DE60127484T2

DE60127484T2 - Elektrische Schaltungsanordnung zur Meldung von Zustandsinformationen, insbesondere für Eisenbahnmaterial, und System mit einer solchen Einrichtung

Info

Publication number: DE60127484T2
Application number: DE60127484T
Authority: DE
Inventors: Michel Bert; Ladimir Prince
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: CA2342716A1; CA2342716C; US20010026227A1; FR2807194B1; US6483431B2; DK1139361T3; PT1139361E; FR2807194A1; EP1139361A1; EP1139361B1; ATE358323T1; ES2284599T3; JP2002002417A; DE60127484D1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltanordnung für die Übertragung von Informationen binärer Art, insbesondere für eine Anwendung im Schienenverkehrsbereich.
In einem Zug werden zahlreiche Signale binärer Art zur Angabe des Zustands eines Parameters oder eines Geräts übertragen, beispielsweise an eine elektronische Schaltanordnung zur Betätigung von Schaltwerken oder an eine Steuer- und Anzeigetafel.
Diese Signale sind beispielsweise repräsentativ für den Zustand eines Leistungsschalters oder für die geöffnete oder geschlossene Stellung einer Zugangstür zu einem Wagen.
Die Signale sind dazu bestimmt, mit einem hohen Grad an Sicherheit und Verfügbarkeit übertragen zu werden, was die Verwendung von Verbindungen mit niedriger Energie vom Typ EDV-Verbindung ungeeignet macht.
Eine derzeit verwendete Lösung besteht darin, an den beiden Klemmen einer Batterie eine elektrische Schaltanordnung mit geschlossener Schleife anzuschließen, die in Reihe mindestens einen Schalter, der mit dem Zustand des zu überwachenden Organs verknüpft ist, einen Widerstand und eine galvanisch isolierte Verbindung aufweist, die mit der Vorrichtung, für welche die in dem Signal enthaltene Information bestimmt ist, verbunden ist, beispielsweise der elektronischen Schaltanordnung zur Betätigung von Schaltwerken oder der Steuer- und Anzeigetafel.
Die geöffnete bzw. geschlossene Stellung des Schalters ist repräsentativ für den Zustand eines Parameters oder eines Geräts. Wenn der Schalter geschlossen ist, fließt in der Schaltanordnung ein Strom, dessen Stärke durch den Widerstand begrenzt wird. Wenn er geöffnet ist, fließt kein Strom. Das Fließen bzw. Nichtfließen dieses Stroms wird über die galvanische isolierte Verbindung in eine binäre Information umgewandelt, die an die elektronische Schaltanordnung übertragen wird.
Im Allgemeinen weist ein Zug eine Vielzahl derartiger Schaltanordnungen auf, die an die Klemmen ein und desselben Batterie angeschlossen sind.
Da Schalter zur Oxidation neigen, muss eine minimale Stromstärke, in der Größenordnung von einigen Zehnteln Milliampere, jeden dieser Schalter durchfließen, um sie zu reinigen.
Dieser Strom wird vom Widerstand unwiederbringlich verbraucht.
Die im Widerstand durch den Joule-Effekt bewirkte Verlustleistung erzeugt außerdem Wärme, die abgeführt werden muss.
Eine Lösung bestünde darin, Lüfter zu verwenden.
Derzeit wird es aus Zuverlässigkeitsgründen allerdings vermieden bzw. ist es sogar untersagt, derartige Lüfter von an Bord von Zügen befindlichen elektronischen Schaltanordnungen zu verwenden, da ein Lüfter mechanische Komponenten enthält, die sich verkeilen, sich festfressen oder allgemein zu einer Störung führen können.
Da die Zuverlässigkeit von elektrischen und elektronischen Komponenten mit steigender Umgebungstemperatur stark abnimmt, wird versucht, so wenig Wärme wie möglich zu erzeugen.
Da die Batterie ferner im Allgemeinen mehrere Schaltanordnungen und weitere Geräte mit Strom versorgt, verändert sich die von ihr bereit gestellte Spannung über die Zeit mit dem Lastpegel an ihren Klemmen.
Die Stromstärke in der Schaltanordnung verändert sich ihrerseits somit auch proportional zum Ladezustand der Batterie.
Um die zur Reinigung der Schalter benötigte Mindeststromstärke zu erhalten, muss über einige Perioden im Laufe des Betriebs der Schaltanordnung folglich ein erheblicher Mehrverbrauch an Strom und somit an Leistung möglich sein. Die zusätzliche Erzeugung von Wärme, die damit verbunden ist, vergrößert das Problem, diese Wärme abzuführen.
Die Menge an Verlustwärme nimmt mit der Anzahl der Schalter und der zu übertragenden Informationen zu.
In dem Dokument DE-A-4 221 916 ist eine elektrische Schaltanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben.
Die Erfindung sieht vor, die oben genannten Nachteile nach dem Stand der Technik zu verringern.
Ziel der Erfindung ist somit, die Übertragung einer Information binärer Art mit einem hohen Grad an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu realisieren und dabei die durch den Joule-Effekt bewirkte Verlustleistung zu reduzieren.
Sie betrifft somit eine elektrische Schaltanordnung zur Übertragung des Zustands eines Parameters oder eines Geräts, die dazu bestimmt ist, an den Klemmen einer Versorgungsbatterie angeschlossen zu werden, und die enthält:

– eine galvanisch isolierte Verbindung zwischen der elektrischen Schaltanordnung und einem Ausgang für die Ausgabe einer Zustandsinformation und
– einen Schalter, dessen geöffnete oder geschlossene Position repräsentativ für die Zustandsinformation ist und der den Durchgang eines Stroms in der Schaltanordnung bestimmt,

Gemäß weiteren Merkmalen dieser elektrischen Schaltanordnung:

– ist die galvanisch isolierte Verbindung in Reihe mit dem Schalter geschaltet;
– weisen die Mittel zur Regelung der Stromstärke in dem Schalter ferner Mittel auf zur Überwachung einer Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung und zur wechselseitigen Betätigung der Mittel zur Umschaltung der Verbindungen zwischen den Elementen, von denen die elektrische Schaltanordnung gebildet ist, in Abhängigkeit vom Zustand der elektrischen Schaltanordnung;
– schalten die Mittel zur Umschaltung der Verbindungen zwischen den Elementen, von denen die elektrische Schaltanordnung gebildet ist, abwechselnd zumindest die induktiven Speicherungsmittel, den Schalter, die Batterie und die kapazitativen Speicherungsmittel in einer ersten Phase, im stationären Zustand, bei der eine Energiemenge, die von den kapazitativen Speicherungsmitteln gespeichert ist, durch die induktiven Speicherungsmittel zurückgegeben wird, in einer geschlossenen Schleife in Reihe und die induktiven Speicherungsmittel, den Schalter und die kapazitativen Speicherungsmittel in einer zweiten Phase, im stationären Zustand, bei der eine Energiemenge, die von den induktiven Speicherungsmitteln gespeichert ist, durch die kapazitativen Speicherungsmittel zurückgegeben wird, in einer geschlossenen Schleife in Reihe, wobei die Polarität der Anschlüsse zwischen den induktiven Speicherungsmitteln und den kapazitativen Speicherungsmitteln zwischen der ersten und der zweiten Phase umgekehrt wird;
– weisen die induktiven Speicherungsmittel und die kapazitativen Speicherungsmittel eine in Reihe mit dem Schalter geschaltete Induktivität bzw. eine Kapazität auf, weist die elektrische Schaltanordnung in Reihe geschaltet mit dem Schalter und der Induktivität einen ersten und einen zweiten parallel geschalteten Zweig auf und einen Widerstand auf, der zu dem Schalter und der Induktivität parallel geschaltet und an einen Punkt des zweiten Zweigs angeschlossen ist, wobei die Kapazität in den zweiten Zweig geschaltet ist, und umfassen die Mittel zum Umschalten der Verbindungen Mittel, um den Strom, der in den Schalter und die Induktivität fließt, abwechselnd in den ersten und den zweiten Zweig zu leiten;
– ist die galvanisch isolierte Verbindung in den ersten Zweig geschaltet;
