EP4659354A1 - Schaltgerät zum elektrischen ein- und ausschalten einer mit einer gleichspannungs-versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen last - Google Patents

Schaltgerät zum elektrischen ein- und ausschalten einer mit einer gleichspannungs-versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen last

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Publication number
EP4659354A1
EP4659354A1 EP24702160.3A EP24702160A EP4659354A1 EP 4659354 A1 EP4659354 A1 EP 4659354A1 EP 24702160 A EP24702160 A EP 24702160A EP 4659354 A1 EP4659354 A1 EP 4659354A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switch
switching
semiconductor switch
current
control
Prior art date
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Pending
Application number
EP24702160.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elmar Schaper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP4659354A1 publication Critical patent/EP4659354A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
    • H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/163—Soft switching
    • H03K17/164—Soft switching using parallel switching arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/548—Electromechanical and static switch connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/12—Modifications for increasing the maximum permissible switched current
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K2017/515—Mechanical switches; Electronic switches controlling mechanical switches, e.g. relais

Definitions

  • Switching device for electrically switching on and off an electrical load that can be connected to a DC voltage supply device
  • the invention relates to a switching device for electrically switching on and off an electrical load that can be connected to a direct current supply device.
  • Switching devices have, among other things, hybrid output stages that can contain a parallel circuit of an electromechanical and electronic switch, in particular semiconductor switches.
  • an electrical load that can be connected to the switching device can be electrically connected to an external power supply device or electrically disconnected from it, whereby the electrical load can be switched on or off.
  • Such a switching device is known, for example, from WO 2014/032718 A1.
  • One of the problems with switching devices with hybrid output stages is that if a short circuit occurs, the switching device and/or the connected electrical load in particular will be destroyed or proper operation will no longer be possible. This is particularly the case if the electrical load is connected to a direct current supply device, for example a DC network, via such a switching device.
  • a direct current supply device for example a DC network
  • the object of the present invention is to provide a switching device for electrically switching on and off an electrical load that can be connected to a direct current supply device, which can protect the switching device from a short circuit during operation.
  • a core idea of the invention can be seen in the creation of a switching device with a hybrid output stage, which has a short-circuit functionality.
  • the switching device can, for example, have a first current path into which a Parallel circuit comprising a first controllable semiconductor switch and a first controllable mechanical switching contact, a second controllable semiconductor switch which is connected in series with a second controllable mechanical switching contact which is designed as a changeover contact, a second current path, a current measuring device and a control and evaluation device.
  • the control and evaluation device is designed to electrically connect the first current path to the second current path during operation of the switching device by means of the second semiconductor switch and the second mechanical switching contact if a short-circuit current is detected by the current measuring device.
  • the switching device can be protected in particular against a short circuit which occurs on or in a connected electrical load or in a line to the electrical load.
  • Such a switching device can also be referred to as a short-circuit-proof switching device.
  • a switching device is provided in particular for electrically switching on and off an electrical load that can be connected to a direct voltage supply device, which can have the following features.
  • first current path which is electrically connected to the first power supply terminal and the first output terminal, wherein the first current path has a parallel circuit of a first controllable semiconductor switch and a first controllable mechanical switching contact
  • the second semiconductor switch is electrically connectable to the second current path via the second mechanical switching contact
  • control and evaluation device which is connected to an output of the current measuring device, wherein the control and evaluation device is designed, in particular during a switch-on process, i) to switch the first semiconductor switch to be electrically blocking and the second semiconductor switch to be electrically conductive, wherein the first mechanical switching contact is opened and the second semiconductor switch is electrically connected in series with the pre-charging resistor by means of the second mechanical switching contact, ii) to then switch the first semiconductor switch to be conductive and switch the second semiconductor switch to be electrically blocking, and iii) to then close the first mechanical switching contact and connect the second semiconductor switch to the second current path by means of the second mechanical switching contact, wherein the second point in time is after the first point in time and the third point in time is after the second point in time, and iv) to then switch the second semiconductor switch to be electrically conductive again when the current measured by the current measuring device reaches or exceeds a first predetermined value.
  • the first predetermined current value is in particular set such that it corresponds to a short-circuit current
  • control and evaluation device carries out steps i) to iv) one after the other.
  • control and evaluation device can be designed to simultaneously switch the first semiconductor switch to electrically blocking and the second semiconductor switch to electrically conducting in step i), or to switch the to switch the second semiconductor switch on after it has switched the first semiconductor switch off.
  • the first and second mechanical switching contacts are designed as positively guided contacts of an electromechanical switch.
  • the electromechanical switch can be designed as a relay, for example.
  • the two mechanical switching contacts can each be arranged in a separate electromechanical switch.
  • the current measuring device may comprise a current sensor.
  • control and evaluation device can be designed to switch the first semiconductor switch to the conductive state in step ii) and to switch the second semiconductor switch to the electrically blocking state when the current measured by the current measuring device reaches a second predetermined value or is within a tolerance range defined with respect to the second predetermined value, wherein the second predetermined current value is lower than the first predetermined current value.
  • the second predetermined current value is preferably defined such that it corresponds, for example, to the nominal current of the first semiconductor switch.
  • control and evaluation device can be designed to carry out step ii) after the expiration of a predetermined period of time that is started in step i). In both cases, it is ensured that step ii) is only carried out when the current flowing in the first current path can no longer damage the first semiconductor switch.
  • the switching device can, for example, have a detection device, an electrical energy storage device which is designed for the internal energy supply of the device, and a device connected to the first and second energy supply connection connected voltage supply device which is electrically connected to the electrical energy store and the detection device, wherein the detection device is designed to detect the drop in a direct voltage present at the output of the voltage supply device below a predetermined threshold value, wherein the control and evaluation device is designed to carry out a switch-off process for switching off an electrical load connectable to the first and second output terminals in response to a drop in a direct voltage present at the output of the voltage supply device below the predetermined threshold value detected by the detection device.
  • the switching device can have a third and fourth power supply connection to which a power supply device for providing a supply voltage for the switching device can be connected, a detection device, an electrical energy store which is designed for the device-internal power supply, and a voltage supply device connected to the third and fourth power supply connection, which is electrically connected to the electrical energy store and the detection device, wherein the detection device is designed to detect the drop in a direct voltage applied to the output of the voltage supply device below a predetermined threshold value, wherein the control and evaluation device is designed to carry out a switch-off process for switching off an electrical load which can be connected to the first and second output connection in response to a drop in a direct voltage applied to the output of the voltage supply device below the predetermined threshold value detected by the detection device.
  • the voltage supply device can comprise a device for voltage conditioning, for example a voltage converter and/or voltage regulator, and optionally a reverse polarity protection.
  • the detection device can, for example, have a comparison device which can be designed as a comparator, for example in the form of a Schmitt trigger.
  • the switching device can advantageously have an input connection which is designed to apply a control signal, the detection device being connected on the input side to the input connection and an output of the voltage supply device.
  • the control signal can be fed to the input connection by a higher-level control device and is monitored by the switching device or by the control and evaluation device.
  • a further mechanical switching contact of at least one electromechanical switch can be connected in the first and/or second current path.
  • the first and/or second semiconductor switch can be designed as an insulated gate bipolar transistor (also called IGBT) or as a metal oxide semiconductor field effect transistor (also known as MOSFET).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the switching device can, for example, have a storage device that is electrically connected to the control and evaluation device.
  • the first and/or second predetermined current value and/or the tolerance range defined with respect to the second predetermined current value can be stored in the storage device.
  • the storage device can also be an integral part of the control and evaluation device.
  • An electrical fuse can expediently be assigned to the first current path or the second current path.
  • the fuse can be connected externally to the first or second power supply connection or arranged internally in the switching device.
  • Figure 1 shows an exemplary switching device in which the invention is implemented
  • Figure 2A shows the time course of an input voltage UB
  • Figure 2B shows the time course of a control signal
  • FIG. 2C shows the time course of the switching states of the second semiconductor switch shown in Figure 1
  • FIG. 2D shows the time course of the switching states of the first semiconductor switch shown in Figure 1
  • FIG. 1 shows the time course of the switching states of the first mechanical switch shown in Figure 1
  • Figure 2F shows the temporal progression of the switching states of the second mechanical switch shown in Figure 1.
  • Figure 1 shows the basic circuit of an exemplary switching device 10, with which an electrical load 110 can be electrically switched on and off or electrically connected to or disconnected from a direct voltage supply device 20.
  • the switching device 10 has a first output connection 16 and a second output connection 17 to which the electrical load 110 can be connected.
  • the switching device 10 also has a first power supply connection 11 and a second power supply connection 12 to which the direct voltage supply device 20 can be connected.
  • the direct voltage supply device 20 is designed to apply a direct voltage to the two power supply connections 11 and 12.
  • the direct voltage supply device 20 is designed as a DC supply network.
  • the direct current supply device 20 has a first conductor 21, via which a first electrical potential, e.g.
  • a negative electrical potential can be applied to the power supply connection 11, and a second conductor 22, via which a second electrical potential, e.g. a positive electrical potential, can be applied to the power supply connection 12.
  • the switching device 10 has a first current path 18, which is electrically connected, for example, to the first power supply connection 11 and the first output connection 16.
