DE60130164T2

DE60130164T2 - Festkörper-Schutzschaltung für elektrisches Gerät

Info

Publication number: DE60130164T2
Application number: DE60130164T
Authority: DE
Inventors: Jerome K. Sussex Hastings; Karen Sjaarda Milwaukee Bland; James E. Oak Creek Hansen; Scott A. Brookfield Reid; David J. Wauwatosa Gritter; Edward L. Colgate Wellner; Engelbert Milwaukee Hetzmannseder; William E. Wauwatosa Berkopec; Birger Milwaukee Pahl; Thomas E. Milwaukee Strunsee
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2021-04-21
Also published as: US6356423B1; DE60130164D1; EP1150410B1; ATE371887T1; CN1320991A; CN1307767C; CA2343872C; EP1150410A3; EP1150410A2; CA2343872A1; ES2291239T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mechanismen, die Ausrüstungsgegenstände vor einer Beschädigung durch elektrische Störungen und Kurzschlüsse schützen, und insbesondere auf solche Vorrichtungen, welche das Betriebsverhalten der elektrischen Ausrüstung elektronisch überwachen und Schutzmaßnahmen im Falle einer Störung, eines Kurzschlusses oder einer Überlastung durchführen.
Es ist wichtig, dass elektrische Vorrichtungen vor Beschädigungen geschützt werden, wenn elektrische Störungen auftreten. Beispielsweise werden konventionelle Sicherungen und elektromechanische Schaltungsunterbrecher allgemein dazu verwendet, Ausrüstungsgegenstände von einer elektrischen Quelle zu trennen, nachdem bei dem Auftreten eines Kurzschlusses ein übermäßiger Strom erfasst wird. Nichtsdestotrotz erweisen sich diese konventionellen Schutzvorrichtungen bei der Unterbrechung des Stromflusses zu der zu schützenden Vorrichtung als relativ langsam. Infolgedessen kann ausreichend überschüssiger elektrischer Strom in die Ausrüstung fließen und bei einer Störung Beschädigungen verursachen.
Darüber hinaus benötigen verschiedene elektrische Vorrichtungen ein unterschiedliches Ansprechverhalten für die Schutzvorrichtung. Zum Beispiel können elektronische Ausrüstungen einen im Wesentlichen konstanten Strompegel von ihrem anfänglichen Start bis hin zum normalen Abschalten abziehen und äußerst empfindlich auf auch nur sehr kurz dauernde übermäßige Strompegel reagieren. Die Schutzvorrichtung für derartige Ausrüstungen muss sehr schnell selbst auf relativ kleine Überstromzustände ansprechen. Andere Typen elektrischer Ausrüstungen verwenden während bestimmter Zeiträume wie z.B. in der Startphase hohe Momentanstrompegel, verglichen mit den Strompegeln, die während ihres restlichen Betriebs benützt werden. Daher kann eine Schaltungsschutzvorrichtung, die auf einen Hochstromzustand zu rasch anspricht, zu der Ausrüstung fließenden Strom unabsichtlich während normal auftretender Betriebsbedingungen abschalten. Infolgedessen muss die Schutzvorrichtung für diesen Ausrüstungstyp auf eine Weise ansprechen, die kurze hohe Stromstöße toleriert. Die Art und Weise, auf die eine Schutzvorrichtung auf Überströme anspricht, wird als das Auslöseansprechverhalten bzw. als Auslösekurve bezeichnet, und sie muss an den jeweiligen Typ von zu schützender elektrischer Vorrichtung angepasst werden.
Dies bedeutet üblicherweise, dass ein Hersteller von Schutzvorrichtungen eine große Vielzahl von Schutzvorrichtungen, die ein unterschiedliches Auslöseansprechverhalten hinsichtlich des Strompegels und der Dauer aufweisen, entwerfen, herstellen und auf Lager halten muss. Somit ist die Bereitstellung einer grundlegenden Konfiguration einer Schutzvorrichtung erwünscht, die auf einfache Weise individuell mit einem unterschiedlichen Auslöseansprechverhalten ausgestattet werden kann.
In US-A-5 216 352 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz einer elektrischen Last vor übermäßigem Strom gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 13 offenbart. In dieser Vorrichtung erzeugen die Steuerschaltungen in Ansprechen auf Signale von dem Stromsensor periodisch ein Unterbrechungssignal, um den Stromweg zwischen der Quelle und der Last für vorgeschriebene Zeitintervalle derart zu unterbrechen, dass der von der Last aufgenommene Strom auf Werte zwischen vorgeschriebenen maximalen und minimalen Strompegeln gesteuert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung zum Schutz einer elektrischen Last vor übermäßigem Strom gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Schutz einer elektrischen Last vor einer übermäßigen Stromstärke gemäß Anspruch 13.
Die Vorrichtung zum Schutz einer elektrischen Last vor übermäßigem Strom verwendet einen Halbleiterschalter, um die elektrische Last mit einer Stromquelle zu verbinden. Ein Stromsensor ist in Reihe mit dem Halbleiterschalter verkoppelt und generiert ein Sensorsignal, das die Stärke des zu der elektrischen Last fließenden Stroms angibt.