– ist die galvanisch isolierte Verbindung in den zweiten Zweig mit dem Kondensator in Reihe geschaltet;
– ist die galvanisch isolierte Verbindung in Reihe mit dem Widerstand geschaltet;
– sind die Periode, während der der Strom, der in den Schalter und die Induktivität fließt, nacheinander in dem ersten und dann in dem zweiten Zweig fließt, und das zyklische Verhältnis, gleich der Zeit, in der der Strom in dem ersten Zweig fließt, geteilt durch die Periode, stetig bzw. variabel und durch die Mittel zur Überwachung der Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung und zur periodischen Betätigung der Umschaltmittel bestimmt;
– weisen die Mittel, um den Strom, der in den Schalter und die Induktivität fließt, abwechselnd in den ersten und in den zweiten Zweig zu leiten, einen betätigten Schalter, der in den ersten Zweig geschaltet ist, und eine Diode auf, die in den zweiten Zweig geschaltet ist zwischen einerseits einer der beiden Verbindungsstellen des ersten und des zweiten Zweigs und andererseits dem Punkt für den Anschluss des Widerstands an den zweiten Zweig, wobei sich die Kapazität zwischen einerseits der anderen dieser beiden Verbindungsstellen des ersten und des zweiten Zweigs und andererseits dem Punkt für den Anschluss des Widerstands an den zweiten Zweig befindet;
– ist die galvanisch isolierte Verbindung in Reihe mit der Diode geschaltet;
– ist die galvanisch isolierte Verbindung von einem Optokoppler gebildet;
– ist die galvanisch isolierte Verbindung von einem Transformator gebildet;
– bildet die Primärwicklung des Transformators auch zumindest einen Teil der induktiven Speicherungsmittel;
– bilden die Mittel zur Überwachung einer Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung und zur periodischen Betätigung der Umschaltmittel auch die galvanisch isolierte Verbindung und sind zu diesem Zweck einerseits mit dem Ausgang für die Ausgabe der Information versehen und andererseits dafür vorgesehen, diese Information ausgehend von der Verarbeitung der Kenngröße, insbesondere ausgehend von dem zyklischen Verhältnis, zu übertragen;
– bildet der Spitzenwert des Stroms, der in den Schalter fließt, im Laufe einer Periode die Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung;
– bildet das Potential an dem Punkt für den Anschluss des Widerstands an dem zweiten Zweig die Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung;
– bildet die Spannung an den Klemmen des Widerstands die Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung;
– weist sie ferner Mittel auf, um ihre korrekte Funktionsweise unabhängig von der Stellung des Zustandsschalters zu testen;
– umfassen die Mittel zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung: • einen betätigten Testschalter und eine Testbatterie, die in eine erste Reihenschaltung geschaltet sind, die ihrerseits parallel zu einer zweiten Reihenschaltung geschaltet ist, die den Zustandschalter und einen Steckplatz umfasst, der für den Anschluss der Versorgungsbatterie vorgesehen ist, und • eine automatische Testeinheit, die an die Klemme zur Betätigung des betätigten Testschalters und an den Ausgang für die Ausgabe einer Zustandsinformation angeschlossen ist;
– umfassen die Mittel zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung: • einen betätigten Testschalter, der parallel zu dem Zustandsschalter geschaltet ist, wobei die Gesamtheit in Reihe mit einem Steckplatz für den Anschluss der Versorgungsbatterie geschaltet ist, die dafür vorgesehen ist, auch den Betrieb der Testbatterie sicherzustellen, und • eine automatische Testeinheit, die an die Klemme zur Betätigung des betätigten Testschalters und an den Ausgang für die Ausgabe einer Zustandsinformation angeschlossen ist;
– ist die automatische Testeinheit, die auch an die Mittel zur Überwachung einer Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung und zur wechselseitigen Betätigung der Mittel zum Umschalten der Verbindungen angeschlossen ist, dafür vorgesehen, die Umschaltmittel in zumindest einer Position zur Unterdrückung des Stroms in der elektrischen Schaltanordnung zu halten;
– weisen die Mittel zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung zumindest eine Schutzdiode auf, die mit dem Zustandsschalter in Reihe geschaltet ist, um einen von dem betätigten Testschalter kommenden Strom zu sperren;
– weisen die Mittel zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung eine weitere Schutzdiode auf, die mit dem betätigten Testschalter in Reihe geschaltet ist, um einen von dem Zustandschalter kommenden Strom zu sperren.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein elektrisches System, das dazu bestimmt ist, eine Vielzahl von Zustandsinformationen zu übertragen, und dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Batterie und eine Vielzahl elektrischer Schaltungsanordnungen laut obiger Definition aufweist, die jeweils dazu vorgesehen sind, eine Zustandsinformation zu übertragen, und die zu den Klemmen der Batterie parallel geschaltet sind.
Entsprechend weiterer Merkmale dieses elektrischen Systems befindet dieses sich an Bord eines Eisenbahnzugs, wobei jeder Zustandschalter mit einem Organ oder einem Gerät des Eisenbahnzugs verbunden ist, um dessen Zustand oder Position zu überwachen.
Die Erfindung lässt sich besser beim Lesen der folgenden Beschreibung verstehen, die lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen dient. Es zeigen:
1 ein elektrisches System entsprechend einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung für die Übertragung einer Vielzahl von binären Informationen;
2 eine elementare elektrische Schaltanordnung des elektrischen Systems aus 1 für die Übertragung einer binären Information;
die Diagramme der 3a, 3b und 3c die theoretischen Werte der Ströme in Abhängigkeit von der Zeit jeweils in den drei Zweigen der Schaltanordnung aus 2;
4 eine elementare Schaltanordnung analog zu der in 2 entsprechend einem Ausführungsbeispiel für eine erste Ausführungsvariante der Erfindung;
5 eine elementare Schaltanordnung analog zu der in 2 entsprechend einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung;
6 eine elementare Schaltanordnung analog zu der in 2 entsprechend einer dritten Ausführungsvariante der Erfindung; und
7 eine elementare Schaltanordnung entsprechend der in 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante der Erfindung, wobei diese elementare Schaltanordnung ferner Mittel aufweist, um ihre korrekte Funktionsweise automatisch zu testen.
Eine erste Ausführungsvariante für ein elektrisches System 1 nach der Erfindung ist in 1 veranschaulicht.
Das elektrische System 1 ist dafür vorgesehen, eine Vielzahl von binären Informationen an eine elektronische Schaltanordnung 2 zur Betätigung von Schaltwerken zu übertragen.
Das elektrische System 1 weist eine Vielzahl elementarer elektrischer Schaltungsanordnungen (CE(i)) auf, hier mit der Anzahl n, die zu den Klemmen einer Versorgungsbatterie 3 parallel geschaltet sind. Wie weiter unten erläutert, ist jede elementare Schaltanordnung CE(i) für die Übertragung einer binären Information vorgesehen, die repräsentativ für den Zustand eines zu überwachenden Organs oder Geräts ist, insbesondere eines Geräts von Schienenfahrzeugen.
Eine Verbindung S(1) ... S(i) ... S(n) nimmt die binäre Information am Ausgang jeder elementaren Schaltanordnung CE(i) mittels einer weiter unten beschriebenen Verbindung auf, um sie an einen der Eingangsports P(1) ... P(i) ... P(n) der elektronischen Schaltanordnung 2 zu übertragen.