  • a parallel circuit 150 is arranged in the first current path 18, which can have a first controllable semiconductor switch 81 and a first controllable mechanical switching contact 82.
  • the semiconductor switch 81 can be designed as a bipolar transistor with an insulated gate electrode. Such a transistor is also referred to as an IGBT transistor.
  • the mechanical switching contact 82 lying parallel to the semiconductor switch 81 preferably belongs to an electromechanical switch 80, which is designed as a relay, for example.
  • the electromechanical switch 80 has, in a manner known per se, an excitation coil 85 lying in a control circuit, which can be connected to an output 76 of the control and evaluation device 70.
  • the mechanical switching contact 82 forms a bypass for the semiconductor switch 81.
  • a semiconductor diode 86 can be connected in parallel to the semiconductor switch 81, which enables a current return flow from the output terminal 16 to the power supply terminal 11.
  • the semiconductor switch 81 can be designed, for example, as a normally conducting n-channel transistor whose gate connection is connected to an output 74 of a control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 can be designed, for example, as a microcontroller.
  • the collector of the semiconductor switch 81 is connected to the power supply connection 11, while the emitter connection of the semiconductor switch 81 is connected to the output connection 16.
  • a second controllable semiconductor switch 90 is provided, which can also be designed, for example, as a normally conducting n-channel transistor and forms a so-called IGBT transistor.
  • the gate connection of the semiconductor switch 90 is also connected to an output 73 of the control and evaluation device 70, while the collector connection can be electrically connected to the power supply connection 11 and the emitter connection can be electrically connected to the output connection 16 or a second current path 19.
  • the semiconductor switch 98 can have a semiconductor diode 96 connected in parallel to the collector and emitter, which enables a reverse current from the load 110 to the power supply connection 11.
  • the semiconductor switch 90 is connected in series with a second mechanical switching contact 91, which is designed as a changeover contact.
  • the two mechanical switching contacts 82 and 91 are part of the electromechanical switch 80. They are advantageously designed to be positively guided. It is conceivable that the two mechanical switching contacts 82 and 91 each belong to a separate electromechanical switch, which can be controlled via the control and evaluation device 70.
  • a suitably dimensioned electrical pre-charging resistor 92 is provided, which can be switched in series with the semiconductor switch 90 by means of the mechanical switching contact 91. In this switching state, the second semiconductor switch 90 connected in series with the electrical pre-charging resistor 92 is then connected in parallel with the parallel circuit 150.
  • the switching device 10 has the second current path 19, which is electrically connected to the second power supply connection 12 and the second output connection 17.
  • the semiconductor switch 90 can be electrically connected to the second current path 19 via the mechanical switching contact 91.
  • a current measuring device 100 is connected either in the first current path 18 or in the second current path 19.
  • the current measuring device 100 is connected in the first current path 18, specifically between the parallel circuit 150 and the output connection 16.
  • the current measuring device 100 can be designed as a current sensor in a manner known per se.
  • An input 72 of the control and evaluation device 70 is connected to an output of the current measuring device 100.
  • one task of the control and evaluation device 70 is to specifically switch the two semiconductor switches 81 and 90 either into a blocking or an electrically conductive state. and further to close or open the mechanical switching contact 82 in a predetermined manner and to connect the mechanical switching contact 91 in a targeted manner to the pre-charging resistor 92 or the second current path 19.
  • an electrical fuse 140 can be provided, which can be connected externally between the conductor 22 and the supply connection 11 as an external fuse, for example.
  • the fuse is connected as a device-internal component in the first current path 18 or second current path 19.
  • the supply voltage of the switching device 10 can be obtained, for example, from the direct voltage applied to the power supply terminals 11 and 12. Alternatively, and as shown in Figure 1, the supply voltage of the switching device 10 can also be provided via a separate external power supply device 120, which can be connected, for example, via a switch 13 to a third and fourth power supply terminal 13 and 14 of the switching device 10.
  • the power supply device 120 supplies, for example, a direct voltage LTB of, for example, 24 V.
  • the supply voltage provided at the power supply terminals 13 and 14 can be fed to an internal voltage supply device 30, which is connected on the input side to the power supply terminals 13 and 14.
  • the voltage supply device 30 can, for example, have a voltage converter and a voltage regulator, which ensure that a predetermined operating voltage is provided at the output 31 of the voltage supply device 30 for the switching device 10 and its components, such as the control and evaluation device 70.
  • the voltage supply device 30 also supplies the necessary switching energy for controlling the mechanical switching contacts 82 and 91.
  • the voltage supply device 30 supplies in particular a switching energy for the excitation coil 85 in order to be able to control the mechanical switching contacts 82 and 91 accordingly. If the supply voltage of the switching device 10 is derived from the DC voltage applied to the power supply terminals 11 and 12 obtained, the voltage supply device 30 is connected on the input side to the power supply terminals 11 and 12.
  • an electrical energy storage device 40 for example in the form of a capacitor, can be connected to the output 31 of the voltage supply device 30.
  • the output of the energy storage device 40 is connected, for example, to a supply connection 78 of the control and evaluation device 70.
  • a detection device 50 can be provided that can detect in particular the failure of the power supply device 120 or a drop in the voltage supplied by the power supply device 120 below a predetermined threshold value.
  • the detection device 50 can be implemented, for example, by a comparator that can be designed as a Schmitt trigger or, in the simplest case, as an AND gate, the first input of which is connected to the output 31 of the voltage supply device 30, while the second input of the detection device 50 can be electrically connected to an input connection 15 of the switching device 10.
  • An external, preferably binary control signal can be applied to the input connection 15, which is supplied, for example, by a higher-level control device.
  • the control signal preferably serves as a reference value with a predetermined threshold value.
  • the output of the detection device 50 is connected to a digital input 71 of the control and evaluation device 70.
  • the detection device 50 signals to the control and evaluation device 70 that the energy supply device 120 is fault-free.
  • the Detection device 50 can also be an integral part of the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 has two corresponding inputs which are electrically connected to the output 31 of the voltage supply device and the input connection 15.
  • a control signal with a high level is present at the detection device 50 and the output voltage present at the output 31 of the voltage supply device 30, which is also present at the detection device 50, falls below a predetermined threshold value that corresponds to a low level
  • the detection device 50 generates a signal with a low level at its output, for example, which signals a faulty energy supply device 120 to the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 triggers a preferably predetermined switch-off process.
  • the energy stored in the energy storage device 40 is sufficient to carry out the switch-off process for disconnecting the electrical load 110 from the energy supply device 20 by means of the control and evaluation device 70.
  • the predetermined threshold value from which the detection device 50 detects a low level at the input depends in particular on its implementation and dimensioning.
  • a memory device 60 can be implemented in the switching device 10.
  • the memory device 60 can be electrically connected to the control and evaluation device 70 as a separate memory module.
  • the memory device 60 can alternatively also be an integrated component of the control and evaluation device 70.
  • a predetermined current value can be stored in the memory device 60, which corresponds to the nominal current of the electrical fuse 140, from which, for example, a short-circuit current can be derived, when this occurs the semiconductor switch 90 must be switched to electrical conduction.
  • a further predetermined current value can be stored in the memory device 60, which corresponds to the nominal current of the semiconductor switch 81.
  • a further mechanical switching contact can be connected in the current path 18 and/or the current measuring path 19.
  • a further mechanical switching contact 131 is connected in the current path 18 and a mechanical switching contact 132 is connected in the second current path 19.
  • the two mechanical switching contacts 131 and 132 can, for example, be positively guided switching contacts of a single electromechanical switch 130, which in a manner known per se has an excitation coil 133 located in a control circuit.
  • the two mechanical switching contacts 131 and 132 can also each be integrated in a separate electromechanical switch.
  • the mechanical switching contacts 131 and 132 serve in particular for the galvanic isolation of the electrical load 110.
  • the two mechanical switching contacts 131 and 132 and also the mechanical switching contact 82 are each designed as normally open contacts.
  • the control and evaluation device 70 can have a further output 75, via which, for example, the switching energy for the excitation coil 133 can be supplied from the energy storage device 40.
  • the switching device 10 is to carry out a switch-on process in which the electrical load 110 is electrically connected to the DC voltage supply device 20.
  • control and evaluation device 70 ensures that the semiconductor switches 81 and 90 are electrically blocked and the mechanical switching contacts 82, 91, 131 and 132 assume the switching state shown in Figure 1. This can also be seen in part in Figures 2C to 2F.
  • the control and evaluation device 70 achieves this preferably in that the excitation coils 85 and 133 are not energized, ie are not connected to the voltage supply device 30 or the energy storage device 40.
  • a switch-on process is preferably initiated by applying a supply voltage to the power supply connections 13 and 14 at time tO using the DC voltage source 120, as shown in Figure 2A. If the switching device 10 optionally also wants to monitor the supply voltage applied to the power supply connections 13 and 14, a high level can also be applied to the input connection 15 as a control signal at time tO, as shown in Figure 2B.
  • the control signal is preferably monitored by the detection device 50.
  • the control and evaluation device 70 causes the mechanical switching contacts 131 and 132 to be closed by energizing the excitation coil 133 using the voltage supply device 30 or the energy storage device 40. At this moment, the electrical potential of the conductor 21 is applied to the output connection 17 via the current path 19.