Eine Steuerschaltung ist mit dem Stromsensor und dem Halbleiterschalter verbunden. Die Steuerschaltung spricht auf das Sensorsignal an, indem ein Steuersignal generiert wird, welches an einen Kontrolleingang des Halbleiterschalters angelegt wird. In einem ersten Betriebsmodus, bei dem die Stromstärke kleiner als ein erster Schwellwert ist, hält die Steuerschaltung den Halbleiterschalter in einem kontinuierlich leitenden Zustand. Wenn die Stromstärke höher als der erste Schwellwert und kleiner als ein zweiter Schwellwert ist, schaltet die Steuerschaltung in einem zweiten Betriebsmodus den Halbleiterschalter nach einem festgelegten Zeitraum nicht-leitend. In einem dritten Betriebsmodus, bei dem die Stromstärke höher als der zweite Schwellwert ist, wird der Halbleiterschalter durch die Steuerschaltung alternierend leitend und nicht-leitend gepulst, um einen mittleren Strom durch die Last zu leiten, der innerhalb eines akzeptablen Pegels liegt, bei welchem keine Beschädigungen auftreten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm einer Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 illustriert die Einzelheiten einer verzögerungsfreien Auslöseschaltung in der Schutzvorrichtung; und
3 ist ein Graph eines beispielhaften Auslöseansprechverhaltens der Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 steuert eine Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung 10 die Anwendung eines Gleichstroms zu einer elektrischen Last 14, die als eine parallel zu einem Widerstand geschaltete Kapazität dargestellt ist. Die Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung 10 weist einen Positivspannungsanschluss 12 auf, der mit der elektrischen Quelle zum Betreiben einer Last 14 verbunden ist. Strom fließt von dem Positivspannungsanschluss zu der Last, und zwar durch eine Reservesicherung 16, einen Halbleiterschalter 18 sowie einen Induktor 20 zu einem Lastanschluss 22. Die Last ist zwischen dem Lastanschluss 22 und der der als Masse dargestellten negativen Seite der Spannungszufuhr verbunden.
Die Reservesicherung 16 ist eine konventionelle Vorrichtung mit einem Leiter, der sich erhitzt und schließlich bricht, wenn übermäßiger Strom für einen vorgegebenen Zeitraum durchfließt. Standardvorrichtungen wie z.B. glasrohrummantelte Sicherungen oder eine geeignete Bahn auf einer gedruckten Schaltkarte können für die Reservesicherung 16 verwendet werden. Die Reservesicherung 16 sorgt für einen redundanten Schutz in dem Fall, wenn der Halbleiterschalter 18 in dem leitenden Zustand ausfällt oder wenn die elektronischen Schaltkreise ausfallen, die den Halbleiterschalter steuern. Wie sich versteht fällt der Zeitraum für das Auslöseansprechverhalten der Reservesicherung beträchtlich länger als das Auslöseansprechverhalten der elektronischen Schutzschaltung aus.
Der Halbleiterschalter 18 muss den Arbeitsstrom unterbrechen und Übergangsströme, Überströme und Einschaltstromstöße bei einem spezifizierten Arbeitsspannungsbereich verarbeiten können, der von der jeweiligen zu steuernden Last 14 vorgegeben wird. Ein N-Kanal-Feldeffekttransistor (FET) wie z.B. das Modell IRF1404 von International Rectifier of El Segundo, CA 90245 USA, kann als der Halbleiterschalter 18 verwendet werden. Der Kanalwiderstand in dem leitenden Zustand muss relativ niedrig sein, um den Spannungsabfall über dem FET und die Wärmeabstrahlung zu minimieren. Obgleich die bevorzugte Ausführungsform den Halbleiterschalter 18 zwischen dem Positivspannungsanschluss 12 und der Last 14 verwendet, könnte der Schalter wahlweise an der Masseseite der Last angeordnet werden. Allerdings weist dieser alternative Ansatz den Nachteil auf, dass eine Störung zwischen Last und Masse nicht geschützt wäre.
Ein Spannungssensor 28 generiert ein analoges Signal, das den Spannungspegel an dem Lastanschluss angibt. Dieses analoge Signal wird einem analogen Eingang eines Mikrokontrollers 26 zugeführt. Wie nachfolgend beschrieben werden wird, spricht der Mikrokontroller 26 auf eine Anzeige von dem Sensor 28, dass die Spannung über der Last 14 zu gering ist, dadurch an, dass er den Halbleiterschalter 18 abschaltet.
Ein Stromsensor 24 ist bereitgestellt, um den Pegel an zwischen dem Positivspannungsanschluss 12 und der Last 14 fließendem Strom zu erfassen. Dieser Sensor muss einen Dynamikbereich aufweisen, der ausreichend groß ist, um die Stromspitzen für das erwünschte Auslöseansprechverhalten der Schutzvorrichtung abzudecken, und er muss ein ausreichend schnelles Einschwingverhalten haben, um das erwünschte Auslöseansprechverhalten zu implementieren. Der Stromsensor 24 kann ein Hall-Effekt-Sensor sein, der eine Ausgangspannung generiert, welche die Gleichstromstärke anzeigt, wobei diese Ausgangspannung durch eine Leitung 31 direkt zu einem analogen Eingang eines Mikrokontrollers 26 geführt werden kann. Andere Typen von konventionellen Stromsensoren wie z.B. ein Parallelwiderstand können zur Bereitstellung einer Anzeige der Stromstärke in den Mikrokontroller 26 benutzt werden.