Die elektronische Schaltanordnung 2 weist ferner Ausgangsports 4 auf, beispielsweise für die Betätigung von (nicht dargestellten) Schaltwerken.
Bei der ins Auge gefassten Hauptanwendung sind die Versorgungsbatterie 3, das elektrische System 1 und die elektrische Schaltanordnung 2 für den Einbau in einem Zug vorgesehen. Es versteht sich von selbst, dass die elektronische Schaltanordnung 2 zur Betätigung von Schaltwerken durch eine Steuer- und Anzeigetafel oder durch jede andere Vorrichtung ersetzt werden kann, die eine binäre Information empfangen und verarbeiten kann.
Im Allgemeinen ist die Versorgungsbatterie 3 die einzige Gleichspannungsquelle für den gesamten Zug. Ferner werden die unterschiedlichen Geräte an Bord, die mit Gleichstrom versorgt werden müssen, über diese einzige Batterie 3 versorgt. Die von ihr gelieferte Spannung kann somit über die Zeit je nach der an ihren Klemmen anliegenden Last zwischen dem 0,6-Fachen und dem 1,4-Fachen ihrer Nennspannung schwanken.
Die derzeit in Zügen eingesetzten Batterien 3 weisen Nennspannungen von 24 Volt, 36 Volt, 48 Volt, 96 Volt und 110 Volt auf.
Der Übersichtlichkeit halber wurde in 2 eine elementare elektrische Schaltanordnung CE(i) isoliert, die zu der Konstruktion des elektrischen Systems 1 gehört. Diese elementare Schaltanordnung CE(i) weist eine Schleife B auf, die von der Batterie 3 gespeist wird, und in Reihe angeordnet einen Zustandsschalter 5, eine Induktivität 6, eine galvanisch isolierte Verbindung 7, die beispielsweise mittels eines Optokopplers realisiert sein kann, und zwei parallele Zweige 8 und 9 umfasst.
Aus Bequemlichkeitsgründen wurde in der nachfolgenden Beschreibung folgende Festlegung getroffen: die Richtung, mit der ein Strom die Schleife B von der Klemme + in Richtung der Klemme – der Batterie 3 durchfließt, legt eine positive Ausrichtung dieser Schleife B fest.
Der Zweig 8 umfasst in Reihe angeordnet einen Transistor 10 und eine Regelungsvorrichtung 11 zur Betätigung des Transistors 10. Die Polarisierung des Transistors 10 ist derart, dass ein zwischen den beiden Hauptelektroden, die sich von der Betätigungselektrode unterscheiden, des Transistors fließender Strom gemäß der oben getroffenen Festlegung für die Ausrichtung der Schleife B positiv ist.
Die Regelungsvorrichtung 11 weist Mittel zur Messung der Stärke des Stroms, der den Zweig 8 durchfließt, sowie einen (nicht dargestellten) Taktgeber auf.
Der zweite Zweig 9 weist in Reihe geschaltet eine Diode 12 und einen Kondensator 13 auf.
Ein Widerstand 14 ist zwischen einem Punkt P des Zweigs 9, der sich zwischen der Diode 12 und dem Kondensator 13 befindet, und der Klemme + der Batterie 3 angeordnet.
Die Diode 12 ist derart polarisiert, dass die Entladung des Kondensators 13 nur über den Widerstand 14 möglich ist.
Das Organ oder Gerät, dessen Zustand überwacht werden soll, bewirkt das Schließen und Öffnen des Zustandsschalters 5.
Wenn der Schalter 5 geöffnet ist, fließt in die Schleife B kein Strom über die galvanische Verbindung 7, die, wenn sie von einem Optokoppler gebildet ist, keinen Ausgangsstrom an der Verbindung S(i) oder Ausgang für die Ausgabe einer Zustandsinformation bereitstellt.
Die Frequenz der Betätigung des Transistors 10 ist durch den Taktgeber der Regelungsvorrichtung 11 festgelegt, beispielsweise auf ungefähr 240 kHz. Im Laufe einer Periode T, die als Umkehr von dieser Frequenz der Betätigung des Transistors 10 definiert ist, wobei diese Periode in dem beschriebenen Beispiel stetig ist, jedoch in anderen Ausführungen variabel gestaltet werden kann, ist der Transistor 10 nacheinander erst leitend, dann sperrend. Das zyklische Verhältnis α, gleich dem Zeitraum, während dessen der Transistor 10 leitend ist, geteilt durch die Periode T, ist variabel. Es ist durch die Regelungsvorrichtung 11 über den Vergleich des Spitzenwertes des Stroms, der den Zweig 8 im Laufe einer Periode T durchfließt, auf einen Sollwert in der Größenordnung von 25 mA bestimmt, der in der Regelungsvorrichtung 11 hinterlegt ist, um den Strom in der Schleife B zu regeln. Wenn der Schalter 5 geöffnet ist, ist der Strom in dem Zweig 8 gleich Null und damit kleiner als der Sollwert der Regelungsvorrichtung 11. Das zyklische Verhältnis α ist dann gleich 1, und der Transistor 10 ist kontinuierlich leitend.
Es ist auch zu beachten, dass in dieser Stellung des Schalters 5 das Potential V_P im Punkt P gleich der Spannung E an den Klemmen der Batterie 3 ist.
Wenn dann der Schalter 5 aus seiner geöffneten Stellung in seine geschlossene Stellung gelegt wird, beginnt eine Übergangsphase. Da der Transistor 10 leitend ist, ist die Induktivität 6 mit dem Wert L und dem Eigenwiderstand r der Spannung E ausgesetzt, die über die Batterie 3 bereitgestellt wird.
Die Stärke i₆ des Stroms in der Induktivität 6 wird durch folgende Gleichung bestimmt:
und wächst im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Zeit t exponentiell an bzw. im Wesentlichen linear an, wenn die Betätigungsperiode kleiner als die Zeitkonstante der Induktivität 6 mit dem Wert L/r ist.
Nach einer oder mehreren Perioden T hat der Strom i₆ einen derartigen Wert angenommen, dass das zyklische Verhältnis α sich von seinem Anfangswert gleich 1 zu entfernen beginnt und der Transistor 10 sperrt.
Die Induktivität 6 entmagnetisiert sich über einen Strom i₁₂, der die Diode 12 in Richtung des Punktes P durchfließt. Dieser Strom i₁₂ teilt sich in P in zwei Ströme i₁₃ und i₁₄ auf, die den Kondensator 13 bzw. den Widerstand 14 durchfließen. Der Strom i₁₄ ist anfänglich relativ schwach, da der wesentliche Teil des Stroms i₁₂, der von der Diode 12 kommt, an dem Kondensator 13 anliegt.
Der Strom i₁₃ erhöht die Ladung des Kondensators 13, und das Potential V_P im Punkt steigt auf einen Wert über seinem Anfangswert E an.
Am Ende der Periode T ist der Transistor 10 erneut leitend, und, wenn der Schalter 5 noch immer geschlossen ist, wiederholt sich der soeben beschriebene Zyklus mehrere Male auf fast identische Weise, abgesehen davon, dass das Potential V_P im Punkt P von nun an ansteigt.
Bei jedem neu beginnenden Zyklus steigt das Potential V_P progressiv an, um nach der gerade beschriebenen Übergangsphase einen Stabilisierungswert anzustreben. Der Stabilisierungswert V_P ist erreicht, sobald der mittlere Wert der Stärke des Stroms i₁₄, der sich aus der Spannung an den Klemmen des Widerstands 14 und dem wert R dieses Widerstands 14 gemäß der Gleichung
bestimmt, gleich dem Mittelwert des Stroms i₁₂ durch die Diode 12 ist.