  • the energy storage device 40 is now charged via the voltage supply device 30 and the detection device 50, which is designed, for example, as an AND gate, supplies a high level to the input 71 of the control and evaluation device 70, which signals to the control and evaluation device 70 that the supply voltage UB is properly present at the inputs 13 and 14 and the control signal is present at the input connection 15.
  • the detection device 50 which is designed, for example, as an AND gate
  • the control and evaluation device 70 causes the switching device 10 to control the semiconductor switch 90 to be electrically conductive at a time t1, as shown in Figure 2C, while the semiconductor switch 81 is blocked or is controlled or kept in a blocking manner by the control and evaluation device 70.
  • a first time period t1-t0 can be stored in the data memory 60, which indicates when the semiconductor switch 90 is switched on after the control signal has been applied to the Input connection 15 is to be switched to electrically conductive.
  • the control and evaluation device 70 can have a timer for this purpose, which is triggered by the application of the control signal to the input connection 15, wherein the control and evaluation device 70 switches the semiconductor switch 90 to electrically conductive after the first time period has elapsed. At this moment, the electrical potential of the conductor 22 is applied to the output connection 16 via the semiconductor switch 90 and the pre-charging resistor 92, so that a pre-charging current can flow via the semiconductor switch 90 and the pre-charging resistor 92 through the load 110 and the current path 19. It should be noted that the timer (not shown) can also be designed as a separate component that is electrically connected to the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 causes the switching device 10 to switch the semiconductor switch 81 to conduct and the semiconductor switch 90 to block.
  • a second time period t2-tl can be stored in the data memory 60, which indicates when the semiconductor switch 81 is to be switched to conduct and the semiconductor switch 90 to block.
  • the timer is triggered at the time tl at which the semiconductor switch 90 is switched to electrical conduction, with the control and evaluation device 70 switching the semiconductor switch 81 to conduct and the semiconductor switch 90 to block after the second time period has elapsed.
  • the time t2 at which the control and evaluation device 70 ensures that the semiconductor switch 81 is switched to electrically conductive and the semiconductor switch 90 is switched to electrically blocking can also be determined with the aid of the current sensor 100.
  • the current value that triggers the corresponding control process can be determined, for example, by the nominal current of the semiconductor switch 81 or the nominal current of the fuse 140.
  • This predetermined current value can in turn be stored in the storage device 60.
  • the control and evaluation device 70 responds to this and causes the switching device 10 to switch the semiconductor switch 81 to conductive and the Semiconductor switch 90 is to be switched electrically blocking.
  • the current value which determines the time t2 is to be dimensioned such that the semiconductor switch 81 and the fuse 140 cannot be overloaded at the time of switching on.
  • the corresponding switching states of the semiconductor switches 81 and 90 are shown as examples in Figures 2C and 2D at the time t2.
  • the control and evaluation device 70 causes the switching device 10 to close the mechanical switching contact 82 in order to relieve the load on the semiconductor switch 81 in a manner known per se. This can in particular reduce the power loss in the switching device 10, whereby a larger proportion of energy can be made available to the electrical load 110.
  • the mechanical switching contact 91 acting as a changeover contact is switched so that the emitter connection of the semiconductor switch 90 is now electrically connected to the current path 19 and thus to the output connection 17.
  • the time period t3-t2 can in turn be stored as a predetermined time value in the data memory 60.
  • the control and evaluation device 70 is designed to access the values stored in the memory device 60 and use them accordingly.
  • the timer is started at time t2, at which the semiconductor switch 81 is switched to electrical conduction, wherein after the expiration of the predetermined time period t3-t2, i.e. at time t3, the control and evaluation device 70 ensures that the mechanical switching contact 82 is closed and the mechanical switching contact 91 is electrically connected to the current path 19.
  • this can be done by the control and evaluation device 70 ensuring that the excitation coil 85 is energized via the energy storage device 40, whereby the two mechanical switching contacts 82 and 91 are switched.
  • the switch-on process is now complete and the switching device 10 connects the electrical load 110 to the DC voltage supply network 20 during proper operation.
  • the control and evaluation device 70 is preferably designed to monitor the switching device for a short-circuit current after completion of the proper switch-on process with the aid of the current measuring device 100 in order to take appropriate safety precautions if a short-circuit current has been measured by the current measuring device 100. Accordingly, a current value that signals a short circuit can be stored in the memory device 60.
  • the current measuring device 100 measures a current, for example in the current path 18, the value of which signals a short circuit to the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 causes the switching device 10 to switch the semiconductor switch 90 electrically conductive again. Since the mechanical switching contact 91 is still electrically connected to the current path 19, the two conductors 21 and 22 of the DC voltage supply device 20 are short-circuited at this moment and the electrical load 110 is thus protected from damage.
  • a short circuit that occurs can be kept away from the electrical load at any time during operation of the switching device 10. This is achieved in particular by the fact that, when a short circuit occurs, a current commutation takes place from the current path 18 via the semiconductor switch 90 and the mechanical switching contact 91 to the current path 19.
  • the semiconductor switch 81 does not have to be kept in the electrically conductive state. Rather, it can be switched to the electrically blocking state at any time by the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 is further designed to carry out a known switching-off process in order to electrically separate the electrical load 110 from the DC voltage power supply device 20.
  • the control and evaluation device 17 can switch the semiconductor switch 81, if it has been controlled into the electrically blocking state during operation, back into the electrically conductive state and then, according to the exemplary implementation, transfer the excitation coils 85 and 133 into the de-energized state so that the mechanical switching contacts 82 and, if present, the mechanical switching contacts 131 and 132 open, wherein, according to the exemplary embodiment, the pre-charging resistor 92 is then electrically connected to the collector of the semiconductor switch 90.
  • the mechanical switching contacts 131 and 132 are advantageously only opened when the switching device 10 is in de-energized operation, ie at the earliest from time t6, in order to prevent damage to the switching contacts 131 and 132 as a result of arcing.
  • the switching device 10 is preferably designed to monitor the supply voltage required to supply the switching device 10 during operation and, if necessary, to carry out a switch-off process.
  • the control signal is still present at the input 15 and that during proper operation at time t4 the energy supply device 120 fails or the supply voltage UB supplied by the energy supply device 120 drops at the energy supply terminals 13 and 14. This is shown in Figure 2A. If, in response to this, the voltage present at the output 31 of the voltage supply device 30 drops to zero or below the predetermined threshold value, which is defined by the high level of the control signal present at the input terminal 15, this voltage drop is detected by the detection device 50 and reported to the control and evaluation device 70.
  • the detection device 50 which is designed as a Schmitt trigger, for example, can signal a corresponding voltage drop below the predetermined threshold value by an output-side level change of the control and evaluation device 70.
  • the predetermined threshold value is determined in particular by the implementation and dimensioning of the detection device 50. In particular, the predetermined threshold value determines when the detection device 50 detects a low level at its corresponding input.
  • the control and evaluation device 70 causes the switching device 10 to carry out a switch-off process using the energy stored in the energy storage device 40, which can correspond to the previously described switch-off process in normal operation.
  • the exemplary switch-off process is shown in Figures 2A to 2F.
  • the power supply device 20 can be monitored by the switching device 10 for proper operation if the internal power supply of the switching device 20 is obtained from the direct voltage provided by the power supply device 20 at the terminals 11 and 12.
  • the power supply terminals 11 and 12 are connected to the power supply terminals 13 and 14 or the inputs of the voltage supply device 30. In this case, no power supply device is connected to the power supply voltage terminals 13 and 14.
  • the control signal is still present at the input 15 and that during proper operation the energy supply device 20 fails at time t4 or the supply voltage UB supplied by the energy supply device 20 drops at the energy supply connections 11 and 12. If, in response to this, the voltage present at the output 31 of the voltage supply device 30 drops to zero or below the predetermined threshold value, this voltage drop is detected by the detection device 50 and reported to the control and evaluation device 70. For example, in this case the detection device 50 generates a low level at its output, which signals to the control and evaluation device 70 that the energy supply device 20 is faulty.
  • the detection device 50 which is designed as a Schmitt trigger, for example, can signal a corresponding voltage drop by a level change on the output side of the control and evaluation device 70.
  • the predetermined threshold value is determined in particular by the implementation and dimensioning of the detection device 50. In particular, the predetermined threshold value determines when the detection device 50 detects a low level at its corresponding input. In response to the failure of the power supply voltage at the power supply connections 11 and 12 or in response to a corresponding voltage drop at the output 31 of the power supply device 30, the control and evaluation device 70 causes the switching device 10 to carry out a switch-off process using the energy stored in the energy storage device 40, which can correspond to the previously described switch-off process in proper operation.