Der Mikrokontroller 26 ist mikroprozessorbasiert und umfasst einen internen Analog-zu-Digital-Wandler mit einem Multiplexeingang für Signale von den Strom- und Spannungssensoren. Digitale Eingangs/Ausgangsschaltungen des Mikrokontrollers verarbeiten Signale für andere Komponenten der Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung 10. Beispielsweise weist eine Anwenderbedienungskonsole 25 einen Tastenblock 27 und Lichtemitter 29 wie z.B. LEDs auf. Der Tastenblock 27 weist getrennte Wischkontaktschalter auf, die Eingangssignale zu dem Mikrokontroller 26 leiten, um die Festkörper-Schal tungsschutzvorrichtung 10 manuell an- und auszuschalten sowie um einen Auslösezustand zurückzustellen. Die Lichtemitter 29 werden von Signalen von dem Mikrokontroller gespeist, um die Betriebszustände der Schaltungsschutzvorrichtung anzuzeigen. Einer dieser Lichtemitter 29 zeigt an, wenn die Schaltungsschutzvorrichtung 10 ausgelöst wird. Ebenfalls verfügt der Mikrokontroller 26 über einen internen nicht flüchtigen Speicher, der ein Softwareprogramm abspeichert, welches die Schutzfunktion und Daten wie z.B. das Auslöseansprechverhalten abspeichert, die von dem Softwareprogramm verwendet werden. Wahlweise können der Mikrokontroller 26 und die Bedienungskonsole 25 zusätzliche Pole einer Schaltungsschutzvorrichtung steuern, wie dies durch einen in gestrichelten Linien dargestellten zweiten Pol 11 angegeben ist.
Der Mikrokontroller 26 betätigt den Halbleiterschalter 18 durch eine Auslöseschaltung 36, die eine Steuerspannung erzeugt, die zur Steuerung des FETs 19 in der bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterschalters 18 adäquat ausfällt. Da die Steuerspannung des Gatters eines N-Kanal-FETs 19 ungefähr 10 Volt höher als die Spannung an der Source-Elektrode des FETs sein muss, umfasst die Auslöseschaltung 36 eine Ladepumpe oder eine endliche Schaltung, um eine Spannung zu erzeugen, die höher als die an dem Positiveingangsanschluss 12 anliegende Spannung ist.
2 illustriert die Einzelheiten der Auslöseschaltung 36, wobei das Ausgangssignal I_SENSE an der Leitung 31 von dem Stromsensor 24 an einen ersten Spannungskomparator 40 angelegt wird. Der erfasste Strompegel I_SENSE wird mit einem zweiten Schwellwert I_TH2 verglichen, welcher an einer analogen Ausgangsleitung 37 des Mikrokontrollers 26 generiert wird. Ein fester Wert für den zweiten Schwellwert I_TH2 wird in den Mikrokontroller 26 in Abhängigkeit von der Überstromtoleranz der jeweiligen Last 14 programmiert. Das Ergebnis dieses Vergleichs an dem Ausgang des ersten Komparators 40 wird zu dem RESET-Eingang eines Flip-Flops 42 geführt. Der RESET-Eingang ist durch einen Pull-up-Widerstand 44 auch mit einer positiven Speisespannung V⁺ verbunden.
Der SET-Eingang des Flip-Flops 42 wird mit dem Ausgang eines NAND-Gatters 46 mit zwei Eingängen verbunden, wobei beide Eingänge miteinander verbunden sind, um als ein Inverter zu fungieren. Die Eingänge des ersten NAND-Gatters 46 werden mit einer digitalen Ausgangsleitung 33 von dem Mikrokontroller 26 verbunden, die ein gepulstes Signal mit einer festen Frequenz von größer als 15 kHz führt, wobei das Signal spezifisch in dem Bereich von 20–30 kHz und vorzugsweise bei 25 kHz liegt. Das gepulste Signal hat einen festen Arbeitszyklus, wodurch eine Folge von Impulsen mit konstanter Breite ausgebildet wird. Wie nachfolgend beschrieben stellt die Impulsfolge den Ausgang des Flip-Flops periodisch ein, der mit einem Eingang eines drei Eingänge aufweisenden zweiten NAND-Gatters 48 verbunden ist. Ein weiterer Eingang des zweiten NAND-Gatters 48 nimmt ein EIN-Signal an einer weiteren digitalen Ausgangsleitung 33 von dem Mikrokontroller 26 auf. Ob das EIN-Signal aktiv oder inaktiv ist, wird durch eine manuelle Betätigung der Schalter an dem Tastenblock 27 der Bedienungskonsole 25 bestimmt.
