NL1027341C2

NL1027341C2 - Aardlekbeveiligingsschakeling.

Info

Publication number: NL1027341C2
Application number: NL1027341A
Authority: NL
Inventors: Ronaldus Hendrikus Mar Niehoff
Original assignee: Eaton Electric Bv
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-04-27
Also published as: EP1805861A1; SI1805861T1; EP1805861B1; ES2369024T3; DK1805861T3; PL1805861T3; WO2006065128A1; PT1805861E; ATE516619T1

Description

Aardlekbeveiliguigsschakeling Gebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een aardlekbeveiligingsschakeling S voor toepassing in een beveiligingsschakelaar.

Stand van de techniek

Een dergelijke aardlekbeveiligingsschakeling wordt in het algemeen gebruikt in een aardlekbeveilingsinrichting. Een aardlekbeveiligingsinrichting kan uitgerust zijn 10 met verschillende typen actuatoren die een of meer contacten uitschakelen in het geval van detectie van een aardlekstroom. Voor al de verschillende typen actuatoren zijn verschillende typen aanstuurschakelingen nodig. Voor het vervaardigen van een reeks producten moet derhalve altijd een grote verscheidenheid aan aanstuurschakelingen voorhanden zijn.

15

Samenvatting van de uitvinding

De onderhavige uitvinding tracht een aardlekbeveiligingsschakeling te verschaffen, die gebruikt kan worden voor verschillende in de aardlekbeveiligingsinrichting te gebruiken typen actuatoren.

20 Volgens de onderhavige uitvinding wordt een aardlekbeveiligingsschakeling volgens de in de aanhef gedefinieerde soort verschaft, welke omvat een detectie-inrichting voor het detecteren van een aardlekstroom in het elektrisch circuit van de beveiligingsschakelaar, een actuatorelement voor het onderbreken van het elektrisch circuit van de beveiligingsschakelaar, een aanstuurschakeling, verbonden met de 25 detectie-inrichting en het actuator-element, voor het bekrachtigen van het actuatorelement in geval van een gedetecteerde aardlekstroom die boven een vooraf bepaalde drempel ligt, waarbij de aanstuurschakeling voorzien is van een keuzeaansluiting voor het kiezen van het type actuatorelement dat aangestuurd dient te worden. Op deze wijze kan een aanstuurschakeling gebruikt worden voor verschillende 30 soorten van actuatoren, zodat een verregaande mate van standaardisatie binnen een productreeks optreedt.

In een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding is het type actuatorelement een solenoide-type en stuurt de aanstuurschakeling het actuatorelement aan door 1027341 2 middel van een thyristortrap. De thyristortrap kan ondergebracht worden in de aanstuurschakeling, in de actuator zelf, of als afzonderlijke module.

In een verdere uitvoeringsvorm is het type actuatorelement een vergrendel-type (‘latch’) en stuurt de aanstuurschakeling het actuatorelement aan door middel van een 5 open-collectortrap. Deze open-collectortrap kan eenvoudig worden onder gebracht in de aasntuurschakeling.

In een nog verdere uitvoeringsvorm is het type actuatorelement een piëzo element en stuurt de aanstuurschakeling het actuatorelement aan door middel van een hoogspanningseindtrap. Ook de hoogspanningseindtrap kan worden geïntegreerd met 10 de aanstuurschakeling, of worden uitgevoerd als een afzonderlijke module.

De aanstuurschakeling is in een uitvoeringsvorm omvat in een geïntegreerde schakeling, bijvoorbeeld in een ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Op deze wijze zijn grote aantallen aanstuurschakelingen te vervaardigen tegen geringe kosten.