  • the switching off process can be carried out by the switching device 10 without disruption in particular because the electrical energy storage device 40 supplies the necessary energy to supply the control and evaluation device 70 as well as the corresponding semiconductor switches and electromechanical switches with energy if the device supply of the switching device 10 via the DC voltage supply device 20 connected to the first and second energy supply connection 11, 12 or via the energy supply device 120 connected to the third and fourth energy supply connection 13, 14 collapses or fails completely.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät (10) zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) verbindbaren elektrischen Last (110). Das Schaltgerät (10) weist einen ersten Strompfad (18), in den eine Parallelschaltung (150) aus einem ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (81) und einem ersten mechanischen Schaltkontakt (82) geschaltet ist, einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (90), der in Reihe mit einem zweiten mechanischen Schaltkontakt (91), der als Wechselkontakt ausgebildet ist, einen zweiten Strompfad (19), eine Strommesseinrichtung (100) und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) auf. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) ist dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Schaltgeräts (10) mittels des zweiten Halbleiterschalters (90) und des zweiten mechanischen Schaltkontakts (91) den ersten Strompfad (18) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (19) zu verbinden, wenn von der Strommesseinrichtung (100) ein Kurzschlussstrom erfasst wird.

Description

Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last.
Schaltgeräte weisen unter anderem hybride Ausgangsstufen auf, die eine Parallelschaltung aus einem elektromechanischen und elektronischen Schalter, das sind insbesondere Halbleiterschalter; enthalten können. Mittels der hybriden Ausgangsstufe kann eine an das Schaltgerät anschaltbare elektrische Last mit einer externen Energieversorgungseinrichtung elektrisch verbunden oder von dieser elektrisch getrennt werden, wodurch die elektrische Last ein - bzw. ausgeschaltet werden kann. Ein solches Schaltgerät ist beispielsweise aus der WO 2014/032718 Al bekannt.
Bei Schaltgeräten mit hybriden Ausgangsstufen besteht unter anderem ein Problem darin, dass bei einem auftretenden Kurzschluss insbesondere das Schaltgerät und/oder die angeschlossene elektrische Last zerstört wird bzw. ein ordnungsgemäßer Betrieb nicht mehr möglich ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die elektrische Last über ein solches Schaltgerät mit einer Gleichspannungsversorgungseinrichtung, beispielsweise einem DC-Netz verbunden ist.
Der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last zu schaffen, welches das Schaltgerät während des laufenden Betriebs vor einem Kurzschluss schützen kann.
Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Schaltgerät mit einer hybriden Ausgangsstufe zu schaffen, welches über eine Kurzschlussfünktionalität verfügt. Das Schaltgerät kann zum Beispiel einen ersten Strompfad, in den eine Parallelschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter und einem ersten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt geschaltet ist, einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter, der in Reihe mit einem zweiten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt, der als Wechselkontakt ausgebildet ist, einen zweiten Strompfad, eine Strommesseinrichtung und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung aufweisen. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Schaltgeräts mittels des zweiten Halbleiterschalters und des zweiten mechanischen Schaltkontakts den ersten Strompfad elektrisch mit dem zweiten Strompfad zu verbinden, wenn von der Strommesseinrichtung ein Kurzschlussstrom erfasst wird. Das Schaltgerät kann auf diese Weise insbesondere vor einem Kurzschluss geschützt werden, der an oder in einer angeschlossenen elektrischen Last oder in einer Leitung zur elektrischen Last auftritt. Ein solches Schaltgerät kann auch als kurzschlussfestes Schaltgerät bezeichnet werden.
Das oben genannte technische Problem wird insbesondere durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist ein Schaltgerät insbesondere zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last vorgesehen, welches folgende Merkmale aufweisen kann.
- einen ersten und einen zweiten Energieversorgungsanschluss, an welche eine Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung anschließbar ist, die insbesondere eine Versorgungsspannung für eine elektrische Last bereitstellen kann,
- einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss, an welche eine elektrische Last anschließbar ist,
- einen ersten Strompfad, der elektrisch mit dem ersten Energieversorgungsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss verbunden ist, wobei der erste Strompfad eine Parallelschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter und einem ersten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt aufweist,
- einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter, der in Reihe mit einem zweiten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt, der als Wechselkontakt ausgebildet ist, geschaltet ist, - einen elektrischen Voriadewiderstand, der mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts in Reihe mit dem zweiten Halbleiterschalter und zusammen mit dem zweiten Halbleiterschalter parallel zur Parallelschaltung schaltbar ist,
- einen zweiten Strompfad, der elektrisch mit dem zweiten
Energieversorgungsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist, wobei der zweite Halbleiterschalter über den zweiten mechanischen Schaltkontakt elektrisch mit dem zweiten Strompfad verbindbar ist,
- eine in den ersten oder zweiten Strompfad geschaltete Strommesseinrichtung,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit einem Ausgang der Strommesseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, insbesondere während eines Einschaltvorgangs i) den ersten Halbleiterschalter elektrisch sperrend und den zweiten Halbleiterschalter elektrisch leitend zu schalten, wobei der erste mechanische Schaltkontakt geöffnet und der zweite Halbleiterschalter mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts elektrisch mit dem Vorladewi der stand in Reihe geschaltet ist, ii) anschließend den ersten Halbleiterschalter leitend zu schalten und den zweiten Halbleiterschalter elektrisch sperrend zu schalten, und iii) anschließend den ersten mechanischen Schaltkontakt zu schließen und den zweiten Halbleiterschalter mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts mit dem zweiten Strompfad zu verbinden, wobei der zweite Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt und der dritte Zeitpunkt nach dem zweiten Zeitpunkt liegt, und iv) anschließend den zweiten Halbleiterschalter wieder elektrisch leitend zu schalten, wenn der von der Strommesseinrichtung gemessene Strom einen ersten vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet. Der erste vorbestimmte Stromwert ist insbesondere derart festgelegt, dass er einem Kurzschlussstrom entspricht.
Mit anderen Worten: Die Steuer- und Auswerteeinrichtung führt die Schritte i) bis iv) zeitlich nacheinander aus. Vorteilhafterweise kann die Steuer- Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, in Schritt i) gleichzeitig den ersten Halbleiterschalter elektrisch sperrend und den zweiten Halbleiterschalter elektrisch leitend zu schalten, oder den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten, nachdem sie den ersten Halbleiterschalter sperrend geschaltet hat.
Vorzugsweise sind der erste und zweite mechanische Schaltkontakt als zwangsgeführte Kontakte eines elektromechanischen Schalters ausgebildet. Der elektromechanische Schalter kann zum Beispiel als Relais ausgebildet sein. Die beiden mechanischen Schaltkontakte können alternativ auch jeweils in einem separaten elektromechanischen Schalter angeordnet sein.
Zweckmäßigerweise kann die Strommesseinrichtung einen Stromsensor aufweisen.
In vorteilhafterweise kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, in Schritt ii) den ersten Halbleiterschalter leitend zu schalten und den zweiten Halbleiterschalter elektrisch sperrend zu schalten, wenn der von der Strommesseinrichtung gemessene Strom einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht oder innerhalb eines bezüglich des zweiten vorbestimmten Wertes festgelegten Toleranzbereichs liegt, wobei der zweite vorbestimmte Stromwert niedriger als der erste vorbestimmte Stromwert ist. Der zweite vorbestimmte Stromwert ist vorzugsweise derart festgelegt, dass er beispielsweise dem Nennstrom des ersten Halbleiterschalters entspricht.
Alternativ kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, Schritt ii) nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, die in Schritt i) gestartet wird, auszuführen. In beiden Fällen ist sichergestellt, dass Schritt ii) erst dann ausgeführt wird, wenn der im ersten Strompfad fließende Strom den ersten Halbleiterschalter nicht mehr beschädigen kann.
Um bei einem Ausfall oder unerwünschten Abfall der Versorgungsspannung des Schaltgeräts die elektrische Last von der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung trennen zu können, kann das Schaltgerät beispielsweise eine Erfassungseinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher, der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, und eine mit dem ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss verbundene Spannungsversorgungseinrichtung, die mit dem elektrischen Energiespeicher und der Erfassungseinrichtung elektrisch verbunden ist, aufweisen, wobei die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Aus schal tvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss anschließbaren elektrischen Last durchzuführen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Schaltgerät einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss, an die eine Energieversorgungseinrichtung zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät anschließbar ist, eine Erfassungseinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher, der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, und eine mit dem dritten und vierten Energieversorgungsanschluss verbundene Spannungsversorgungseinrichtung, die mit dem elektrischen Energiespeicher und der Erfassungseinrichtung elektrisch verbunden ist, aufweisen, wobei die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Aus schal tvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss anschließbaren elektrischen Last durchzuführen.
Die Spannungsversorgungseinrichtung kann eine Einrichtung zur Spannungsaufbereitung, beispielsweise einen Spannungswandler und/oder Spannungsregler, und gegebenenfalls einen Verpolschutz aufweisen. Die Erfassungseinrichtung kann zum Beispiel eine Vergleichseinrichtung aufweisen, die als Komparator zum Beispiel in Form eines Schmitt-Triggers ausgebildet sein kann.
Vorteilhafterweise kann das Schaltgerät einen Eingangsanschluss aufweisen, der zum Anlegen eines Steuersignals ausgebildet ist, wobei die Erfassungseinrichtung eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss und einem Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung verbunden ist. Das Steuersignal kann von einer übergeordneten Steuereinrichtung dem Eingangsanschluss zugeführt werden und wird von dem Schaltgerät bzw. von der Steuer- und Auswerteeinrichtung überwacht.