Der dritte Eingang des zweiten NAND-Gatters 48 empfängt ein Ausgangssignal von einem Sofortauslösemechanismus, der durch einen zweiten Spannungskomparator 50 und einen zweiten Flip-Flop 51 ausgebildet wird. Im Einzelnen vergleicht der zweite Komparator 50 das Ausgangssignal I_SENSE des Stromsensors mit einem dritten Schwellwert I_TH3. Der dritte Stromschwellwert I_TH3 wird an einer weiteren analogen Ausgangsleitung 38 durch den Mikrokontroller 26 generiert und wird durch einen festen Wert definiert, der in die Festkörper-Schutzschaltung 10 einprogrammiert worden ist. Der dritte Stromschwellwert I_TH3 ist größer als der zweite Stromschwellwert I_TH2. Die genaue Beziehung zwischen diesen beiden Stromschwellwerten wird anhand der nachfolgenden Beschreibung des Betriebs der Festkörper-Stromschutzschaltung deutlich werden. Anstatt einprogrammiert zu werden, können die zweiten und dritten Stromschwellwerte I_TH2 und I_TH3 durch konventionelle Spannungsteiler an den Eingängen zu den jeweiligen Komparatoren 40 und 50 vorgegeben werden. Der Ausgang des zweiten Komparators 50 wird durch das zweite Flip-Flop 51 mit einem Ausgang verriegelt, der mit einem weiteren Eingang des zweiten NAND-Gatters 48 in Verbindung steht. Der Stelleingang des zweiten Komparators 50 ist mit einer RESET-Ausgangsleitung 35 von dem Mikrokontroller 26 verbunden.
Die bisher beschriebenen Komponenten der Auslöseschaltung 36 führen Eingangssignale in das zweite NAND-Gatter 48. Der Ausgang dieses Gatters wird durch ein drittes NAND-Gatter 52 gespeist, das als ein Inverter verbunden ist. Das aus dem dritten NAND-Gatter 52 austretende Signal wird durch einen Widerstand 56 mit einer Trennschaltung 54 wie z.B. einem optischen Standardtrennschalter verkoppelt. Die Trennschaltung 54 erzeugt einen Ausgang an der Leitung 58, der an einen Eingang einer konventionellen FET-Gattertreiberschaltung 60 angelegt wird. Eine Ladepumpe 62 stellt einen Spannungspegel bereit, der von dem FET-Gattertreiber 60 zum Vorspannen des Gatters des FETs 19 über die Leitung 39 verwendet wird.
Der Betrieb der Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung 10 in 1 beginnt dadurch, dass der Anwender einen geeigneten Schalter auf dem Tastenblock 27 betätigt. Der Mikrokontroller 26 spricht auf diese Schalteraktivierung durch das Anlegen eines hohen Pegels bzw. eines aktiven EIN-Signals über die Leitung 34 an das zweite NAND-Gatter 48 an. Ebenfalls beginnt der Mikrokontroller 26 zu diesem Zeitpunkt damit, eine Impulsfolge an der digitalen Ausgangsleitung 33 zu generieren, die mit dem ersten NAND-Gatter 46 verbunden ist. Ein hoher logischer Pegel dieser Impulsfolge bewirkt, dass der Ausgang des ersten Flip-Flops 42 einen hohen Wert annimmt, wodurch ein weiterer hoher Pegel an einen weiteren Eingang des zweiten NAND-Gatters 48 angelegt wird.
Während des normalen Betriebs der Last 14 ist das Ausgangssignal I_SENSE von dem Stromsensor 24 kleiner als der dritte Schwellwert I_TH3. Infolgedessen erzeugt der zweite Spannungskomparator 50 einen hohen logischen Pegel an dem dritten Eingang des zweiten NAND-Gatters 48. Dadurch generiert das zweite NAND-Gatter 48 ein niederpegeliges Ausgangssignal, das bei der Inversion durch das dritte NAND-Gatter 52 und der Durchleitung durch einen Trennschalter 54 den FET-Gattertreiber 60 aktiviert. Dies bewirkt, dass der Gattertreiber 60 das Gatter des FETs 19 in einen leitenden Zustand hin vorspannt, wodurch Strom von dem Positivspannungsanschluss 12 durch den Induktor 20 zu der Last 14 geleitet wird.
Der Pegel des durch den Halbleiterschalter 18 fließenden Stroms steigt rasch an und überschreitet bald den zweiten Schwellwert I_TH2. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der Ausgang des ersten Komparators 40 einen niedrigen Wert an, wodurch das Flip-Flop 42 zurückgestellt und bewirkt wird, dass das zweite NAND-Gatter 48 seinen Ausgangszustand verändert. Dies bewirkt, dass der FET-Gattertreiber 60 den Halbleiterschalter 18 nicht-leitend schaltet. Die in dem Induktor 20 gespeicherte Energie erzeugt einen abnehmenden Strom, der durch die Last 14 und die Rücklaufdiode 21 fließt.
Wenn der nächste positive Impuls in der Impulsfolge an der Leitung 33 zu dem ersten NAND-Gatter 46 führenden Leitung 33 auftritt, wird das Flip-Flop 42 dahingehend eingestellt, einen weiteren hohen Logikausgangspegel zu generieren, der wiederum den FET-Gattertreiber 60 und den Halbleiterschalter 18 einschaltet. Dieses zyklische An/Aus-Schalten des Halbleiterschalters führt das Zerhacken des Stroms mit der Rate des Signals an der Leitung 33 so lange fort, bis die Kapazität in der Last 14 angemessen geladen ist, wobei zu diesem Zeitpunkt der Arbeitsstrom im Wesentlichen konstant bei einem Pegel liegt, der geringer als der zweite Schwellwert I_TH2 ist. Daher wird der Arbeitsstrom während des Starts auf einen unter dem zweiten Schwellwert I_TH2 liegenden Wert begrenzt, obgleich immer noch Strom zur Auslösung des Ladevorgangs zugeführt wird. Wenn die Stromspitzen durch den Halbleiterschalter 18 unter diesen Schwellwert abgefallen sind, wird das Flip-Flop 42 nicht länger zurückgestellt und der FET-Gattertreiber 60 hält den Halbleiterschalter 18 in einem leitenden Zustand. Dieser leitende Zustand wird so lange beibehalten, wie die Last 14 normal arbeitet.