Nun ist die elementare Schaltanordnung CE(i) in einen im Wesentlichen stabilisierten Zustand übergegangen. Der Wert des Potentials V_P im Punkt P ist dann im Wesentlichen konstant.
Die 3a, 3b und 3c veranschaulichen die Funktionsweise der elementaren Schaltanordnung CE(i), sobald diese in einen im Wesentlichen stabilisierten Zustand übergegangen ist, in dem der Strom, der in der Induktivität fließt, nicht unterbrochen ist.
Die Kurve 3a veranschaulicht insbesondere den Verlauf des Stroms i₆ in der Induktivität in Abhängigkeit von der Zeit, und die Kurven 3b und 3c stellen den Anteil dieses Stroms i₆ an der Stärke des Stroms i₁₀, der in den Transistor 10 fließt, bzw. des Stroms i₁₂, der in die Diode 12 fließt, dar.
Wenn der Transistor 10 zu Beginn der Periode T über einen Zeitraum αT leitend ist, liegt das Potential der Batterie 3 an der Induktivität 6 an. Der Strom i₆, der sich in dem Schalter 5, der Induktivität 6, der galvanisch isolierten Verbindung 7 und dem Transistor 10 aufbaut, bestimmt sich in erster Annäherung, wenn der Betätigungszeitraum kleiner als die Zeitkonstante der Induktivität 6 ist, durch die Gleichung
oder auch durch die Gleichung
wobei t die Zeit und i_6m der minimale Wert des Stroms i₆ zu dem Zeitpunkt ist, in dem der Transistor 10 leitend wird.
Die Stärke des Stroms i₆ wächst im Laufe der Zeit t annähernd linear mit einer Steigung von
von einer minimalen Stärke i_6m auf eine maximale Stärke i_6M an.
Nach einer Dauer αT sperrt der Transistor 10, und zwar bis zum Ende der Periode T. Die Spannung an den Klemmen der Induktivität 6 ist gleich E-V_P, wobei das Potential V_P im Punkt P im Wesentlichen konstant und größer als E ist. Die Stärke i₆ des Stroms, der die Induktivität 6 durchfließt, bestimmt sich in erster Annäherung durch die Gleichung
und fällt vom maximalen Wert i_6M linear auf den minimalen Wert i_6m ab.
Dieser Strom i₆ durch die Induktivität 6 fließt einerseits in die geschlossene Schleife, welche die Induktivität 6, die Diode 12, den Kondensator 13, die Batterie 13 und den Schalter 5 enthält. Der andere Teil dieses Stroms i₆ fließt in den Widerstand 14 und durchläuft die geschlossene Schleife, welche die Induktivität 6, die Diode 12, den Widerstand 14 und den Schalter 5 enthält.
Der Teil des Stroms i₆, der in den Kondensator 13 fließt, wenn der Transistor 10 sperrt und die Induktivität 6 sich entlädt, hält die Ladung des Kondensators 13 und das Potential V_P an dem Punkt P aufrecht.
Der Kondensator 13 entlädt sich nämlich ferner während der Zeit αT, während die Diode 12 sperrt, um eine Menge, die, im stationären Zustand, im Schnitt gleich seiner Wiederaufladung durch die Diode 12, während des Zeitraums (1-a)T, sein muss.
Beim Entladen, speist der Kondensator einen Teil seiner Energie in die Schaltanordnung zurück, indem er zumindest den Schalter 5, die Induktivität 6, die galvanisch isolierte Verbindung 7 und den Transistor 10 speist und indem er eventuell auch die Batterie 3 speist.
Aus einem energetischen Gesichtspunkt heraus entlädt sich der Kondensator 13 zu Beginn der Periode T während des Zeitraums αT, und ein Teil seiner Energie wird an die Induktivität 6 abgegeben, die sich magnetisiert, was den Strom i₆ in dem Schalter 5, der Induktivität 6, der galvanisch isolierten Verbindung und dem Transistor 10 erzeugt Am Ende des Zeitraums T, während (1-α)T, entmagnetisiert sich die Induktivität, und ein Teil ihrer Energie wird an den Kondensator 13 abgegeben, der sich auflädt, was den Strom i₆ in dem Schalter 5, der Induktivität 6 und der galvanisch isolierten Verbindung 7 erzeugt.
Der Strom i₆ ist somit zum Teil die Folge einer Energieabgabe vom Kondensator 13 an die Induktivität 6, und dann von der Induktivität 6 an den Kondensator 13. Es sollte beachtet werden, dass die Polarität der Anschlüsse zwischen der Induktivität 6 und dem Kondensator 13 zwischen diesen beiden Energieabgabephasen umgekehrt wird. Die Batterie 13 hält den Energiepegel der Schaltanordnung aufrecht, indem die Verluste insbesondere in dem Widerstand 14 kompensiert werden. Die Batterie 3 hat auch die Aufgabe, während der oben beschriebenen Übergangsstartphase die anfängliche Energie für die Schaltanordnung bereitzustellen.
Die Regelungsvorrichtung 11 bestimmt das zyklische Verhältnis α derart, dass die Stärke des die Induktivität 6 durchfließenden Stroms i₆ geregelt wird. Wenn der Transistor 10 leitend ist, steigt der Strom i₆ an. Umgekehrt fällt dieser Strom i₆ ab, wenn der Transistor 10 sperrt. Das zyklische Verhältnis α bestimmt somit die Dauer der Phasen, in denen der Strom i₆ im Laufe eines Zeitraums T ansteigt oder abfällt. Durch Erhöhung einer dieser Dauern relativ zu einer anderen Dauer kann die Regelungsvorrichtung 11 bewirken, dass sich die Stärke des Stroms i₆ zwischen dem Beginn und dem Ende der Periode T verändert.
Im stabilisierten Zustand entwickelt sich der Strom i₆ in der Induktivität 6, wie in 3a veranschaulicht, ohne vollkommen stetig zu sein, nur innerhalb eines eingeschränkten Bereichs zwischen i_6m und i_6M. Sein mittlerer Wert ist derart angepasst, dass sich der Durchgang des für die Reinigung des Schalters 5 benötigten Mindeststroms ergibt.
Nun fließt aber der Strom, der die Induktivität 6 durchfließt, auch in die galvanisch isolierte Verbindung 7.
Wenn der Schalter 5 geschlossen ist, baut sich auf diese Weise ein Strom in der galvanisch isolierten Verbindung 7 auf, die als Reaktion an der Verbindung S(i) ein Ausgangssignal erzeugt.
Die Anordnung der galvanisch isolierten Verbindung 7 in Reihe geschaltet mit dem Schalter 5 ist vorteilhaft, da das Signal, das sie am Ausgang erzeugt, ein im Wesentlichen getreues Abbild des Stroms ist, der diesen Schalter 5 durchfließt.
Es ist zu beachten, dass, je höher die Kapazität C des Kondensators 13 ist, desto stabiler das Potential V_P ist.
Die Veränderung der Spannung an den Klemmen des Kondensators 13 aufgrund einer bestimmten Veränderung seiner Ladung ist zu seiner Kapazität C nämlich umgekehrt proportional.
Die Dauer der Übergangszustände für das Öffnen und das Schließen des Schalters 5, während deren der Kondensator 13 sich auflädt bzw. entlädt und die so kurz wie möglich gehalten werden sollen, entwickeln sich jedoch mit der Kapazität C des Kondensators 13 und in der gleichen Richtung wie diese. Ferner beruht die Bestimmung von C auf einem Kompromiss.