Zur galvanischen Trennung kann in den ersten und/oder zweiten Strompfad ein weiterer mechanischer Schaltkontakt wenigstens eines elektromechanischen Schalters geschaltet sein.
Vorteilhafterweise kann der erste und/oder zweite Halbleiterschalter als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (auch IGBT genannt) oder als Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (auch als MOSFET bekannt) ausgebildet sein.
Das Schaltgerät kann zum Beispiel eine Speichereinrichtung aufweisen, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung elektrisch verbunden ist. In der Speichereinrichtung können der ersten und/oder zweite vorbestimmte Stromwert und/oder der bezüglich des zweiten vorbestimmten Stromwertes festgelegte Toleranzbereich gespeichert sein. Die Speichereinrichtung kann auch integraler Bestandteil der Steuer- und Auswerteeinrichtung sein.
Zweckmäßigerweise kann dem ersten Strompfad oder dem zweiten Strompfad eine elektrische Sicherung zugeordnet ist. Die Sicherung kann extern an den ersten oder zweiten Energieversorgungsanschluss angeschaltet oder intern im Schaltgerät angeordnet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen: Figur 1 ein beispielhaftes Schaltgerät, in welchem die Erfindung verwirklicht ist, und
Figur 2A den zeitlichen Verlauf einer Eingangsspannung UB;
Figur 2B den zeitlichen Verlauf eines Steuersignals,
Figur 2C den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des zweiten in Figur 1 gezeigten Halbleiterschalters,
Figur 2D den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des ersten in Figur 1 gezeigten Halbleiterschalters,
Figur 2E den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des ersten in Figur 1 gezeigte mechanischen Schalters,
Figur 2F den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des zweiten in Figur 1 gezeigte mechanischen Schalters.
Figur 1 zeigt die Prinzipschaltung eines beispielhaften Schaltgeräts 10, mit dem eine elektrische Last 110 elektrisch ein- und ausgeschaltet bzw. elektrisch mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 verbunden oder von dieser getrennt werden kann. Hierzu weist das Schaltgerät 10 einen ersten Ausgangsanschluss 16 und einen zweiten Ausgangsanschluss 17 auf, an welche die elektrische Last 110 anschaltbar ist. Ferner weist das Schaltgerät 10 einen ersten Energieversorgungsanschluss 11 und einen zweiten Energieversorgungsanschluss 12 auf, an den die Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 anschließbar ist. Die Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, eine Gleichspannung an die beiden Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 anzulegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 als DC- Versorgungsnetz ausgebildet. Die Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 weist einen ersten Leiter 21, über den ein erstes elektrisches Potential, z.B. ein negatives elektrisches Potenzial an den Energieversorgungsanschluss 11 angelegt werden kann, und einen zweiten Leiter 22 auf, über den ein zweites elektrisches Potential, z.B. ein positives elektrisches Potenzial an den Energieversorgungsanschluss 12 angelegt werden kann. Weiterhin weist der Schaltgerät 10 einen ersten Strompfad 18 auf, der elektrisch beispielsweise mit dem ersten Energieversorgungsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 16 verbunden ist. In dem ersten Strompfad 18 ist eine Parallelschaltung 150 angeordnet, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter 81 und einen ersten ansteuerbaren mechanischen Schaltkontakt 82 aufweisen kann. Der Halbleiterschalter 81 kann als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ausgebildet sein. Ein solcher Transistor wird auch als IGBT-Transistor bezeichnet. Der parallel zu dem Halbleiterschalter 81 liegende mechanische Schaltkontakt 82 gehört vorzugsweise zu einem elektromechanischen Schalter 80, der beispielsweise als Relais ausgebildet ist. Der elektromechanische Schalter 80 weist in an sich bekannter Weise eine in einem Steuerstromkreis liegende Erregerspule 85 auf, die mit einem Ausgang 76 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden sein kann. Der mechanische Schaltkontakt 82 bildet einen Bypass für den Halbleiterschalter 81. Wie in Figur 1 gezeigt, kann bei einer vorteilhaften Implementierung eine Halbleiterdiode 86 parallel zu dem Halbleiterschalter 81 geschaltet sein, die einen Stromrückfluss vom Ausgangsanschluss 16 zum Energieversorgungsanschluss 11 ermöglicht.
Der Halbleiterschalter 81 kann zum Beispiel als normal leitender n-Kanal-Transistor ausgebildet sein, dessen Gate- Anschluss mit einem Ausgang 74 einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden ist. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein. Der Kollektor des Halbleiterschalters 81 ist bei der beispielhaften Implementierung mit dem Energieversorgungsanschluss 11 verbunden, während der Emitter- Anschluss des Halbleiterschalters 81 mit dem Ausgangsanschluss 16 verbunden ist.
Weiterhin ist ein zweiter ansteuerbarer Halbleiterschalter 90 vorgesehen, der ebenfalls beispielsweise als normal leitender n-Kanal-Transistor ausgebildet sein kann und einen sogenannten IGBT-Transistor bildet. Im vorliegenden Beispiel ist der Gate- Anschluss des Halbleiterschalters 90 ebenfalls mit einem Ausgang 73 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden, während der Kollektoranschluss mit dem Energieversorgungsanschluss 11 und der Emitteranschluss elektrisch mit dem Ausgangsanschluss 16 bzw. einem zweiten Strompfad 19 verbindbar ist. Ähnlich dem Halbleiterschalter 81 kann der Halbleiterschalter 98 eine parallel zum Kollektor und Emitter geschaltete Halbleiterdiode 96 aufweisen, die ermöglicht, dass ein Rückstrom von der Last 110 zum Energieversorgungsanschluss 11 fließen kann. Der Halbleiterschalter 90 ist in Reihe mit einem zweiten mechanischen Schaltkontakt 91 geschaltet, der als Wechselkontakt ausgebildet ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden mechanischen Schaltkontakte 82 und 91 Bestandteil des elektromechanischen Schalters 80. Vorteilhafterweise sind sie zwangsgeführt ausgebildet. Denkbar ist, dass die beiden mechanischen Schaltkontakte 82 und 91 jeweils zu einem separaten elektromechanischen Schalter gehören, die über die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ansteuerbar sind.
Um die beim Einschalten einer kapazitiven Last fließenden Ströme zu begrenzen, ist ein geeignet dimensionierter elektrischer Vorladewi der stand 92 vorgesehen, der mittels des mechanischen Schaltkontakts 91 in Reihe mit dem Halbleiterschalter 90 schaltbar ist. In diesem Schaltzustand sind der in Reihe zum elektrischen Vorladewiderstand 92 geschaltete zweite Halbleiterschalter 90 dann parallel zur Parallelschaltung 150 geschaltet.
Ferner weist das Schaltgerät 10 den zweiten Strompfad 19 auf, der elektrisch mit dem zweiten Energieversorgungsanschluss 12 und dem zweiten Ausgangsanschluss 17 verbunden ist. Gemäß einer vorteilhaften Implementierung ist der Halbleiterschalter 90 über den mechanischen Schaltkontakt 91 elektrisch mit dem zweiten Strompfad 19 verbindbar.
Um insbesondere einen Kurzschlussstrom erfassen zu können, ist eine Strommesseinrichtung 100 entweder in den ersten Strompfad 18 oder in den zweiten Strompfad 19 geschaltet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Strommesseinrichtung 100 in den ersten Strompfad 18 geschaltet, und zwar zwischen die Parallelschaltung 150 und den Ausgangsanschluss 16. Die Strommesseinrichtung 100 kann in an sich bekannter als Stromsensor ausgebildet sein. Ein Eingang 72 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist mit einem Ausgang der Strommesseinrichtung 100 verbunden. Wie weiter unten noch detaillierter erläutert wird, besteht eine Aufgabe der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 darin, gezielt die beiden Halbleiterschalter 81 und 90 entweder in einen sperrenden oder in einen elektrisch leitenden Zustand zu versetzen und ferner den mechanischen Schaltkontakt 82 in vorbestimmter Weise zu schließen oder zu öffnen und den mechanischen Schaltkontakt 91 in gezielter Weise mit dem Vorladewiderstand 92 oder dem zweiten Strompfad 19 zu verbinden.
Wie in Figur 1 weiter zu sehen, kann eine elektrische Sicherung 140 vorgesehen sein, die beispielsweise extern zwischen den Leiter 22 und den Versorgungsanschluss 11 als externe Sicherung anschließbar ist. Denkbar ist allerdings auch, dass die Sicherung als geräteinternes Bauelement in den ersten Strompfad 18 oder zweiten Strompfad 19 geschaltet ist.
