NL9400394A - Schakeling. - Google Patents

Description

Schakeling

De uitvinding heeft betrekking op een schakeling voor het elektronisch schakelen van elektronische elementen, elektrische elementen of elektromechanische elementen door middel van halfgeleiders, zoals kan worden toegepast bij bijvoorbeeld netschakelaars

Bij de bekende mechanische netschakelaars wordt het schakelen mechanisch tot stand gebracht door middel van mechanische onderdelen. Een dergelijke mechanische constructie is gevoelig voor mankementen en vervuiling. Dit geldt des te meer in een omgeving, waar een vijandig milieu heerst. Wanneer de schakelaar in een omgeving moet worden gebruikt, waar gevaar voor explosie bestaat, worden er aan de constructie van de schakelaar kostbare eisen gesteld inzake de explosieveiligheid van de schakelaar. Ook brengt een mechanische uitvoering van een schakelaar beperkingen met betrekking tot de uitvoering van de behuizing met zich, hetgeen de bescherming tegen de hierboven omschreven risico's met behulp van die behuizing moeilijk en kostbaar maakt. Daarenboven is het onderhoud en het reinigen van een mechanische schakelaar in verband met het bovenstaande moeilijk en kostbaar.

De bovenstaande bezwaren zouden kunnen worden ondervangen door het met halfgeleiders elektronisch schakelen van de elektronische, elektrische of elektromechanische elementen, zoals een relais. Echter autoriteiten en keuringsinstanties als de KEMA en de V.D.E. weigeren op grond van veiligheidsvoorschriften het met halfgeleiders elektronisch schakelen van elektronische, elektrische of elektromechanische elementen in bijvoorbeeld schakelaars goed te keuren, omdat in de bestaande systemen het defect raken van de halfgeleider tot bekrachtiging van het systeem en het geschakelde element kan leiden.

De uitvinding beoogt de bezwaren van de bekende schakeling te ondervangen.

De schakeling voor het schakelen van elektronische, elektrische of elektromechanische elementen door middel van halfgeleiders volgens de uitvinding vertoont daartoe het kenmerk, dat de energieoverdracht van het schakelende element naar het geschakelde element door een spanningsoverdragend element geschiedt, dat het schakelende element en het geschakelde element volledig galvanisch van elkaar scheidt.

Volgens een ander kenmerk van de schakeling volgens de uitvinding wordt het spanningsoverdragend element gevormd door een transformator.

Volgens weer een ander kenmerk van de schakeling volgens de uitvinding is deze voorzien van middelen in de primaire keten, met behulp waarvan de maximale energieoverdracht wordt beperkt, zodanig dat de schakeling is beveiligd in geval van kortsluiting in het schakelend element.

Volgens weer een ander kenmerk worden de middelen in de primaire keten ter beperking van de maximale energieoverdracht gevormd door een serieweerstand.

In de normale toestand laat het schakelend element, een halfgeleider, wanneer het elektronische, elektrische of elektromechanische element moet worden geschakeld, door de primaire spoel van een transformator een wisselstroom lopen, die vervolgens een wisselspanning opwekt in de secundaire spoel. Deze al dan niet gelijkgerichte spanning stuurt het elektronische, elektrische of elektromechanische element aan. Bij kortsluiting of onderbreking van het schakelend element zal door de primaire spoel een gelijkstroom respectievelijk geen stroom lopen. In beide gevallen wordt er in de secundaire spoel geen spanning opgewekt en kan het geschakelde element op geen enkele wijze bekrachtigd worden. Volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding beperkt een serie weerstand in de primaire keten de maximale energieoverdracht, zodat de schakeling beveiligd is in geval van kortsluiting in het schakelend element, de halfgeleider. Ook defecten in eventuele perifere elektronische, elektrische of elek-tromechanische elementen kunnen op geen enkele wijze tot bekrachtiging van het geschakelde element leiden.

De configuratie volgens de uitvinding garandeert dat de elektronische, elektrische of elektromechanische elementen, bijvoorbeeld een relais, op geen enkele wijze kan worden bekrachtigd door enig mogelijk defect in het schakelend element.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van een tekening van een uitvoeringsvoorbeeld. De figuur betreft een schema van een schakeling voor het elektronisch schakelen van een relais door middel van een halfgeleider, zoals deze in bijvoorbeeld een net-schakelaar kan worden toegepast.