Der vom Kondensator 13 stammende Strom oder austretende Strom, der den Widerstand 14 durchfließt, ist derjenige Strom, der die Entladung des Kondensators 13 bewirkt. Nun ist im stabilisierten Zustand der aus dem Kondensator 13 austretende Strom aber gleich dem Strom i₆, der von der Induktivität 6 stammt und dort hineingeht. Dieser letzte ist durch die Regelungsvorrichtung 11 festgelegt.
Der aus dem Kondensator 13 stammende Strom, der den Widerstand 14 durchfließt, ist seinerseits auch durch die Regelungsvorrichtung 11 bestimmt. Die Potentialdifferenz V_P-E an den Klemmen des Widerstands 14 baut sich bis zu einem Wert auf, der proportional zu der Stärke dieses Stroms und umgekehrt proportional zu dem Wert R dieses Widerstands 14 ist. Ferner lässt sich mit dem Wert R des Widerstands 14 die Potentialdifferenz V_P-E bestimmen, wobei der Wert des Strom i₆ im Übrigen festgelegt ist.
Die Funktionsweise der Erfindung, die soeben dargelegt wurde, reduziert die durch den Joule-Effekt bewirkte Verlustenergie auf zweifache Weise.
Erstens hält die Batterie 3 den Energiepegel in der Schaltanordnung aufrecht, und nur die Leistung, die sie hierfür freisetzt, wird durch den Joule-Effekt verbraucht. Der Strom i₆ in dem Schalter 5 wird nicht nur durch einen Widerstand begrenzt, der wie bei dem genannten Stand der Technik durch den Joule-Effekt Energie notwendigerweise eine Verlustenergie bewirkt, sondern auch durch die abwechselnde Abgabe einer Energiemenge, die erst zu einem Ansteigen, dann zu einem Abfallen des Stroms i₆ führt und dessen Regelung ermöglicht.
Zweitens wird die in die Schaltanordnung abgegebene Stärke des Stroms i₆ durch ihren maximalen Wert i_6M geregelt, der unabhängig von der Spannung E ist, die von der Batterie 3 bereitgestellt wird. Im Gegensatz zu dem, was mit dem Stand der Technik erreicht wird, führt eine Veränderung der von der Batterie 3 bereitgestellten Spannung E nicht zu einer Veränderung des vom Widerstand 14 verbrauchten Stroms.
In 4 besteht die galvanisch isolierte Verbindung aus einer magnetischen Kopplung, die durch einen Transformator 7' mit Luftspalt besteht für den Fall, dass die Gleichstromkomponente des Stroms, der die Primärwicklung durchfließt, größer ist, wobei die Primärwicklung zumindest teilweise auch die der Induktivität 6 bildet. Die Sekundärwicklung ist ihrerseits mit der Verbindung S(i) verbunden.
Die Funktionsweise der elementaren Schaltanordnung CE(i) bleibt unverändert. Die Veränderung des Stroms i₆ in der Induktivität 6 zwischen i_6m und i_6M bei geschlossenem Schalter 5 erzeugt am Ausgang eine Spannung und/oder einen Strom an den Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators 7', die nach Gleichrichtung durch einen nicht dargestellten Gleichrichter das Ausgangssignal bilden.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsvariante wurde die galvanisch isolierte Verbindung 7 von einer in Reihe mit der Induktivität 6 geschalteten Position in eine in Reihe mit dem Transformator 10 geschaltete Position in Zweig 8 versetzt. Die Funktionsweise der elementaren Schaltanordnung CE(i) bleibt gleich, wobei das an der Verbindung S(i) aufgenommene Ausgangssignal wie der Strom i₁₀, der den Transistor 10 durchfließt, intermittierend ist. An der mit der Ausgangsverbindung S(i) verbundenen Ausgangsschaltanordnung können Mittel vorgesehen sein, um dieses Ausgangssignal zu glätten oder auszumitteln.
Bei der Ausführungsvariante der 6 wurde die Regelungsvorrichtung 11 durch eine Regelungsvorrichtung 11' ersetzt, die Mittel zum Messen der Spannung V_P an den Klemmen des Kondensators 13 aufweist.
Die Regelungsvorrichtung 11' bestimmt das zyklische Verhältnis α und betätigt den Transistor 10 derart, dass die Spannung V_P an den Klemmen des Kondensators 13 um einen Sollwert herum geregelt wird.
Wenn sich das zyklische Verhältnis α erhöht, steigt nämlich, wie bereits oben gesehen, die mittlere Stärke des Stroms i₆ in der Induktivität 6 sowie der Teil dieses Stroms i₆ an, der in den Kondensator 13 fließt und ihn auflädt. Dies führt dazu, dass das Potential V_P im Punkt P ansteigt.
Im stabilisierten Zustand muss der aus dem Kondensator 13 aus tretende Strom nämlich gleich dem mittleren Strom i₆ sein, der von der Induktivität 6 stammt und dort hineingeht. Nun baut sich aber dieser Strom, der aus dem Kondensator 13 hinausgeht und der ihn entlädt, auch in dem Widerstand 14 auf und bestimmt sich durch die Potentialdifferenz V_P-E an den Klemmen dieses Widerstands 14.
Umgekehrt ermöglicht eine Abnahme des zyklischen Verhältnisses α, dass der Wert des Potentials V_P im Punkt P sinkt, was sich über eine Abnahme der mittleren Stärke des Stroms i₆, der in der Induktivität 6 fließt, niederschlägt. Die Funktionsweise der elementaren Schaltanordnung CE(i) bleibt im Übrigen unverändert.
Bei einer vorteilhaften Betätigungsvariante wird eine Messung der Spannung V_P-E an den Klemmen des Widerstands 14 verwendet, um den Strom in dem Widerstand 14 über die Gleichung (V_P-E)/R und somit die Verlustleistung (V_P-E)²/R zu regeln, wobei jedoch in dem Schalter 5 ein in Abhängigkeit von der Spannung der Batterie 3 leicht abfallender Strom aufrechterhalten wird.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die soeben beschriebenen Ausführungsvarianten. Insbesondere kann die galvanisch isolierte Verbindung an einem beliebigen Zweig der elementaren Schaltanordnung CE(i) angeordnet sein, beispielsweise in Reihe mit der Diode 12, dem Kondensator 13 oder mit dem Widerstand 14.
Ebenso kann der Transistor 10 durch eine beliebige Art von betätigtem Schalter ersetzt werden.
Auch kann die Ausgangsinformation über die Regelungsvorrichtung 11 oder 11', die dann die Aufgabe der galvanisch isolierten Verbindung 7 oder 7' erfüllt, auf der Grundlage des Wertes des zyklischen Verhältnisses α generiert werden, das gleich 1 ist, wenn der Schalter 5 geöffnet ist, und sich von 1 entfernt, wenn er geschlossen ist.
Ferner kann eine Störung beispielsweise infolge einer ausgefallenen Komponente in einer elementaren Schaltanordnung CE(i) entsprechend der Erfindung auftreten, die nicht entdeckt wird oder zumindest nicht vor Ablauf eines mehr oder weniger langen Zeitraums entdeckt wird, wobei eine solche Möglichkeit der erhofften Zuverlässigkeit abträglich ist.
Da der Zustandsschalter den Durchgang des Stroms in der elementaren Schaltanordnung CE(i) bestimmt, kann zunächst in Betracht gezogen werden, ihn für die Durchführung eines Funktionstests zu verwenden, bei dem der tatsächliche Empfang des binären Signals überprüft wird. Allerdings ist dieser Zustandsschalter nicht immer zugänglich und/oder leicht betätigbar. Beispielsweise kann er an einer Stelle im Zug angeordnet sein, die von dem Ort abgelegen ist, an dem der Empfang getestet wird.