Die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 kann beispielsweise aus der an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 angelegten Gleichspannung gewonnen werden. Alternativ, und wie dies in Figur 1 dargestellt ist, kann die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 auch über eine separate externe Energieversorgungseinrichtung 120 bereitgestellt werden, die beispielsweise über einen Schalter 13 an einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss 13 und 14 des Schaltgerätes 10 anschließbar ist. Die Energieversorgungseinrichtung 120 liefert beispielsweise eine Gleichspannung LTB von beispielsweise 24 V. Die an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bereitgestellte Versorgungsspannung kann einer internen Spannungsversorgungseinrichtung 30 zugeführt, die eingangsseitig an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 angeschlossen ist. Die Spannungsversorgungseinrichtung 30 kann beispielsweise einen Spannungswandler und einen Spannungsregler aufweisen, die dafür sorgen, dass am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 eine vorbestimmte Betriebsspannung für das Schaltgerät 10 und seine Komponenten, wie zum Beispiel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70, bereitgestellt wird. Darüber hinaus liefert die Spannungsversorgungseinrichtung 30 auch die notwendige Schaltenergie zum Ansteuem der mechanischen Schaltkontakte 82 und 91. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liefert die Spannungsversorgungseinrichtung 30 insbesondere eine Schaltenergie für die Erregerspule 85, um die mechanischen Schaltkontakte 82 und 91 entsprechend ansteuem zu können. Wird die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 aus der an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 angelegten Gleichspannung gewonnen, so ist die Spannungsversorgungseinrichtung 30 eingangsseitig an die Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 angeschlossen.
Um auch bei einem Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 120 oder alternativ der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 das Schaltgerät 10 temporär betriebsbereit zu halten und insbesondere einen gezielten Ausschaltvorgang der elektrischen Last 110 durchführen zu können, kann am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 ein elektrischer Energiespeicher 40 beispielsweise in Form eines Kondensators angeschlossen sein. Bei dieser beispielhaften Implementierung ist der Ausgang des Energiespeichers 40 beispielsweise mit einem Versorgungsanschluss 78 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden.
Um die Funktionsfähigkeit der an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 anschaltbaren Energieversorgungseinrichtung 120 überwachen zu können, kann eine Erfassungseinrichtung 50 vorgesehen sein, die insbesondere den Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 120 bzw. einen Abfall der von der Energieversorgungseinrichtung 120 gelieferten Spannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert erfassen kann. Die Erfassungseinrichtung 50 kann beispielsweise durch einen Komparator, der als Schmitt-Trigger oder im einfachsten Fall als UND-Gatter ausgebildet sein kann, realisiert sein, dessen erster Eingang mit dem Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 verbunden ist, während der zweite Eingang der Erfassungseinrichtung 50 mit einem Eingangsanschluss 15 des Schaltgeräts 10 elektrisch verbunden sein kann. An den Eingangsanschluss 15 kann ein externes, vorzugsweise binäres Steuersignal angelegt werden, welches beispielsweise von einer übergeordneten Steuereinrichtung geliefert wird. Das Steuersignal dient vorzugsweise als Referenzwert mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Der Ausgang der Erfassungseinrichtung 50 ist mit einem digitalen Eingang 71 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden. So lange am Eingangsanschluss 15 ein Steuersignal mit einem High-Pegel anliegt und die Energieversorgungseinrichtung 120 elektrisch mit den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 verbunden ist und ordnungsgemäß arbeitet, signalisiert die Erfassungseinrichtung 50 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerfreie Energieversorgungseinrichtung 120. Angemerkt sei, dass die Erfassungseinrichtung 50 auch integraler Bestandteil der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sein kann. In diesem Fall weist die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 zwei entsprechende Eingänge auf, die elektrisch mit dem Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung und dem Eingangsanschluss 15 verbunden sind.
Liegt beispielsweise an der Erfassungseinrichtung 50 ein Steuersignal mit einem High- Pegel an und fällt die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Ausgangsspannung, die ebenfalls an der Erfassungseinrichtung 50 anliegt, unter einen vorbestimmten Schwellenwert, der einem Low-Pegel entspricht, dann erzeugt die Erfassungseinrichtung 50 an ihrem Ausgang beispielsweise ein Signal mit einem Low-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerhafte Energieversorgungseinrichtung 120 signalisiert. Unter Ansprechen hierauf löst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen vorzugsweise vorbestimmten Ausschaltvorgang aus. Die im Energiespeicher 40 gespeicherte Energie reicht aus, um mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 den Ausschaltvorgang zum Trennen der elektrischen Last 110 von der Energieversorgungseinrichtung 20 durchzuführen. Der vorbestimmte Schwellenwert, ab dem die Erfassungseinrichtung 50 am Eingang einen Low-Pegel detektiert, hängt insbesondere von deren Implementierung und Dimensionierung ab.
Ferner kann eine Speichereinrichtung 60 im Schaltgerät 10 implementiert sein. Die Speichereinrichtung 60 kann als separater Speicherbausteinen elektrisch mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden sein. Die Speichereinrichtung 60 kann alternativ auch eine integrierte Komponente der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sein. In der Speichereinrichtungen 60 kann beispielsweise ein vorbestimmter Stromwert gespeichert sein, der dem Nennstrom der elektrischen Sicherung 140 entspricht, aus dem sich zum Beispiel ein Kurzschlussstrom ableiten lässt, bei dessen Auftreten der Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend geschaltet werden muss. Ferner kann in der Speichereinrichtung 60 ein weiterer vorbestimmter Stromwert gespeichert sein, der dem Nennstrom des Halbleiterschalters 81 entspricht. Optional kann in dem Strompfad 18 und/oder dem Strommesspfad 19 ein weiterer mechanischer Schaltkontakt geschaltet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein weiterer mechanischer Schaltkontakt 131 in den Strompfad 18 und ein mechanischer Schaltkontakt 132 in den zweiten Strompfad 19 geschaltet. Die beiden mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 können zum Beispiel zwangsgeführte Schaltkontakte eines einzigen elektromechanischen Schalters 130 sein, der in an sich bekannter Weise eine in einem Steuerstromkreis liegende Erregerspule 133 aufweist. Die beiden mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 können auch jeweils in einem separaten elektromechanischen Schalter integriert sein. Die mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 dienen insbesondere zur galvanischen Trennung der elektrischen Last 110. Bei der beispielhaften Implementierung sind die beiden mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 und auch der mechanische Schaltkontakt 82 jeweils als Schließer ausgebildet. Zur Ansteuerung der mechanischen Schalter 131 und 132 kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen weiteren Ausgang 75 aufweisen, über den beispielsweise die Schaltenergie für die Erregerspule 133 aus dem Energiespeicher 40 geliefert werden kann.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des beispielhaften Schaltgeräts 10 und insbesondere die Kurzschlussfunktion des Schaltgeräts 10 während des Betriebs, also im eingeschalteten Zustand, näher erläutert. Hierzu wird auch auf die Figuren 2A bis 2F Bezug genommen.
Zunächst sei angenommen, dass das Schaltgerät 10 einen Einschaltvorgang durchführen soll, bei dem die elektrische Last 110 elektrisch mit der Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 verbunden wird.
Ferner sei beispielhaft angenommen, dass zum Zeitpunkt tO die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass die Halbleiterschalter 81 und 90 elektrisch sperrend geschaltet sind und die mechanischen Schaltkontakte 82, 91, 131 und 132 den in der Figur 1 gezeigten Schaltzustand einnehmen. Dies ist teilweise auch in den Figuren 2C bis 2F zu sehen. Dies erreicht die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 vorzugsweise dadurch, dass die Erregerspulen 85 und 133 nicht bestromt werden, d.h. nicht mit der Spannungsversorgungseinrichtung 30 bzw. dem Energiespeicher 40 verbunden sind.
Ein Einschaltvorgang wird vorzugsweise dadurch eingeleitet, dass zum Zeitpunkt tO mittels der Gleichspannungsquelle 120 eine Versorgungsspannung an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 angelegt wird, wie dies in Figur 2A gezeigt ist. Soll optional vom Schaltgerät 10 auch die an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 anliegende Versorgungsspannung überwacht werden, kann ferner zum Zeitpunkt tO als Steuersignal ein High-Pegel an den Eingangsanschluss 15 angelegt werden, wie dies in Figur 2B gezeigt ist. Das Steuersignal wird vorzugsweise von Erfassungseinrichtung 50 überwacht. Zudem veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70, dass die mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 geschlossen werden, indem die Erregerspule 133 mittels der Spannungsversorgungseinrichtung 30 bzw. des Energiespeichers 40 bestromt wird. In diesem Moment liegt das elektrische Potenzial des Leiters 21 über den Strompfad 19 am Ausgangsanschluss 17 an.
Nunmehr wird über die Spannungsversorgungseinrichtung 30 der Energiespeicher 40 aufgeladen und die beispielsweise als UND-Gatter ausgebildete Erfassungseinrichtung 50 liefert an den Eingang 71 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen High-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisiert, dass an den Eingängen 13 und 14 ordnungsgemäß die Versorgungsspannung UB und am Eingangsanschluss 15 das Steuersignal anliegt.
Um die elektrische Last 110 vorladen zu können, veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10 zu einem Zeitpunkt tl, den Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend zu steuern, wie dies in Figur 2C dargestellt ist, während der Halbleiterschalter 81 sperrt bzw. von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sperrend gesteuert bzw. gehalten wird . Angemerkt sei, dass je nach Implementierung im Datenspeicher 60 eine erste Zeitdauer tl-tO gespeichert sein kann, die angibt, wann der Halbleiterschalter 90 nach dem Anlegen des Steuersignals an den Eingangsanschluss 15 elektrisch leitend zu schalten ist. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 kann hierzu einen Timer aufweisen, der durch das Anlegen des Steuersignals an den Eingangsanschluss 15 getriggert wird, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 nach Ablauf der ersten Zeitdauer den Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend schaltet. In diesem Moment liegt das elektrische Potenzial des Leiters 22 über den Halbleiterschalter 90 und den Vorladewiderstand 92 am Ausgangsanschluss 16 an, sodass ein Vorladestrom über den Halbleiterschalter 90 und den Vorladewiderstand 92 durch die Last 110 und den Strompfad 19 fließen kann. Angemerkt sei, dass der Timer (nicht dargestellt) auch als separate Komponente, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 elektrisch verbunden ist, ausgebildet sein kann.