Zoals in de figuur weergegeven is in de schakeling 1 het schakelende element 2, in dit uitvoeringsvoorbeeld een transistor 2, opgenomen. Wordt aan ingang 3 een wisselspanning met daartoe gunstig gekozen eigenschappen aangeboden, dan zal de transistor 2 een wisselstroom doen vloeien naar de primaire wikkeling 4 van het spanningsoverdragend element 5, in dit uitvoeringsvoorbeeld de transformator 5. Een gunstige keuze van de transformator, die tot hoge efficiency van de schakeling zal leiden, is bijvoorbeeld een sterk gekoppelde transformator voor het 10 KHz. gebied. De transformator heeft in dit geval een overdrachtsverhouding van 1:1 en lage kernverliezen, hetgeen een efficiënte energieover- dracht waarborgt. Gezien de lage spanningen worden er geen extreme eisen aan de isolatie tussen de primaire en de secundaire wikkeling van de transformator gesteld In dit geval dient dan gedurende korte tijd een 10 KHz signaal te worden aangeboden aan de transformator. Hierdoor ontstaat een wisselspanning over de klemmen van de secundaire wikkeling 6 van de transformator 5. Deze spanning wordt in dit uitvoeringsvoorbeeld gelijkgericht over gelijkrichtbrug 7. De spanning wordt vervolgens toegevoerd aan het geschakelde element 8, in dit uitvoeringsvoorbeeld een relais 8. In dit uitvoeringsvoorbeeld is het relais 8, dat bestaat uit een anker met twee schakelcontacten 9 en 10 en een bekrach-tigingswikkeling 11, geplaatst in een houdschakelaar-configuratie? wanneer korte tijd een signaal in de vorm van de hierboven vermelde wisselspanning aan de transistor 2 wordt aangeboden, zal het relais 8 worden bekrachtigd en zichzelf bekrachtigd houden totdat de verbinding tussen de beveiligingsonderbrekers 12 en 13 wordt verbroken. Op deze plaats in de schakeling kan eventueel een onderbreekkontakt als uitschakelaar worden opgenomen. In dit uitvoeringsvoorbeeld is de schakeling dus slechts gedurende zeer korte tijd actief, namelijk alleen op het moment dat geschakeld wordt. In dit uitvoeringsvoorbeeld beperkt de serie weerstand 14 in de primaire keten de maximale gelijkstroom in de primaire keten, voor het geval van kortsluiting in de transistor 2. Voorts zijn in de figuur een weerstand 15 en een tweetal condensatoren 16,17 aangegeven. Door de geleidende baan 18 loopt een gelijkstroom. Door de geleidende baan 19 kan een signaal worden gegeven in de vorm van een wisselspanning met eigenschappen die de stroom in staat stellen de transistor 2 en transformator 5 hun respectieve functies te laten vervullen. De geleidende baan 20 is de massa.

In deze uitvoeringsvorm volgens de uitvinding wordt de benodigde energie voor het geschakelde element van de uitvinding opgewekt door een convertor of generator schakeling. Op deze uitvoeringsvorm zijn vele varianten denkbaar, die allen binnen de strekking van de uitvinding blijven? gedacht kan worden aan energie-opwekking met bijvoorbeeld een volledige brugconverter, een halve brugconverter, een isolated forward convertor, een isolated flyback convertor, de non isolated step up convertor, de non isolated step down convertor enz.

Bij een ander uitvoeringsvoorbeeld volgens de uitvinding kunnen de diverse onderdelen van de schakeling zijn geïntegreerd. Meer in het bijzonder is het mogelijk om de weerstand 14 in de als spanningsoverdragend element dienende transformator 5 te integreren, door een gunstige keuze van de Ohmse weerstand van de primaire wikkeling 4. Ook is een uitvoeringsvorm denkbaar, waarin de transformator 5, de eventuele gelijkrichter 7 en het relais 8 zijn geïntegreerd.

Bij nog een andere uitvoeringsvorm kan de schakeling worden gecombineerd met een piëzo elektrisch element, dat bij aanraking een spanningspuls geeft. Deze span-ningspuls dient als teken voor het bekrachtigen van de schakeling.

Bij een andere uitvoeringsvorm wordt de schakeling uitgebreid met een microcontroller waarbij de spanningspuls wordt aangeboden aan de microcontroller.

Bij nog een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding is de microcontroller voorzien van programmatuur. De microcontroller verwerkt de aangeboden signalen en stuurt op zijn beurt op basis van de in de microcontroller opgeslagen programmatuur de schakeling voor het schakelen van elektronische, elektrische of elektrome-chanische elementen door halfgeleiders, door een sig- naai aan het schakelende element aan te bieden in de vorm van een stroom die geschikt is om het schakelende element en het spanningsoverdragende element hun respectieve taken te laten vervullen.

Bij nog een ander uitvoeringsvoorbeeld volgens de uitvinding wordt de hierboven omschreven configuratie van de schakeling met een piëzo elektrisch element en een microcontroller uitgebreid met een variabele stroombegrenzing en stroomcontrolesysteem. Wanneer de variabele stroombegrenzing en stroomcontrolesysteem op gunstige wijze met de microcontroller worden verbonden, is het mogelijk om de informatie van de variabele stroombegrenzing en stroomcontrolesysteem door de microcontroller te laten verwerken. Hierdoor wordt het mogelijk de microcontroller op basis van vooraf gekozen beslissingscriteria de stroom bij overschrijding van de vooraf gekozen waarden uit te laten schakelen.

