaktnahkapazität zu den angren­ zenden Leitungs- bzw. Schaltungsbereichen erweitert. Am schlagartigen Umladevorgang ist eine größere Fläche und damit eine größere Kapazität beteiligt.

Die erfindungsgemäß zusätzlich in Reihe zum Beschaltungs­ element angeordnete Induktivität oder das Absorberelement üben quasi eine Sperrwirkung für steile Spannungs- bzw. Stromgradienten (dU/dt, dI/dt) aus.

Erreicht wird diese Funktion dadurch, daß beispielsweise ein oder mehrere Ferritelemente auf einen oder auf beide Anschlußdrähte des Beschaltungselementes aufgesteckt wer­ den.

Daraus folgt, daß bei Beschaltungselementen, wie Varisto­ ren und Entstörkondensatoren für die Beschaltung indukti­ ver Lasten an einem oder an beiden Anschlüssen Induktivi­ täten z. B. in Form von aufgesteckten Ferritperlen in Reihe zum wirksamen Entstörbauelement geschaltet werden. Die aufgesteckten Ferritelemente sind dabei so angeordnet, daß die Durchgangsinduktivität des Entstörbauelements erhöht wird.

Bei einer speziellen Ausführungsvariante kann das Absor­ berelement im Entstörbauelement in Reihenschaltung integriert sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Patentansprüche verwiesen.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 prinzipielle Schaltungsanordnung zur Erfindung,

Fig. 2 Ausführungsvarianten bei der Anordnung der Indukti­ vität unmittelbar am Kontakt oder in Kontaktnähe,

Fig. 3 Grundschaltung zur zweiten Anwendungsrichtung,

Fig. 4 Ausführungsbeispiel bei Anordnung der Induktivität im Stromweg der Beschaltungselemente.

Fig. 1 zeigt die prinzipielle Schaltungsanordnung zur Erfindung. In die Leitung 4 zum Relaiskontakt 3 ist in Reihe mit dem Relaiskontakt eine definierte Induktivität 1 geschaltet.

Fig. 2 veranschaulicht verschiedene Varianten zur Anord­ nung der Induktivität nach der ersten Anwendungsrichtung, bei der die Induktivität unmittelbar am Kontakt oder zu­ mindest in Kontaktnähe vorgesehen ist.

In der Darstellung nach Fig. 2.1 mit der Ausführung nach Fig. 2.6 ist ein Ferritelement 1 in Form eines Ferritroh­ res unmittelbar auf den Schaltungskontakt 3 aufgebracht. In Fig. 2.2 mit der Ausführung nach Fig. 2.7 sind auf beide Zuleitungen 4 innerhalb des Relais Ferritperlen bzw. ein gemeinsamer Ferritblock aufgesteckt.

Fig. 2.3 zeigt mit der Ausführung nach Fig. 2.8 die analo­ ge Anordnung von Induktivitäten, wobei hier die Ferritper­ len 1 außerhalb des Relais, also beispielsweise vom Mon­ teur, auf die beiden vorhandenen Relaiszuleitungen 4 auf­ geschoben werden.

In Fig. 2.4 ist die Anordnung der Induktivität 1 als diskretes Bauelement realisiert.

Fig. 2.5 zeigt die Ausführungsform der Induktivität 1 als Ferritblock für einen Relaisanschluß.

Bei den Schaltungsanordnungen nach Fig. 2.1 bis 2.4 können anstelle der Ferritelemente Absorberelemente in den Strom­ weg geschaltet werden.

Die Grundschaltung zur zweiten Anwendungsrichtung, bei der die Induktivität 1 mit dem jeweiligen Beschaltungselement 5 in Reihe geschaltet wird, geht aus Fig. 3 hervor.

Beschaltungselement 5 mit der erfindungsgemäß in Reihe liegenden Induktivität 1 sind parallel zur induktiven Last 6 geschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Induktivität 1 im Stromweg eines Beschaltungselements 5 zeigt Fig. 4. Auf die beiden Anschlußdrähte des als Beschaltungselements eingesetzten Kondensators oder Varistors 5 sind Ferritper­ len 1 aufgesteckt.

Absorberelemente befinden sich bei der Schaltung nach Fig. 4 im Stromweg des Beschaltungselements 5. Dabei kann die Ausführung so erfolgen, daß Absorbermaterial direkt in den aktiven Teil des Beschaltungselements 5, beispielsweise als Materialkomponente integriert ist.

Claims (15)

1. Störschutzschaltung für Schaltkontakte in elektroni­ schen Einrichtungen zur Gewährleistung sicherer Schalt­ handlungen auch bei Schaltvorgängen mit Burstcharakteri­ stik, dadurch gekennzeichnet, daß eine definierte Induktivität (1) oder ein Absorberelement (7) zur Entkopplung der (Kontakt-)Nahkapazität (2) in die Leitung zum Relais- bzw. Schaltkontakt (3) geschaltet ist.

2. Störschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (1) oder das Absorberelement (7) unmittelbar am Relais- bzw. Schaltkon­ takt (3) oder in unmittelbarer Nähe des Relais angeordnet ist, wobei das Absorberelement immer in den Stromweg eingeschaltet ist.

3. Störschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (1) oder das Absorberelement (7) nur in den Stromweg der Beschaltungs­ elemente (5) eingeschaltet ist.

4. Störschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (1) oder das Absorberelement (7) auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Kontaktes (3) angeordnet ist.

5. Störschutzschaltung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (1) als ein auf den Kontakt (3) selbst oder auf dessen Zuleitung (4) aufgeschobenes Ferritelement ausgeführt ist.

6. Störschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (1) oder das Absorberelement (7) im Relais oder in einem Bauelement bzw. einer Baugruppe mit schaltendem Kontakt (3) oder außerhalb von Relais bzw. Bauelement oder Baugruppe mit schaltendem Kontakt angeordnet ist.

7. Störschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferritelement (1) direkt auf dem festen oder beweglichen Kontakt des Schaltkontak­ tes (3) angeordnet ist.

8. Störschutzschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ferritelemente (1) in Reihe geschaltet sind.

9. Störschutzschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Ferritelemente (1) Ferrit­ perlen, Ferritrohre, Ferritstäbe oder Ringkerne verwendbar sind.

10. Störschutzschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen (4) in einer Windung oder in mehreren Windungen durch die Ferritelemente (1) geführt sind.

11. Störschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (1) in Form eines Ferritblocks ausführbar ist, wobei im Ferritblock Löcher für die Durchführung der Relaisanschlüsse vorgese­ hen sind.

12. Störschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (1) oder das Absorberelement (7) als diskretes Bauelement ausgeführt sind.

13. Störschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberelement (7) unmittelbar einen Teil des Relais-Kontaktstromweges oder einen Teil der Zuleitung bildet.

14. Störschutzschaltung nach Anspruch 3, sowie 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ferritelement (1) oder mehrere Ferritelemente auf einen oder auf beide Anschluß­ drähte des Beschaltungselements so aufgesteckt sind, daß sie in Reihe zum wirksamen Entstörbauelement geschaltet sind.

15. Störschutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im Stromweg des Beschal­ tungselements (5) befindliche Absorberelement (7) als Komponente des Beschaltungselementes ausgeführt ist, wobei das Absorbermaterial direkt in den aktiven Teil des Beschaltungselements integriert ist.