Zu einem späteren Zeitpunkt t2 veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, den Halbleiterschalter 81 leitend zu schalten und den Halbleiterschalter 90 sperrend zu schalten. Je nach Implementierung kann im Datenspeicher 60 eine zweite Zeitdauer t2-tl gespeichert sein, die angibt, wann der Halbleiterschalter 81 leitend und der Halbleiterschalter 90 sperrend zu schalten ist. Beispielsweise wird der Timer der zum Zeitpunkt tl, zu dem der Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend geschaltet wird, getriggert, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 nach Ablauf der zweiten Zeitdauer den Halbleiterschalter 81 leitend schaltet und den Halbleiterschalter 90 sperrend schaltet.
Der Zeitpunkt t2, zu dem die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass der Halbleiterschalter 81 elektrisch leitend und der Halbleiterschalter 90 elektrisch sperrend geschaltet wird, kann auch mit Hilfe des Stromsensors 100 ermittelt werden. Der Stromwert, der den entsprechenden Steuervorgang auslöst, kann beispielsweise durch den Nennstrom des Halbleiterschalters 81 oder den Nennstroms der Sicherung 140 festgelegt werden. Dieser vorbestimmte Stromwert kann wiederum in der Speichereinrichtung 60 hinterlegt sein. Sobald die Strommesseinrichtung 100 einen Strom misst, der dem gespeicherten vorbestimmten Stromwert entspricht, d. h. diesen erreicht oder bezüglich dieses Stromwerts innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt, spricht die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 hierauf an und veranlasst das Schaltgerät 10, den Halbleiterschalter 81 leitend und den Halbleiterschalter 90 elektrisch sperrend zu schalten. Der Stromwert, der den Zeitpunkt t2 bestimmt ist so zu dimensionieren, dass keine Überlastung des Halbleiterschalters 81 und der Sicherung 140 im Einschaltzeitpunkt stattfinden kann. Die entsprechenden Schaltzustände der Halbleiterschalter 81 und 90 sind in den Figuren 2C und 2D zum Zeitpunkt t2 beispielhaft dargestellt.
Zu einem späteren Zeitpunkt t3 veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, den mechanischen Schaltkontakt 82 zu schließen, um den Halbleiterschalter 81 in an sich bekannter Weise zu entlasten. Hierdurch kann insbesondere die Verlustleistung im Schaltgerät 10 reduziert werden, wodurch der elektrischen Last 110 ein größerer Anteil an Energie zur Verfügung gestellt werden kann. Gleichzeitig, d. h. ebenfalls zum Zeitpunkt t3 wird der als Wechselkontakt fungierende mechanische Schaltkontakt 91 umgeschaltet, sodass nunmehr der Emitter- Anschluss des Halbleiterschalters 90 mit dem Strompfad 19 und somit mit dem Ausgangsanschluss 17 elektrisch verbunden wird. Die Zeitspanne t3-t2 kann wiederum als vorbestimmter Zeitwert in dem Datenspeicher 60 abgelegt werden. Der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist dazu ausgebildet, auf die in der Speichereinrichtung 60 gespeicherten Werte zuzugreifen und sie entsprechend zu verwenden.
Gemäß einer beispielhaften Implementierung wird der Timer bzw. Zeitgeber zum Zeitpunkt t2, zu dem der Halbleiterschalter 81 elektrisch leitend geschalten wird, gestartet, wobei nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer t3-t2, d. h. zum Zeitpunkt t3 die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass der mechanische Schaltkontakt 82 geschlossen und der mechanische Schaltkontakt 91 elektrisch mit dem Strompfad 19 verbunden wird. Dies kann gemäß der beispielhaften Implementierung dadurch erfolgen, dass die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass die Erregerspule 85 über den Energiespeicher 40 bestromt wird, wodurch die beiden mechanischen Schaltkontakte 82 und 91 umgeschaltet werden.
Nunmehr ist der Einschaltvorgang abgeschlossen und das Schaltgerät 10 verbindet im ordnungsgemäßen Betrieb die elektrische Last 110 mit dem Gleichspannungs- Versorgungsnetz 20. Die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, nach Beendigung des ordnungsgemäßen Einschaltvorgangs mit Hilfe der Strommesseinrichtung 100 das Schaltgerät auf einen Kurzschlussstrom zu überwachen, um, wenn ein Kurzschlussstrom von der Strommesseinrichtung 100 gemessen worden ist, entsprechende Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Demzufolge kann in der Speichereinrichtung 60 ein Stromwert hinterlegt sein, der einen Kurzschluss signalisiert.
Nunmehr sei angenommen, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt t3 die Strommesseinrichtung 100 einen Strom zum Beispiel im Strompfad 18 misst, dessen Wert der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen Kurzschluss signalisiert. Unter Ansprechen hierauf veranlasst die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, den Halbleiterschalter 90 wieder elektrisch leitend zu schalten. Da der mechanische Schaltkontakt 91 immer noch mit dem Strompfad 19 elektrisch verbunden ist, werden in diesem Moment die beiden Leiter 21 und 22 der Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 kurzgeschlossen und die elektrische Last 110 somit vor Beschädigungen geschützt.
Dank der besonderen Kurzschluss-Maßnahme kann jederzeit während des Betriebs des Schaltgeräts 10 ein auftretender Kurzschluss von der elektrischen Last femgehalten werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass bei einem auftretenden Kurzschluss eine Stromkommutierung vom Strompfad 18 über den Halbleiterschalter 90 und den mechanischen Schaltkontakt 91 auf den Strompfad 19 erfolgt.
Angemerkt sei, dass während des ordnungsgemäßen Betriebs der Halbleiterschalter 81 nicht im elektrisch leitenden Zustand gehalten werden muss. Viel mehr kann er zu einem beliebigen Zeitpunkt von der Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 in den elektrisch sperrenden Zustand geschaltet werden.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist ferner dazu ausgebildet, einen an sich bekannten Ausschaltvorgang durchzuführen, um die elektrische Last 110 elektrisch von der Gleichspannungs-Energieversorgungseinrichtung 20 zu trennen. Hierzu kann in an sich bekannter Weise die Steuer-und Auswerteeinrichtung 17 den Halbleiterschalter 81, sofern er während des Betriebs in den elektrisch sperrenden Zustand gesteuert worden ist, wieder in den elektrisch leitenden Zustand schalten und anschließend gemäß der beispielhaften Implementierung die Erregerspulen 85 und 133 in den unbestromten Zustand überführen, sodass die mechanischen Schaltkontakte 82 und, sofern vorhanden die mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 öffnen, wobei gemäß der beispielhaften Ausgestaltung der Vorladewi der stand 92 dann elektrisch mit dem Kollektor des Halbleiterschalters 90 verbunden wird. Angermerkt sei, dass die mechanischen Schaltkontakte 131 und 132 vorteilhafterweise erst im stromlosen Betrieb des Schaltgeräts 10, d.h. frühestens ab dem Zeitpunkt t6 geöffnet werden, um eine Beschädigung der Schaltkontakte 131 und 132 infolge von Lichtbögen zu verhindern.
Neben der Kurzschlussfunktionalität ist das Schaltgerät 10 vorzugsweise dazu ausgebildet, im Betrieb die zur Versorgung der Schaltgeräts 10 erforderliche Versorgungsspannung zu überwachen und gegebenenfalls einen Ausschaltvorgang durchzuführen.
Nunmehr sei angenommen, dass am Eingang 15 nach wie vor das Steuersignal anliegt und während des ordnungsgemäßen Betriebs zum Zeitpunkt t4 die Energieversorgungseinrichtung 120 ausfällt bzw. die von der Energieversorgungseinrichtung 120 gelieferte Versorgungsspannung UB an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 abfällt. Dies ist in Figur 2A gezeigt. Fällt als Reaktion hierauf die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Spannung auf Null ab bzw. unter den vorbestimmten Schwellenwert, der durch den High-Pegel des am Eingangsanschluss 15 anliegenden Steuersignals definiert wird, wird dieser Spannungsabfall von der Erfassungseinrichtung 50 erfasst und der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 gemeldet. Einen entsprechenden Spannungsabfall unter den vorbestimmten Schwellenwert kann die zum Beispiel als Schmitt-Trigger ausgebildete Erfassungseinrichtung 50 durch einen ausgangsseitigen Pegel wechsel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisieren. Der vorbestimmte Schwellenwert wird insbesondere durch die Implementierung und Dimensionierung der Erfassungseinrichtung 50 bestimmt. Insbesondere legt der vorbestimmte Schwellenwert fest, wann die Erfassungseinrichtung 50 an ihrem entsprechenden Eingang einen Low- Pegel detektiert. Unter Ansprechen auf den Ausfall der Energieversorgungsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bzw. unter Ansprechen auf einen entsprechenden Spannungsabfall am Ausgang 31 der Stromversorgungseinrichtung 30 veranlasst die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, mittels der in dem Energiespeicher 40 gespeicherten Energie einen Ausschaltvorgang durchzuführen, der dem zuvor geschilderten Ausschaltvorgang im ordnungsgemäßen Betrieb entsprechen kann. Der beispielhafte Ausschaltvorgang ist in den Figuren 2A bis 2F gezeigt.