Wenn während des Startvorgangs eine Störung vorliegt, fällt der Arbeitsstrom nicht unter den zweiten Schwellwert I_TH2 ab. Das Stromzerhacken könnte in diesem Fall unbegrenzt fortgeführt werden. Um dies zu vermeiden wird die Dauer der Stromzerhackung dadurch begrenzt, dass die an die Last angelegten Stromimpulse gezählt werden und das Zerhacken nach dem Auftreten einer gegebenen Anzahl an Impulsen, die zur Aufladung einer typischen Lastkapazität ausreicht, beendet wird. Im Einzelnen überwacht der Mikrokontroller 26 die Eingangsleitung 31 von dem Stromsensor 24, welche die alternierenden Hochstrom- und Nullstrom-Situationen anzeigt und die Anzahl an Hochstromimpulsen zählt.
Dieser Zählwert wird mit einer Bezugszahl verglichen und der Zerhackungsmodus wird beendet, wenn diese Bezugszahl von Stromimpulsen aufgetreten ist. Zu diesem Zeitpunkt übermittelt der Mikrokontroller 26 ein niedriges Logikpegelsignal an der Leitung 34 zu der Auslöseschaltung 36, die den Halbleiterschalter so lange nicht-leitend schaltet, bis ein Anwender den RESET-Schalter an der Bedienungskonsole 25 betätigt und den Mikrokontroller zurückstellt.
Wahlweise kann der Spannungssensor 28 als Absicherung dagegen verwendet werden, dass der Stromzerhackungsmodus über einen zu langen Zeitraum hinweg fortgeführt wird. Während eines Kurzschlusszustands, bei dem die Last 14 übermäßig Strom zieht, ist die Spannung über der Last signifikant niedriger als im normalen Betrieb. Die Spannung über die Last 14 wird durch den Spannungssensor 28 erfasst, der eine analoge Anzeige des Spannungspegels zu dem Mikrokontroller 26 führt. Wenn diese erfasste Lastspannung länger als ein vorbestimmtes Zeitintervall während des Stromzerhackungsmodus unter einem gegebenen Schwellwert bleibt, schaltet der Mikrokontroller 26 die Auslöseschaltung 36 ab, indem er der AN/AUS-Leitung 34 einen niedrigen logischen Pegel (ein inaktives EIN-Signal) zuführt.
Der Betrieb der Festkörper-Schutzschaltung 10 während einer Überstrombedingung nach einem normalen Start versteht sich am einfachsten mit Bezug auf ein beispielhaftes Auslöseansprechverhalten wie z.B. dem in 3 dargestellten Verhalten. Ein Arbeitsstrom, der unter einem ersten Schwellwert I_TH1 liegt, kann durch die Last 14 unbegrenzt zugelassen werden und wird daher kontinuierlich durch den Halbleiterschalter 18 weitergeleitet. Der erste Schwellwert I_TH1 wird auf zwischen 100% und 125% des Nennstroms für die zu schützende Last 14 eingestellt. Arbeitsströme zwischen Pegeln I_TH1 und I2 können von der Last über einen Zeitraum hinweg zugelassen werden, der linear mit der Stromstärke abnimmt. Mit anderen Worten können kleine Abweichungen über den ersten Schwellwert I_TH1 hinaus für einen längeren Zeitraum als Überströme toleriert werden, die sich an den Pegel I2 annähern. Dies erzeugt ein lineares Auslöseansprechverhalten in dem Teil 70 der Ansprechkurve. Dieser Teil des Auslöseansprechverhaltens wird in den Mikrokontroller 26 einprogrammiert und in dessen Speicher entweder als eine lineare Gleichung oder als eine Datentabelle abgespeichert. Diese Datentabelle weist Wertepaare auf, wobei ein Wert eine Stromstärke und der andere Wert ein Zeitintervall festlegt, in dem die Stromstärke toleriert werden kann, bevor die Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung 10 ausgelöst werden muss.
Strom zwischen dem Pegel I2 und dem dritten Schwellwert I_TH3 kann von der Last für einen Zeitraum zugelassen werden, der als T1 bezeichnet ist. Ein über diesem höheren Pegel I_TH3 liegender Strom kann von der Last 14 selbst kurzzeitig nicht toleriert werden, und somit wird die Stromschutzvorrichtung sofort ausgelöst. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Arbeitsstrom innerhalb des schraffierten Bereichs 72, der zwischen dem zweiten Schwellwert I_TH2 und einem dritten Schwellwert I_TH3 liegt, den FET 19 beschädigen kann, obgleich er von der Last 14 zugelassen wird. Wenn daher bestimmt wird, dass ein Betrieb innerhalb dieses Bereichs auftritt, geht die Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung 10 in einen Betriebsmodus der Stromzerhackung über. In diesem Modus wird der Halbleiterschalter mit einer Rate an und aus gepulst, die einen mittleren Strom erzeugt, welcher niedriger als der zweite Schwellwert I_TH2 liegt. Somit bleibt die Last mit Strom versorgt, damit die Lastkapazität geladen bleibt, aber der der Last zugeführte Strom wird auf einen Pegel begrenzt, der dem zweiten Schwellwert entspricht.