Ferner weist die elementare Schaltanordnung CE(i), die in 7 veranschaulicht ist, Mittel 15 auf, um ihre korrekte Funktionsweise unabhängig von der Position des Zustandsschalters zu testen.
Diese elementare Schaltanordnung CE(i) weist eine Basisstruktur auf, die mit der Basisstruktur der ersten Ausführungsvariante der Erfindung, die in 2 dargestellt ist und oben erläutert wurde, identisch ist und die selben Elemente aufweist. Allerdings sind der Zustandsschalter und die galvanisch isolierte Verbindung hier von einem Spannungswandler 5' bzw. einem Optokoppler 7'' gebildet, wobei diese besondere Wahl ausschließlich zur Veranschaulichung bestimmter Merkmale dient.
Die Mittel 15 zum Testen der korrekten Funktionsweise der elementaren Schaltanordnung CE(i) weisen eine Schutzdiode 16 auf, die zwischen dem Spannungswandler 5' und der Induktivität 6 angeordnet ist und derart polarisiert ist, dass sie den Durchgang eines gemäß der für die Ausrichtung der Schleife B oben getroffenen Festlegung positiven Stroms ermöglicht. Mit der Reihenschaltung, welche die Schutzdiode 16, den Spannungswandler 5' und die Versorgungsbatterie 3 aufweist, parallel geschaltet weist eine weitere Reihenschaltung eine weitere Schutzdiode 17, einen be tätigten Testschalter, der von einem Transistor 18 gebildet ist, und eine Testbatterie 19 auf, die alle drei zu den Mitteln 15 gehören. Die Schutzdiode 17 und die Testbatterie 19 sind derart polarisiert, dass diese letzte imstande ist, die elementare Schaltanordnung CE(i) zu speisen, mit Ausnahme des Spannungswandlers 5', indem ein Strom, dessen Richtung identisch mit dem von der Versorgungsbatterie 3 bereitgestellten Strom ist, an dessen Stelle erzeugt wird.
Relativ zu diesem von der positiven Klemme der Testbatterie 19 abgegebenen Strom ist die Schutzdiode 17 dem Transistor 18 vorteilhafterweise nachgeschaltet, der seinerseits der Testbatterie 19 nachgeschaltet ist.
Die Mittel 15 zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung CE(i) weisen ferner eine automatische Testeinheit 20 auf, die mit dem Transistor 18 und vorteilhafterweise mit der Regelungsvorrichtung 11 verbunden ist und dank eines Anschlusses an die Verbindung S(i) die vom Optokoppler 7'' gesendete Zustandsinformation empfängt.
Vorteilhafterweise befindet sich die Schutzdiode 16 beiderseits einer Einheit, die in Reihe den Spannungswandler 5' und die Versorgungsbatterie 3 enthält. Ferner sind Lasten C(1) ... C(j) ... C(m), die zwar optional sind, jedoch dargestellt sind, um einige Besonderheiten bei der Funktionsweise zu veranschaulichen, die beispielsweise von Relais, Betätigungselementen, Schließdrosseln von Leistungsschaltern und/oder Kontrollleuchten gebildet sind und deren Zustand wie beim Optokoppler 7'' dafür vorgesehen ist, mit der geöffneten oder geschlossenen Stellung des Spannungswandlers 5' verknüpft zu sein, jeweils parallel mit der Reihenschaltung angeordnet, die den Spannungswandler 5' und die Versorgungsbatterie 3 aufweist, mit Ausnahme der Schutzdiode 16.
Abgesehen vom Test bleibt die Funktionsweise dieser elektrischen Schaltanordnung CE(i) identisch mit der oben beschriebenen, wobei der Strom durch den Spannungswandler 5' und die Induktivität 6 hier auch die Schutzdiode 16 durchfließt.
Die automatische Testeinheit 20 ist dafür vorgesehen, einen automatisierten Test durchzuführen, bei dem überprüft wird, ob die elektrische Schaltanordnung CE(i) korrekt funktioniert, wobei dieser Test beispielsweise bei jedem Neustart des Zuges ausgelöst wird.
Es ist zu beachten, dass der Spannungswandler 5', dessen Betätigung aufgrund einer hohen Anzahl an derartigen Schaltern beschwerlich sein kann, sich gleichwohl in einer geöffneten wie auch geschlossenen Stellung befinden kann.
Bei einem ersten Testschritt betätigt die automatische Testeinheit 20 den Transistor 18 zum Schließen, womit bewirkt wird, dass der Teil der elektrischen Schaltanordnung CE(i), der sich hinter der Schutzdiode 16 befindet, unter Spannung gesetzt wird. Diese Einheit 20 überprüft somit die Ausgabe einer Information in der Verbindung S(i), die repräsentativ für den Durchgang eines Stroms in dem Optokoppler 7'' ist, was erfolgen muss, sofern dieser Teil der Schaltanordnung CE(i), der sich hinter der Schutzdiode 16 befindet, einwandfrei funktioniert.
Da die galvanisch isolierte Verbindung hier von einem Optokoppler 7'' gebildet ist, sollte auch überprüft werden, ob der Phototransistor dieses Optokopplers, der leitend ist, sobald er aufgrund des Durchgangs eines Stroms in der zugehörigen Photoemissionsdiode eine Leuchtmeldung empfängt, bei nichtvorhandenem Strom in seinen gesperrten Zustand zurückkehrt, was einem geöffneten Schalter entspricht. Wie bereits oben erwähnt, kann sich der Spannungswandler 5' nun aber in einem beliebigen Zustand befinden. In einem zweiten Testschritt hält die automatische Testeinheit 20 den Transistor 10 ferner mit Hilfe der Regelungsvorrichtung 11 im gesperrten Zustand. In einer Übergangsperiode, die auf das 5-Fache der Zeitkonstante dieser Induktivität (5 × L/r) veranschlagt werden kann, wird der Strom, der den Optokoppler 7'' durchfließt, aufgrund der in der Induktivität 6 gespeicherten Energie progressiv unterdrückt. Da die Spannung an den Klemmen der Testbatterie 19 hier so gewählt wurde, dass sie kleiner oder gleich der Spannung an den Klemmen der Batterie 3 ist, wird der Strom, der aufgrund der Potentialdifferenz an ihren Klemmen durch den Widerstand 14 der einen in Richtung der anderen dieser beiden Batterien fließen könnte, über die Schutzdiode 17 gesperrt. Nachdem sie abgewartet hat, bis die Übergangsperiode verstrichen ist, überprüft die automatische Testeinheit 20, ob das Signal, das sie von der Verbindung S(i) empfängt, tatsächlich einem gesperrten Zustand des Phototransistors des Optokopplers 7'' entspricht.
Bei diesem in seiner Gesamtheit betrachteten Text wird nur die Schutzdiode 16 nicht getestet und sollte daher vorteilhafterweise überdimensioniert sein.
Sobald die Spannung an den Klemmen der Versorgungsbatterie 3 größer ist als die Spannung an den Klemmen der Testbatterie 19, verhindert die Schutzdiode 17, dass sich ein Strom zwischen diesen beiden Batterien aufbaut, wenn der Spannungswandler 5' in dem Augenblick, in dem die automatische Testeinheit 20 den Transistor 18 in leitendem Zustand hält, geschlossen ist.
Diese Schutzdiode 17, die relativ zu einem Strom, der von der positiven Klemme der Testbatterie 19 abgegeben wird, dem Transistor 18 vorteilhafterweise nachgeschaltet ist, schützt ferner den Transistor 18 vor den zerstörerischen Folgen einer zu hohen negativen Spannung an seinen Klemmen.