15 De aanstuurschakeling is in een verder uitvoeringsvorm omvat in een behuizing voor oppervlaktemontage. Een dergelijke SMD uitvoering (Surface Mounted Device) van de aanstuurschakeling is eenvoudig te plaatsen en neemt weinig ruimte in. Als voorbeeld is een S08-behuizing geschikt, die nog minder plaats inneemt. Als alternatieve uitvoeringsvorm kan de aanstuurschakeling vervaardigd zijn als een 20 geïntegreerde schakeling die geschikt is voor flip-chip montage. De kale chip is dan voorzien van verhoogde soldeerplaatsen ofwel “solderbumps”, en kan met de onderzijde naar boven op een substraat worden gemonteerd (hybride printplaat). Deze uitvoeringsvorm neemt nog minder ruimte in beslag.

In een verder uitvoeringsvorm omvat de aanstuurschakeling een 25 voedingsschakeling, waarbij de voedingsschakeling loskoppelbaar verbonden is met een faseaansluiting en een nulaansluiting van de beveiligingsschakelaar. Door de voedingsschakeling te koppelen met de stand van de beveiligingsschakeling, is het mogelijk om testen, zoals meggeren of proefspannen, uit te voeren zonder kans op beschadiging van de aanstuurschakeling zelf.

30 De aanstuurschakeling omvat in een nog verdere uitvoeringsvorm een voedingsschakeling, waarbij de voedingsschakeling een capacitieve ingangsimpedantie heeft zodat tijdens het meggeren met een DC spanning de juiste isolatieweerstand 1027341 3 wordt gemeten. In deze uitvoeringsvorm hoeft dan de aanstuurschakeling niet elektrisch gescheiden te worden van de geschakelde aansluitingen.

Korte beschrijving van de tekeningen 5 De onderhavige uitvinding zal nu in meer detail worden besproken aan de hand van een aantal voorbeelduitvoeringsvormen, met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen, waarin

Fig. 1 een vereenvoudigd blokschema weergeeft van een uitvoeringsvorm van een aanstuurschakeling volgens de onderhavige uitvinding.

10

Gedetailleerde beschrijving van voorbeelduitvoeringsvormen

Zoals getoond in Fig. 1 omvat de aardlekbeveiligingsschakeling 90 een detectie-inrichting 91, die in samenwerking met een detectiespoel 9 detecteert of er een (te 15 grote) aardlekstroom optreedt in het elektrisch circuit dat is aangesloten op een uitgaande faseaansluiting 12 en een uitgaande nulaansluiting 21. In het elektrisch circuit zijn bewegende contacten 7 en 19 van een schakelaar waarin de aardlekbeveiligingsschakeling 90 kan worden toegepast ook aangeduid in het blokschema van Fig. 1. Verder omvat de aardlekbeveiligingsschakeling 90 een voeding 20 92, die aangesloten is op meelopende voedingscontacten 94,95. De meelopende voedingscontacten sluiten en openen synchroon met de hoofdcontacten 7 en 19.. Hierdoor zal de hele aardlekbeveiligingsschakeling 90 spanningsloos zijn zodra de schakelaar 50 is uitgeschakeld. Dit heeft als voordeel dat zonder verdere maatregelen de rest van de beveiligingsschakelaar 50 kan worden blootgesteld aan hoge spanningen 25 (meggeren bij bijvoorbeeld >1000 Vdc, of proefspannen bij >500 Vac).

Een aanstuurschakeling 98 is verbonden met de detectie-inrichting 91 en de voeding 92, en is ingericht om een actuator 93 te bekrachtigen, om de schakelaar 50 uit te schakelen. Zoals aangegeven in het blokschema grijpt de actuator 93 aan op de bewegende contacten 7 en 19 in de fase-, respectievelijk nulleiding.