Wenn der erfasste Strom I_SENSE zwischen dem ersten Schwellwert I_TH1 und einem zweiten Schwellwert I_TH2 liegt, hält die Auslöseschaltung 36 den Halbleiterschalter 18 anfänglich in einem leitenden Zustand, da der Strom unter den beiden Komparatorschwellwerten I_TH2 und I_TH3 liegt. Allerdings verwendet der Mikrokontroller 26, der das Ausgangssignal I_SENSE von dem Stromsensor 24 über die Leitung 31 aufnimmt, das programmierte Auslöseansprechverhalten für den Abschnitt 70, um zu bestimmen, ob der Halbleiterschalter 18 abgeschaltet werden soll. Im Einzelnen bestimmt der Mikrokontroller 26, ob die Überstromstärke für den von dem Auslöseansprechverhalten festgelegten Zeitraum aufgetreten ist. Wenn dies auftritt, schaltet der Mikrokontroller 26 die Auslöseschaltung 36 ab, indem er der digitalen Leitung 34 einen niedrigen logischen Pegel, d.h. ein inaktives EIN-Signal zuführt. Dieser konstant niedrige logische Pegel schaltet den Ausgangspegel von zweiten NAND-Gatter 48, das den FET-Gattertreiber 60 und somit den Halbleiterschalter 18 abschaltet, hin und her. Ebenfalls lässt der Mikrokontroller 26 den Lichtemitter 29 an der Bedienungskonsole 25 aufleuchten, der den ausgelösten Zustand anzeigt. Das AUS-Signal wird so lange kontinuierlich zu dem Mikrokontroller 26 zu der Auslöseschaltung 36 zugeführt, bis ein manueller Rückstellschalter oder die Bedienungskonsole 25 betätigt wird.
Wenn das erfasste Arbeitsstromsignal I_SENSE zwischen den Stromschwellwerten I_TH2 und I_TH3 liegt, verwendet der Mikrokontroller 26 nicht die Auslöseansprechverhaltedaten, um festzustellen, ob die Auslöseschaltung 36 abgeschaltet werden soll. Stattdessen geht die Festkörper-Schutzschaltung 10 in einen Stromzerhackungsmodus über, in welchem der FET 19 mit der Rate des gepulsten Signals an der Leitung 33 an und aus gepulst wird.
Spezifisch auf 2 Bezug nehmend nimmt der Ausgang des ersten Komparators 40 dann einen niedrigen Wert ein, wenn der Stromsensor 24 ein Ausgangssignal I_SENSE an der Leitung 31 generiert, das größer als der zweite Schwellwert I_TH2 an der Leitung 37 ist. Dieser niedrige Ausgang stellt das Flip-Flop 42 zurück, wodurch ein niedriger logischer Pegel an einen Eingang des zweiten NAND-Gatters 48 angelegt wird. Dies erzeugt einen hohen logischen Pegel an dem Ausgang des zweiten NAND-Gatters 52, der durch das dritte NAND-Gatter 52 invertiert wird, wodurch ein niedriger logischer Pegel zu dem optischen Trennschalter 54 geleitet wird. Dies wiederum deaktiviert den FET-Gattertreiber 60, der den Halbleiterschalter 18 nicht-leitend schaltet. Zu diesem Zeitpunkt fließt Strom von dem Induktor 20 durch die Last 14 und durch eine Rücklaufdiode 21.
Der Halbleiterschalter 18 verbleibt solange ausgeschaltet, bis der nächste hohe Logikpegelimpuls in der Impulsfolge von dem Mikrokontroller 26 an die Auslöseschaltung 36 über die digitale Leitung 33 angelegt wird. Bei der Inversion durch das erste NAND-Gatter 46 stellt dieser Puls das Flip-Flop 42 ein, das einen hohen Ausgangspegel erzeugt, der dem zweiten NAND-Gatter 48 zugeführt wird. Dieser hohe logische Pegel aktiviert den FET-Gattertreiber 60, wodurch der Halbleiterschalter 18 erneut leitend geschaltet wird.
Wenn der FET 19 wieder angeschaltet wird, begrenzt der Induktor 20 die Rate, mit welcher der Strom ansteigt, sodass der Strompegel nicht sofort den zweiten Schwellwert I_TH2 überschreitet. Somit wird ein kleiner Strom an die Last 14 angelegt und seine Kapazität aufgeladen. Allerdings überschreitet der durch den Halbleiterschalter 18 fließende Strom schließlich den zweiten Stromschwellwert I_TH2, was von dem ersten Komparator 40 erfasst wird. Tritt dies auf, verändert der erste Komparator 40 seinen Ausgabezustand und stellt das Flip-Flop 42 zurück, das wiederum dem zweiten NAND-Gatter 48 ein Signal zuführt, was schließlich dazu führt, dass der FET-Gattertreiber 60 den Halbleiterschalter 18 abschaltet. Dieses zyklische An- und Abschalten des Halbleiterschalters 18 wird fortgeführt und führt zu einem mittleren Arbeitsstrom, der unter dem ersten Schwellwert I_TH1 liegt.