In ähnlicher Weise kann die Energieversorgungseinrichtung 20 vom Schaltgerät 10 auf einen ordnungsgemäßen Betrieb hin überwacht werden, wenn die geräteinteme Energieversorgung des Schaltgeräts 20 aus der von der Energieversorgungseinrichtung 20 an den Anschlüssen 11 und 12 bereitgestellte Gleichspannung gewonnen wird. In diesem Fall sind die Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 mit den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bzw. den Eingängen der Spannungsversorgungseinrichtung 30 verbunden. An den Energieversorgungsspannungsanschlüssen 13 und 14 ist in diesem Fall keine Energieversorgungseinrichtung angeschlossen.
Nunmehr sei angenommen, dass weiterhin am Eingang 15 das Steuersignal anliegt und während des ordnungsgemäßen Betriebs die Energieversorgungseinrichtung 20 zum Zeitpunkt t4 ausfällt bzw. die von der Energieversorgungseinrichtung 20 gelieferte Versorgungsspannung UB an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 abfällt. Fällt als Reaktion hierauf die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Spannung auf Null ab bzw. unter den vorbestimmten Schwellenwert, wird dieser Spannungsabfall von der Erfassungseinrichtung 50 erfasst und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 gemeldet. Beispielsweise erzeugt in diesem Fall die Erfassungseinrichtung 50 an ihrem Ausgang einen Low-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerhafte Energieversorgungseinrichtung 20 signalisiert. Einen entsprechenden Spannungsabfall kann die zum Beispiel als Schmitt-Trigger ausgebildete Erfassungseinrichtung 50 durch einen ausgangsseitigen Pegel wechsel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisieren. Der vorbestimmte Schwellenwert wird insbesondere durch die Implementierung und Dimensionierung der Erfassungseinrichtung 50 bestimmt. Insbesondere legt der vorbestimmte Schwellenwert fest, wann die Erfassungseinrichtung 50 an ihrem entsprechenden Eingang einen Low- Pegel detektiert. Unter Ansprechen auf den Ausfall der Energieversorgungsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 bzw. unter Ansprechen auf einen entsprechenden Spannungsabfall am Ausgang 31 der Stromversorgungseinrichtung 30 veranlasst die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, mittels der in dem Energiespeicher 40 gespeicherten Energie einen Ausschaltvorgang durchzuführen, der dem zuvor geschilderten Ausschaltvorgang im ordnungsgemäßen Betrieb entsprechen kann.
Der Ausschaltvorgang kann insbesondere deshalb störungsfrei vom Schaltgerät 10 durchgeführt werden, weil der elektrische Energiespeicher 40 die notwendige Energie liefert, um die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sowie die entsprechenden Halbleiterschalter und elektromechanische Schalter mit Energie zu versorgen, wenn die Geräteversorgung des Schaltgeräts 10 über die an den ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss 11, 12 angeschlossene Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 oder über die an den dritten und vierten Energieversorgungsanschluss 13, 14 angeschlossene Energieversorgungseinrichtung 120 einbricht oder ganz ausfällt.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltgerät (10) zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) verbindbaren elektrischen Last (110), aufweisend:
- einen ersten und einen zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12), an welche eine Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) anschließbar ist,
- einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17), an welche eine elektrische Last (110) anschließbar ist,
- einen ersten Strompfad (18), der elektrisch mit dem ersten Energieversorgungsanschluss (11) und dem ersten Ausgangsanschluss (16) verbunden ist, wobei der erste Strompfad (18) eine Parallelschaltung (150) aus einem ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (81) und einem ersten mechanischen Schaltkontakt (82) aufweist,
- einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (90), der in Reihe mit einem zweiten mechanischen Schaltkontakt (91), der als Wechselkontakt ausgebildet ist, geschaltet ist,
- einen elektrischen Vorladewi der stand (92), der mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts (91) in Reihe mit dem zweiten Halbleiterschalter
(90) und zusammen mit dem zweiten Halbleiterschalter (90) parallel zur Parallelschaltung (150) schaltbar ist,
- einen zweiten Strompfad (19), der elektrisch mit dem zweiten Energieversorgungsanschluss (12) und dem zweiten Ausgangsanschluss (17) verbunden ist, wobei der zweite Halbleiterschalter (90) über den zweiten mechanischen Schaltkontakt
(91) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (19) verbindbar ist,
- eine in den ersten oder zweiten Strompfad (18, 19) geschaltete Strommesseinrichtung (100),
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (70), die mit einem Ausgang der Strommesseinrichtung (100) verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, i) den ersten Halbleiterschalter (81) elektrisch sperrend und den zweiten Halbleiterschalter (90) elektrisch leitend zu schalten, wobei der erste mechanische Schaltkontakt (82) geöffnet und der zweite Halbleiterschalter (90) mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts (91) elektrisch mit dem Vorladewiderstand (92) in Reihe geschaltet ist, ii) anschließend den ersten Halbleiterschalter (81) leitend zu schalten und den zweiten Halbleiterschalter (90) elektrisch sperrend zu schalten, und. iii) anschließend den ersten mechanischen Schaltkontakt (82) zu schließen und den zweiten Halbleiterschalter (90) mittels des zweiten mechanischen Schaltkontakts (91) mit dem zweiten Strompfad (19) zu verbinden, wobei der zweite Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt und der dritte Zeitpunkt nach dem zweiten Zeitpunkt liegt, und iv) anschließend den zweiten Halbleiterschalter (90) wieder elektrisch leitend zu schalten, wenn der von der Strommesseinrichtung (100) gemessene Strom einen ersten vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
2. Schaltgerät nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, in Schritt ii) den ersten Halbleiterschalter (81) leitend zu schalten und den zweiten Halbleiterschalter (90) elektrisch sperrend zu schalten, wenn der von der Strommesseinrichtung (100) gemessene Strom einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht oder innerhalb eines bezüglich des zweiten vorbestimmten Wertes festgelegten Toleranzbereichs liegt, wobei der zweite vorbestimmte Stromwert niedriger als der erste vorbestimmte Stromwert ist.
3. Schaltgerät nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, Schritt ii) nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer auszuführen.
4. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Erfassungseinrichtung (50), einen elektrischen Energiespeicher (40), der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, eine mit dem ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12) verbundene Spannungsversorgungseinrichtung (30), die mit dem elektrischen Energiespeicher (40) und der Erfassungseinrichtung (50) elektrisch verbunden ist, wobei die Erfassungseinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen erfassten Abfall einer am Ausgang (31) der Stromversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Ausschaltvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17) anschließbaren elektrischen Last (110) durchzuführen.
5. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss (13, 14), an die eine Energieversorgungseinrichtung (120) zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät (10) anschließbar ist, eine Erfassungseinrichtung (50), einen elektrischen Energiespeicher (40), der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, eine mit dem dritten und vierten Energieversorgungsanschluss (13, 14) verbundene Spannungsversorgungseinrichtung (30), die mit dem elektrischen Energiespeicher (40) und der Erfassungseinrichtung (50) elektrisch verbunden ist, wobei die Erfassungseinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung (50) erfassten Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Ausschaltvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17) anschließbaren elektrischen Last (110) durchzuführen.
6. Schaltgerät nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Erfassungseinrichtung (50) eine Vergleichseinrichtung aufweist.
7. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner aufweisend einen Eingangsanschluss (15), der zum Anlegen eines Steuersignals ausgebildet ist, wobei die Erfassungseinrichtung (50) eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss (15) und einem Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) verbunden ist.
8. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in den ersten und/oder zweiten Strompfad (18, 19) ein weiterer mechanischer Schaltkontakt (131, 132) wenigstens eines elektromechanischen Schalters (130) geschaltet ist.
9. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strommesseinrichtung (100) einen Stromsensor aufweist.
10. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Halbleiterschalter (81, 90) ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ist.
11. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite mechanische Schaltkontakt (82, 91) in einem gemeinsamen elektromechanischen Schalter (85) angeordnet sind, oder wobei der erste mechanische Schaltkontakt (82) und der zweite mechanische Schaltkontakt (91) jeweils in einem separaten elektromechanischen Schalter (85, 95) angeordnet sind.
12. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Speichereinrichtung (60), die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) elektrisch verbunden ist, wobei in der Speichereinrichtung (60) ein Strom schwell en wert, der einem Kurzschlussstrom entspricht, gespeichert ist.
13. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem ersten Strompfad (18) oder dem zweiten Strompfad (19) eine Sicherung (140) zugeordnet ist. 14. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, einen Ausschaltvorgang zum elektrischen Trennen der an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17) angeschlossenen elektrischen Last (110) von der an den ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12) angeschlossenen Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) zu steuern.
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