30 De actuator 93 kan een actuator van verschillende typen zijn. Bekend zijn het gebruik van een op een solenoïde gebaseerde actuator, waarbij een opgewekte magnetische kracht een mechanisch contactmechanisme bedient Ook zijn actuatoren bekend die met behulp van een mechanische vergrendeling (‘latch’) een opgeslagen 1027341 4 hoeveelheid energie vrijgeven, bijvoorbeeld een met een veer voorgespannen bewegend contact, waardoor het circuit onderbroken kan worden met vooraf bepaalde karakteristieken. Tot slot zijn er ook nog actuatoren bekend die gebruik maken van de mechanische kracht die met behulp van piëzo elementen kan worden opgewekt 5 Elk van deze type actuatoren vergt een eigen, dus andersoortige aansturing van de actuator 93. Een op een solenoïde gebaseerde actuator 93 wordt meestal aangestuurd met behulp van een thyristortrap. De mechanische bedieningskracht van een solenoïde moet volledig worden opgewekt door de met een magneetveld opgewekte magnetische kracht. De relatief hoge mechanische bedieningskracht moet worden opgewekt door 10 een relatief hoog magneetveld waardoor er, in combinatie met de vormgeving van een solenoïde, ook een relatief hoge stroom door het circuit loopt die met zo’n thyristortrap of vergelijkbare elektronische versterker gecontroleerd kan worden. Een op een vergrendeling gebaseerde actuator 93 kan meestal volstaan met een op een open-collectortrap gebaseerde aansturing daar de benodigde (hoge) mechanische kracht 15 wordt gegenereerd door een voorgespannen krachtbuffer bijvoorbeeld in de vorm van een veer maar voor de ontgrendeling daarvan slechts een relatief klein magneetveld met een bijbehorende kleine stroom benodigd is. Een op piëzo elementen gebaseerde actuator vereist een relatief hoge spanning maar slechts een kleine capacitieve stroom. Dit type actuatoren worden meestal aangestuurd door een spanningverhogende 20 eindtrap.

Voor redenen van efficiëntie, is de aanstuurschakeling 98 ontworpen, zodat deze meerdere soorten actuatoren 93 (waaronder de hierboven besproken types) kan aansturen. Hiervoor is de aanstuurschakeling 98 voorzien van een of meer keuzeaansluitingen 97. Op op zich bekende wijze (bijvoorbeeld doorverbinden van 25 twee aansluitingen 97, of aan aarde of voedingspotentiaal leggen van een aansluiting 97), kan met behulp van deze keuzeaansluitingen 97 een of meer gedeelten van de aanstuurschakeling uitgeschakeld of juist ingeschakeld worden.

De aanstuurschakeling 98 is in een uitvoeringsvorm vervaardigd als een geïntegreerde schakeling, zoals een toepassingsspecifiek IC (Application Specific 30 Integrated Circuit, ASIC). Hierdoor is het mogelijk om met slechts één type IC (ASIC) een veelvoud van soorten actuatoren 93 in een aardlekbeveiliging aan te sturen. Dit heeft met name op logistiek vlak vele voordelen.

1027341 5

Voor het latch type actuator is een enkele open collector uitgang op de ASIC voldoende. Voor een solenoïd type actuator is een uitgang op de ASIC nodig die de externe thyristor kan aansturen die vervolgens de solenoïde aanstuurt. Beide ASIC uitgangen hebben verschillende signaalniveaus en uitgangskarakteristieken. Een 5 mogelijkheid is om de ASIC zo te produceren dat beide soorten uitgangscircuits aanwezig zijn op de chip en beschikbaar zijn middels een “pad” op de chip. Voor de keuze van het uitgangscircuit kan dan bij het afinonteren van de ASIC naar believen één van de beide “pads” verbonden worden (uitbedraad of “wire bonding”) met een pin van de S08 behuizing. Op die manier wordt een pin van de S08 behuizing uitgespaard. 10 In een voorbeelduitvoeringsvorm is de ASIC 98 ondergebracht in een S08 behuizing. De S08 behuizing is geschikt voor oppervlaktemontage (SMD) om de ingenomen ruimte op de printplaat 26 zo gering mogelijk te houden. Gezien het aantal aansluitingen van de aanstuurschakeling kan een dergelijke behuizing met acht aansluitingen gebruikt worden. Het is tevens mogelijk beide uitgangscircuits naar 15 buiten te voeren. Aangezien er geen 9-pens behuizing bestaat zou dan moeten worden uitgeweken naar de eerstvolgende bruikbare behuizing hetgeen betekent dat gebruik moet worden gemaakt van een 14-pens behuizing die aanmerkelijk groter is dan de 8-pens behuizing. Uiteraard is het mogelijk om andere voor oppervlaktemontage geschikte behuizingen (SMD uitvoeringen) te gebruiken.