Obgleich der Halbleiterschalter 18 nicht einem so großen Ausmaß an Wärmebeanspruchung wie bei der linearen Strombegrenzung ausgesetzt wird, kann der FET 19 oder die Last immer noch beschädigt werden, wenn der Stromzerhackungsmodus für einen zu langen Zeitraum fortgeführt wird. Wie weiter oben mit Bezug auf den Startbetrieb der Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtung 10 erläutert, kann die Dauer des Stromzerhackens dadurch begrenzt werden, dass der Mikrokontroller 26 die Anzahl an zu der Last geleiteten Stromimpulse zählt und ein niedriges Logikpegel-AUS-Signal auf der Leitung 34 zu der Auslöseschaltung 36 sendet, wenn eine gegebene Anzahl an Impulsen aufgetreten ist. Wahlweise kann der Spannungssensor 28 dazu verwendet werden, einen Kurzschluss zu erfassen und den Mikrokontroller 26 darüber in Kenntnis zu setzen, die Auslöseschaltung 36 abzuschalten.
Das Stromzerhacken sollte sicherstellen, dass der Arbeitsstrom niemals den dritten Schwellwertpegel I_TH3 überschreitet. In dem Fall, wenn eine Fehlfunktion auftritt, erfasst jedoch der zweite Komparator 50 einen über diesem dritten Schwellwertpegel I_TH3 liegenden Arbeitsstrom und generiert einen Ausgang, der den Halbleiterschalter 18 kontinuierlich nicht-leitend schaltet. Im Einzelnen nimmt der Ausgang des zweiten Komparators 50 einen niedrigen Wer ein, wodurch der zweite Flip-Flop 51 zurückgestellt wird und wodurch wiederum ein niedriger logischer Pegel an das zweite NAND-Gatter 48 angelegt wird. Dies führt dazu, dass sich das FET abschaltet.

Claims

Vorrichtung (10) zum Schützen einer elektrischen Last (14) vor einem übermäßigen Strom, wobei die Vorrichtung versehen ist mit: einem Halbleiterschalter (18) zum Verbinden der elektrischen Last mit einer Stromquelle (12), wobei der Schalter einen Kontrolleingang aufweist; einem Stromsensor (24), der mit dem Halbleiterschalter (18) gekoppelt ist und ein Sensorsignal erzeugt, welches indikativ für die Stärke des zu der elektrischen Last (14) fließenden Stromes ist; und einer Steuerschaltung (26), die mit dem Stromsensor (24) und dem Halbleiterschalter (18) verbunden ist und auf das Sensorsignal antwortet, indem sie ein Steuersignal erzeugt, welches an den Steuereingang angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass: die Steuerschaltung einen ersten Betriebsmodus hat, wenn die Stromstärke geringer als ein erster Schwellwert ist, wobei der Halbleiterschalter (18) in einem kontinuierlich leitenden Zustand gehalten wird, einen zweiten Betriebsmodus, wenn die Stromstärke größer als der erste Schwellwert und kleiner als ein zweiter Schwellwert ist, wobei der Halbleiterschalter (18) nach einer vorbestimmten Zeitdauer nicht-leitend geschaltet wird, und einen dritten Betriebsmodus, wenn die Stromstärke größer als der zweite Schwellwert ist, wobei der Halbleiterschalter (18) alternierend leitend und nicht-leitend gepulst wird, um den Strom durch die Last (14) auf weniger als den zweiten Schwellwert zu begrenzen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei welcher die Steuerschaltung (26) in dem zweiten Betriebsmodus bleibt, bis sie gezielt zurückgesetzt wird.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei welcher der Halbleiterschalter (18) für Zeitdauern mit identischen Perioden alternierend leitend und nicht-leitend gepulst wird.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei welcher der Halbleiterschalter (18) mit einer Rate von mindestens 15 kHz alternierend leitend und nicht-leitend gepulst wird.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei welcher der Halbleiterschalter (18) mit einer Rate zwischen 20 kHz und 30 kHz alternierend leitend und nicht leitend gepulst wird.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei welcher die Steuerschaltung (26) einen vierten Betriebsmodus hat, wenn die Stromstärke größer als ein dritter Schwellwert ist, der größer als der zweite Schwellwert ist, wobei der Halbleiterschalter (18) durch das Steuersignal nicht leitend geschaltet wird, bis die Vorrichtung (10) gezielt rückgesetzt wird.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei welcher die Steuerschaltung (26) versehen ist mit: einem programmierbaren Steuergerät (26), welches ein gepulstes Signal mit konstantem Arbeitszyklus und ein EIN-Signal erzeugt; einem Schaltertreiber (60), welcher in Ansprechen auf ein Schalteraktivierungssignal das Steuer signal erzeugt; und einer Auslöseschaltung (36), die mit dem programmierbaren Steuergerät (26), dem Schaltertreiber (60) und dem Stromsensor (24) verbunden ist und eine logische Schaltung (40, 42, 48, 50, 51, 52) umfasst, die das Schalteraktivierungssignal erzeugt, wenn das Sensorsignal geringer als der zweite Schwellwert ist und das EIN-Signal aktiv ist, und die ein gepulstes Schalteraktivierungssignal in ansprechen auf das gepulste Signal erzeugt, wenn das Sensorsignal größer als der zweite Schwellwert ist und das EIN-Signal aktiv ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 7, bei welcher das programmierbar Steuergerät (26) in Ansprechen darauf, dass für die vorbestimmte Zeitdauer die Stromstärke größer als der erste Schwellwert ist, ein inaktives EIN-Signal erzeugt.