Die Schutzdiode 16 isoliert ihrerseits die Batterien 3 und 19 und verhindert einen Strom von der einen zur anderen, wenn die Testspannung höher als die Versorgungsspannung ist – eine Situation, die eintreten kann, wenn der genannte zweite Testschritt nicht vorgesehen ist, beispielsweise, weil die galvanisch isolierte Verbindung kein Optokoppler ist.
Diese Schutzdiode 16 verhindert auch, dass sich ein von der Testbatterie 19 abgegebener Kurzschlussstrom aufbaut, wenn der Spannungswandler 5' in geöffneter Stellung ist, d.h. wenn er die elementare Schaltanordnung CE(i) von der Versorgungsbatterie 3 trennt und eine Nullspannung an den Klemmen der elementaren Schaltanordnung CE(i) bewirkt, während parallel dazu der Transistor 18 leitend ist. Natürlich kommt diese Situation, die man zu vermeiden sucht, nicht vor, wenn ein einfacher Schalter an Stelle dieses Spannungswandlers 5' angeordnet ist.
Die Schutzdiode 16 verhindert ferner, dass die Lasten C(1) ... C(1) ... C(j) ... C(m), deren Zustand – wie hier zur Erinnerung erwähnt werden sollte – dazu dient, mit dem Zustand des Spannungswandlers 5' verknüpft zu werden, nicht von der Versorgungsbatterie 19 gespeist werden, wenn der Transistor 18 leitend ist.
Alternativ kann die Versorgungsbatterie 3 auch derart angeschlossen sein, dass sie die Testbatterie 19 ersetzt und dennoch ihre Anordnung innerhalb der elektrischen Schaltanordnung CE(i) beibehalten wird. Bei einer derartigen Anordnung erfüllt die Versorgungsbatterie über die Zeit zwei verschiedene Aufgaben, wodurch sich eine spezielle Testbatterie erübrigt. Der Transistor 18 ist dann direkt mit dem Spannungswandler 5' parallel geschaltet. Die Schutzdiode 17 wird überflüssig. Die Schutzdiode 16 ihrerseits ist nur dann erforderlich, wenn Lasten C(1) ..... C(j) ... C(m) vorhanden sind oder anstelle eines einfachen Schalters ein Spannungswandlers 5' verwendet wird.
Es versteht sich von selbst, dass der Spannungswandler 5', der nur gewählt wurde, um die besondere Aufgabe zu veranschaulichen, die von der Schutzdiode 16 erfüllt wird, wenn dieser verwendet wird, durch jede beliebige Art von Schalter ersetzt werden kann.
Der Optokoppler 7'', der aus ähnlichen Gründen gewählt wurde, kann seinerseits auch durch eine beliebige Komponente ersetzt werden, die dafür vorgesehen ist, eine galvanisch isolierte Verbindung herzustellen. Einige von ihnen, wie beispielsweise der oben erwähnte Transformator, benötigen keinen zweiten Testschritt, da sie alleine, d.h. ohne jeglichen Strom, der sie durchfließt, an der Verbindung S(i) ein Ausgangssignal erzeugen können, das einem derartigen Strom entspricht. In diesem Fall wird die Verbindung zwischen der automatischen Testeinheit 20 und der Regelungsvorrichtung 11 hinfällig.
Der Transistor 18 kann seinerseits durch jede beliebige Komponente ersetzt werden, welche die Funktion eines betätigten Schalters erfüllt.
Die Mittel 15 zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung CE(i) sind dazu bestimmt, sich an jede beliebige Ausführungsvariante der Erfindung anzupassen, beispielsweise an all jene Varianten, die zuvor beschrieben wurden, obgleich diese Mittel 15 in einer besonderen Kombination mit nur einer von ihnen vorgestellt wurden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf eine Anwendung im Schienenverkehr, sondern betrifft die Übertragung einer binären Information in jedem beliebigen Bereich.
Bei den Vorteilen der Erfindung ist zu beachten, dass sich dank der Reduzierung der durch den Joule-Effekt in einer Schaltanordnung entsprechend der Erfindung bewirkte Gesamtverlustleistung bei identischer Temperatur und Luftabkühlungsgeschwindigkeit die Größe der Widerstände verringern lässt, welche die Komponenten mit dem größten Platzbedarf darstellen.
Dank dieser Verringerung der Größe lässt sich der Platzbedarf einer Lesespur verringern und somit trotz einer größeren Anzahl an Komponenten mehr Platz für eine größere Anzahl an Leseschaltungen auf der Oberfläche einer identischen elektronischen Karte schaffen.
Die Mittel 15 zum automatischen Testen der Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung CE(i) weisen insbesondere den Vorteil auf, dass sie die Form einer einfachen Schaltanordnung haben, die mit weniger Komponenten auskommt und somit kostengünstiger ist.
Außerdem lässt sich mit diesen Mitteln 15 ein Test durchführen, dessen Deckungsrate fast 100 % beträgt, wobei einzig die Schutzdiode 16 nicht geprüft wird.
Dank der Überdimensionierung dieser Schutzdiode 16 lässt sich das Risiko, dass diese eine Störung verursacht, erheblich eingrenzen.

Claims

Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) zur Übertragung des Zustands eines Parameters oder eines Geräts, welche dazu bestimmt ist, an den Klemmen einer Versorgungsbatterie (3) angeschlossen zu werden und welche enthält: – eine galvanisch isolierte Verbindung (7; 7') zwischen der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) und einem Ausgang (S(i)) für die Ausgabe einer Zustandsinformation und – einen Zustandsschalter (5; 5'), dessen geöffnete oder geschlossene Position repräsentativ für die Zustandsinformation ist und der im Nicht-Test-Zustand den Durchgang eines Stroms in der Schaltanordnung (CE(i)) bestimmt, wobei die elektrische Schaltanordnung (CE(i)) die Meldung der Information über den Zustand des Zustandsschalters (5; 5') mittels der galvanisch isolierten Verbindung (7; 7') in Richtung des Ausgangs (S(i)) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Regelung der Stromstärke in dem Zustandsschalter (5; 5') umfasst, wobei sie Mittel zur Umschaltung (10, 12) der Verbindungen zwischen den Elementen aufweist, von denen die elektrische Schaltanordnung (CE(i)) gebildet ist und in Reihe mit dem Zustandsschalter (5; 5') geschaltete induktive Speicherungsmittel (6) und kapazitive Speicherungsmittel (13) umfasst, die im stationären Zustand jeweils abwechselnd Speicherungsmittel und Mittel zur Rückgabe eines Teils der Energie der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) bilden entsprechend dem wechselseitigen Zustand der Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen der e-lektrischen Schaltanordnung (CE(i)), der von den Umschaltmitteln bestimmt wird.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch isolierte Verbindung (7, 7') mit dem Zustandsschalter (5; 5') in Reihe geschaltet ist.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung der Stromstärke in dem Zustandsschalter (5; 5') ferner Mittel (11; 11') aufweisen zur Überwachung einer Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) und zur wechselseitigen Betätigung der Mittel (10, 12) zur Umschaltung der Verbindungen zwischen den Elementen, von denen die elektrische Schaltanordnung (CE(i)) gebildet ist, in Abhängigkeit vom Zustand der elektrischen Schaltanordnung.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (10, 12) zur Umschaltung der Verbindungen zwischen den Elementen, von denen die elektrische Schaltanordnung (CE(i)) gebildet ist, abwechselnd mindestens umschalten: – die induktiven Speicherungsmittel (6), den Zustandsschalter (5; 5'), die Batterie (3) und die kapazitiven Speicherungsmittel (13) in Reihe geschaltet in einem geschlossenen Wirkungsweg während einer ersten Phase, im stationären Zustand, zur Rückgabe einer Menge Energie, die von den kapazitiven Speicherungsmitteln (13) gespeichert ist, durch die induktiven Speicherungsmittel (6), und – die induktiven Speicherungsmittel (6), den Zustandsschalter (5; 5') und die kapazitiven Speicherungsmittel (13) in Reihe geschaltet in einem geschlossenen Wirkungsweg während einer zweiten Phase, im stationären Zustand, zur Rückgabe einer Menge Energie, die von den induktiven Speicherungsmitteln (6) gespeichert ist, durch die kapazitiven Speicherungsmittel (13), wobei die Polarität der Anschlüsse zwischen den induktiven Speicherungsmitteln (6) und den kapazitiven Speicherungsmitteln (13) zwischen der ersten und der zweiten Phase umgekehrt wird.