20 In een verdere uitvoeringsvorm wordt de aanstuurschakeling 98 uitgevoerd als een geïntegreerde schakeling die geschikt is voor flip-chip montage op de printplaat 26 (kale chip, die ondersteboven op de printplaat 26 wordt gemonteerd). Bij voorkeur zijn de aansluitgebieden van een dergelijk flip-chipelement voorzien van verhoogde soldeerplaatsen ofwel de z.g. “solderbumps”, waardoor de chip door verhitting contact 25 zal maken met overeenkomende aansluitgebieden op de printplaat 26. Deze uitvoeringsvorm neemt nog minder ruimte in op de printplaat 26. Bij het flip-chip alternatief zijn beide aansluitgebieden (“pads”) beschikbaar en heeft men de vrijheid om eerst bij de productie van de hybride, dus achteraf, een keuze te maken ten aanzien van het toe te passen uitgangscircuit.

1027341

Claims

1. Aardlekbeveiligingsschakeling (90) voor toepassing in een beveiligingsschakelaar, omvattende: 5. een detectie-inrichting (91) voor het detecteren van een aardlekstroom in het elektrisch circuit van de beveiligingsschakelaar; - een actuatorelement (93) voor het onderbreken van het elektrisch circuit van de beveiligingsschakelaar; - een aanstuurschakeling (98), verbonden met de detectie-inrichting (91) en het 10 actuatorelement (93), voor het bekrachtigen van het actuatorelement (93) in geval van een gedetecteerde aardlekstroom die boven een vooraf bepaalde drempel ligt, waarbij de aanstuurschakeling (98) voorzien is van een keuzeaansluiting (97) voor het kiezen van het type actuatorelement (93) dat aangestuurd dient te worden.

2. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens conclusie 1, waarbij het type actuatorelement (93) een solenoide-type is en waarbij de aanstuurschakeling (98) het actuatorelement (93) aanstuurt door middel van een thyristortrap.

3. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens conclusie 1, waarbij het type 20 actuatorelement (93) een vergrendel-type is en waarbij de aanstuurschakeling (98) het actuatorelement (93) aanstuurt door middel van een open-collectortrap.

4. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens conclusie 1, waarbij het type actuatorelement (93) een piëzo element is en waarbij de aanstuurschakeling (98) het 25 actuatorelement (93) aanstuurt door middel van een hoogspanningseindtrap.

5. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens een van de conclusies 1-4, waarbij de aanstuurschakeling (98) omvat is in een geïntegreerde schakeling.

6. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens conclusie 5, waarbij de aanstuurschakeling (98) omvat is in een ASIC. 1027341 fc

7. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens conclusie 5, waarbij de aanstuurschakeling (98) omvat is in een behuizing voor oppervlaktemontage.

8. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens een van de conclusies 1-4, waarbij de 5 aanstuurschakeling (98) vervaardigd is als geïntegreerde schakeling die geschikt is voor flip-chip montage.

9. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens een van de voorgaande conclusies, verder omvattende een voedingsschakeling (92) voor het voeden van de 10 aanstuurschakeling (98), waarbij de voedingsschakeling (92) loskoppelbaar verbonden is met een faseaansluiting (1) en een nulaansluiting (17) van de beveiligingsschakelaar.

10. Aardlekbeveiligingsschakeling volgens een van de voorgaande conclusies, verder omvattende een voedingsschakeling (92) voor het voeden van de 15 aanstuurschakeling (98), waarbij de voedingsschakeling (92) een capacitieve ingangsimpedantie heeft. ****** 1027341