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, bei welcher das programmierbare Steuergerät (26) Daten speichert, welche die vorbestimmte Zeitdauer als eine Funktion der Stromstärke spezifizieren.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 7, bei welcher die Auslöseschaltung (36) versehen ist mit: einem ersten Komparator (37), der das Sensorsignal mit dem zweiten Schwellwert vergleicht und in ansprechen darauf ein erstes Steuersignal an einem Ausgang erzeugt; einem Flip-Flop (42) mit einem Eingang (R), der mit dem Ausgang des ersten Komparators (37) verbunden ist, sowie einem weiteren Eingang (S), der mit dem programmierbaren Steuergerät (26) verbunden ist, um das gepulste Signal zu erhalten, und der ferner über einen Ausgang verfügt, und einem Logikgatter (48) mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Flip-Flops (42) verbunden ist, sowie einem weiteren Eingang, der mit dem programmierbaren Steuergerät (26) verbunden ist, um das EIN-Signal zu erhalten, und der über einen Ausgang verfügt, der mit dem Schaltertreiber (60) verbunden ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 10, bei welcher die Auslöseschaltung (36) ferner einen zweiten Komparator (50) aufweist, der das Sensorsignal mit einem dritten Schwellwert vergleicht und über einen Ausgang verfügt, der mit dem Logikgatter (48) verbunden ist, um den Halbleiterschalter (18) nicht-leitend zu schalten, wenn das Sensorsignal den dritten Schwellwert übersteigt.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, ferner versehen mit einer Sicherung (16) in Reihe mit dem Halbleiterschalter (18).
Verfahren zum Schützen einer elektrischen Last (14) vor einer übermäßigen Stromstärke, wobei im Zuge des Verfahrens: ein Halbleiterschalter (18) in einen leitenden Zustand gebracht wird, um Strom von einer Quelle (12) an die elektrische Last (14) anzulegen; die Stromstärke erfasst wird; die Stromstärke mit einem ersten Schwellwert verglichen wird; die Stromstärke mit einem zweiten Schwellwert verglichen wird, der größer als der erste Schwellwert ist; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: erfasst wird, wenn die Stromstärke den ersten Schwellwert für eine vorbestimmte Zeitdauer übersteigt, und falls dies geschieht, ein Beendigungssignal ausgegeben wird; in Ansprechen auf das Beendigungssignal der Halbleiterschalter (18) in einen nicht-leitenden Zustand gebracht wird, um das Anlegen von Strom an die elektrische Last (14) zu beenden; und wenn die Stromstärke den zweiten Schwellwert übersteigt, der Halbleiterschalter (18) alternierend leitend und nicht-leitend gemacht wird, um Strompulse an die elektrische Last (14) anzulegen und den mittleren Strom durch die Last (14) auf weniger als den zweiten Schwellwert zu begrenzen.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei welchem dadurch, dass der Halbleiterschalter alternierend in einen leitenden und einen nicht-leitenden Zustand geschaltet wird, Strompulse in Zyklen von identischen Perioden angelegt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei welchem ferner bestimmt wird, wie lange der Halbleiterschalter (18) alternierend in leitende und nicht-leitende Zustände geschaltet wird; und der Halbleiterschalter (18) nach einer vorbestimmten Zeitdauer in einen kontinuierlichen nicht-leitenden Zustand gebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei welchem ferner: ein Spannungswert über die elektrische Last (14) erfasst wird; der Spannungswert mit einem gegebenen Schwellwert verglichen wird, und der Halbleiterschalter (18) in einen kontinuierlichen nicht-leitenden Zustand gebracht wird, wenn der Spannungswert für eine vorbestimmte Zeitdauer geringer ist als der vorgegebene Schwellwert.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei welchem ferner: die Stromstärke mit einem dritten Schwellwert verglichen wird, der größer als der zweite Schwellwert ist; und der Halbleiterschalter (18) in einem kontinuierlichen nicht-leitenden Zustand gebracht wird, wenn die Stromstärke den dritten Schwellwert übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei welchem durch das alternierende Schalten des Halbleiterschalters 18 in leitende und nicht leitende Zustände Strompulse mit einer Rate von mindestens 15 kHz an die elektrische Last (14) angelegt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei welchem durch das alternierende Schalten des Halbleiterschalters (18) in leitende und nicht leitende Zustände Strompulse mit einer Rate zwischen 20 kHz und 30 kHz an die elektrische Last (14) angelegt werden.