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Speicherungsmittel und die kapazitiven Speicherungsmittel eine in Reihe mit dem Zustandsschalter (5; 5') geschaltete Induktivität (6) bzw. eine Kapazität (13) aufweisen, dass die elektrische Schaltanordnung (CE(i)) in Reihe geschaltet mit dem Zustandsschalter (5; 5') und der Induktivität (6) einen ersten und einen zweiten parallel geschalteten Zweig (8, 9) aufweist und einen Widerstand (14) aufweist, der zu dem Zustandsschalter (5; 5') und der Induktivität (6) parallel geschaltet und an einen Punkt (P) des zweiten Zweigs (9) angeschlossen ist, wobei die Kapazität (13) in den zweiten Zweig (9) geschaltet ist, und dass die Mittel zum Umschalten der Verbindungen Mittel (10, 12) umfassen, um den Strom, der im Zustandschalter (5; 5') und der Induktivität (6) fließt, in den ersten und den zweiten Zweig (8, 9) zu leiten.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch isolierte Verbindung (7; 7') in den ersten Zweig (8) geschaltet ist.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch isolierte Verbindung (7; 7') in den zweiten Zweig (9) mit dem Kondensator (13) in Reihe geschaltet ist.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch isolierte Verbindung (7; 7') mit dem Widerstand (14) in Reihe geschaltet ist.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode (T), während welcher der Strom in dem Zustandschalter (5, 5') fließt und die Induktivität 6) nacheinander in dem ersten (8) und dann in dem zweiten Zweig (9) fließt, und das zyklische Verhältnis (α), gleich der Zeit, in der der Strom in dem ersten Zweig (8) fließt, geteilt durch die Periode (T), fest bzw. variabel sind und durch die Mittel (11; 11') zur Überwachung der Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) und zur periodischen Betätigung der Umschaltmittel (10, 12) bestimmt sind.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (10), um den Strom, der in dem Zustandsschalter (5; 5') und der Induktivität (6) fließt, abwechselnd in den ersten und in den zweiten Zweig (8, 9) zu leiten, einen betätigten Schalter (10), der in den ersten Zweig (8) geschaltet ist, und eine Diode (12), die in den zweiten Zweig (9) geschaltet ist zwischen einerseits einer der beiden Verbindungsstellen des ersten und des zweiten Zweigs (8, 9) und andererseits dem Punkt (P) für den Anschluss des Widerstands (14) an den zweiten Zweig (9), wobei sich die Kapazität (13) zwischen einerseits der anderen der beiden Verbindungsstellen des ersten und des zweiten Zweigs (8, 9) und andererseits dem Punkt (9) für den Anschluss des Widerstands (14) an den zweiten Zweig (9) befindet.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch isolierte Verbindung (7; 7') mit der Diode 12) in Reihe geschaltet ist.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch isolierte Verbindung (7) von einem Optokoppler gebildet ist.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch isolierte Verbindung von einem Transformator (7') gebildet ist.
Elektrische Schaltvorrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch isolierte Verbindung (7; 7') von einem Transformator (7') gebildet ist, der mit dem Zustandsschalter (5; 5') in Reihe geschaltet ist und dessen Primärwicklung auch zumindest einen Teil der induktiven Speicherungsmittel bildet.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (11; 11') zur Überwachung einer Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) und zur periodischen Betätigung der Umschaltmittel (10, 12) auch die galvanisch isolierte Verbindung (7; 7') bilden und zu diesem Zweck einerseits mit dem Ausgang S(i) für die Ausgabe der Information versehen sind und andererseits dafür vorgesehen sind, diese Information ausgehend von der Verarbeitung der Kenngröße, insbesondere ausgehend von dem zyklischen Verhältnis (α) auszugeben.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Spitzenwert des Stroms, der in dem Zustandsschalter (5; 5') fließt, im Laufe einer Periode (T) die Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) bildet.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential (Vp) an dem Punkt (P) für den Anschluss des Widerstands (14) an dem zweiten Zweig (9) die Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) bildet.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (E-Vp) an den Klemmen des Widerstands (14) die Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) bildet.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Mittel (15) aufweist, um ihre korrekte Funktionsweise unabhängig von der Position des Zustandsschalters (5; 5') zu testen.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (15) zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) umfassen: – einen betätigten Testschalter (18) und eine Testbatterie (19), die in eine erste Reihenschaltung geschaltet sind, die ihrerseits parallel zu einer zweiten Reihenschaltung geschaltet ist, umfassend den Zustandschalter (5; 5') und einen Steckplatz, der für den Anschluss der Versorgungsbatterie (3) vorgesehen ist, und – eine automatische Testeinheit (20), die an die Klemme zur Betätigung des betätigten Testschalters (18) und an den Ausgang (S(i)) für die Ausgabe einer Zustandsinformation angeschlossen ist.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (15) zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) umfassen: – einen betätigten Testschalter (18), der parallel zu einem Zustandsschalter (5; 5') geschaltet ist, wobei die Gesamtheit in Reihe mit einem Steckplatz für den Anschluss der Versorgungsbatterie (3) geschaltet ist, die dafür vorgesehen ist, auch den Betrieb der Testbatterie sicherzustellen, und – eine automatische Testeinheit (20), die an die Klemme zur Betätigung des betätigten Testschalters (18) und an den Ausgang (S(i)) für die Ausgabe einer Zustandsinformation angeschlossen ist.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Testeinheit (20), die auch an die Mittel (11; 11') zur Überwachung einer Kenngröße für den Zustand der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) und zur wechselseitigen Betätigung der Mittel zum Umschalten (10, 12) der Verbindungen angeschlossen ist, dafür vorgesehen ist, die Umschaltmittel (10, 12) in zumindest einer Position zur Unterdrückung des Stroms in der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) zu halten.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (15) zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) zumindest eine Schutzdiode (16) aufweisen, die mit dem Zustandsschalter (5; 5') in Reihe geschaltet ist, um einen von dem betätigten Testschalter (18) kommenden Strom zu sperren.
Elektrische Schaltanordnung (CE(i)) entsprechend einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (15) zum Testen der korrekten Funktionsweise der elektrischen Schaltanordnung (CE(i)) eine weitere Schutzdiode (17) aufweisen, die mit dem betätigten Testschalter (18) in Reihe geschaltet ist, um einen von dem Zustandsschalter (5; 5') kommenden Strom zu sperren.
Elektrisches System (1) für die Meldung einer Vielzahl von Zustandsinformationen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Versorgungsbatterie (3) und eine Vielzahl elektrischer Schaltungsanordnungen (CE(i)) aufweist, entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 24, die jeweils dazu vorgesehen sind, eine Zustandsinformation zu melden, und die zu den Klemmen der Batterie (3) parallel geschaltet sind.
Elektrisches System (1) entsprechend Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass es sich an Bord eines Eisenbahnzugs befindet, wobei jeder Zustandschalter (5; 5') mit einem Organ oder einem Gerät des Eisenbahnzugs verbunden ist, um dessen Zustand oder Position zu überwachen.