Bij een ander uitvoeringsvoorbeeld volgens de uitvinding bestaat de variabele stroombegrenzing en stroomcontrolesysteem uit een speciaal uitgevoerde transformator, die slechts uit enkele of zelfs maar één wikkeling bestaat. De dikte van een draad is zo gekozen dat zij toereikend is voor de te meten stroom. Hierdoor is de spanningsval over de primaire wikkeling uiterst klein. De secundaire wikkeling wordt zodanig uitgevoerd dat de secundaire spanning (recht-)evenredig is met de stroom door de primaire wikkeling. Hierdoor is de spanning op de secundaire wikkeling een directe indicatie voor de stroom in de primaire wikkeling. De aldus gemeten secundaire spanning wordt vergeleken met een instelbare referentiespanning. Samenvattend zijn nu vier toestanden denkbaar: geen stroom, overbelasting, kortsluiting en normaal stroom. De stroom wordt gekwalificeerd door bij de vergelijking van de secundaire spanning met de referentiespanning bepaalde, vooraf gekozen marges voor de overschrijding van de referen-tiespanning te hanteren.

Bij een ander uitvoeringsvoorbeeld volgens de uitvinding wordt in de hierboven omschreven configuratie een status indicatiesysteera, bijvoorbeeld in de vorm van een display met led's aan de microcontroller verbonden, zodat het mogelijk is de status van het systeem te overzien.

Bij een ander uitvoeringsvoorbeeld volgens de uitvinding wordt de hierboven omschreven configuratie van de schakeling met een piëzo elektrisch element, een microcontroller, een variabele stroombegrenzing en stroom-controlesysteem en een status indicatiesysteem in een volledig gesloten, omgevingsresistente behuizing opgenomen .

De uitvinding is niet beperkt tot de hierboven omschreven uitvoeringsvoorbeelden. Er zijn vele varianten denkbaar onder de toepassing van de uitvinding.

Claims (17)

1. Schakeling voor het elektronisch schakelen van elektronische, elektrische of elektromechanische elementen door middel van halfgeleiders met het kenmerk, dat energie-overdracht van het schakelende element naar het geschakelde element geschiedt door een span-ningsoverdragend element, dat het schakelende element en het geschakelde element volledig galvanisch van elkaar scheidt.

2. Schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het spanningsoverdragende element wordt gevormd door een transformator.

3. Schakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat deze in de primaire keten is voorzien van middelen met behulp waarvan de maximale energieover-dracht wordt beperkt zodanig dat de schakeling is beveiligd in geval van kortsluiting in het schakelend element.

4. Schakeling volgens conclusie 3 met het kenmerk dat de middelen worden gevormd door een serie weerstand in de primaire keten.

5. Schakeling volgens conclusie 1 tot en met 4, met het kenmerk dat de benodigde energie voor het geschakelde element wordt opgewekt door een converter.

6. Schakeling volgens de conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk dat het geschakelde element wordt gevormd door een relais.

7. Schakeling volgens de conclusies 3,4,5 of 6, met het kenmerk dat de weerstand in de transformator wordt geïntegreerd door een gunstige keuze van de Ohmse weerstand van de primaire wikkeling van de transforma tor.

8. Schakeling volgens de conclusies 1 tot en met 7, met het kenmerk dat het spanningsoverdragend element, de eventueel aanwezige gelijkrichter en het geschakelde element worden geïntegreerd.

9. schakeling volgens de conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk dat de schakeling wordt gecombineerd met een piëzo elektrisch element, dat bij aanraking een spanningspuls geeft.

10. Schakeling volgens de conclusie 9, met het kenmerk dat de schakeling wordt gecombineerd met een microcontroller, die de door het piëzo elektrisch element aangeboden signalen verwerkt.

11. Schakeling volgens conclusie 10 met het kenmerk, dat de microcontroller op basis van de door het piëzo elektrisch element aangeboden signaal, signalen aan de schakeling aanbiedt in een vorm van een stroom die geschikt is om het schakelend element en het spanningsoverdragend element hun respectieve taken te laten vervullen.

12. Schakeling volgens conclusie 11, met het kenmerk dat de configuratie wordt uitgebreid met een variabele stroombegrenzing en stroomcontrolesysteem, zodanig dat deze, op gunstige wijze gecombineerd met het piëzo elektrisch element en de microcontroller, het mogelijk maken de stroomsterkte te sturen en te controleren.

13. Schakeling volgens conclusie 12, met het kenmerk dat de variabele stroombegrenzing en het stroomcontrolesysteem worden gevormd door een op gunstige wijze daartoe uitgevoerde transformator.

14. Schakeling volgens conclusie 13, met het kenmerk dat de configuratie wordt uitgebreid met een status indicatiesysteem, zodanig dat dit, op gunstige wijze met de microcontroller verbonden, het mogelijk maakt de status van het systeem te overzien.

15. Schakeling volgens conclusie 14, met het kenmerk dat de microcontroller beschikt over programmatuur, welke de microcontroller in staat stelt op basis van vooraf aangegeven criteria en waarden de configuratie te sturen.

16. Schakeling volgens een van de vorige conclusies, met het kenmerk dat de configuratie in een volledig gesloten, omgevingsresistente behuizing is opgenomen.

17. Schakeling volgens een van de vorige conclusies met het kenmerk dat deze is opgenomen in een schakelaar, meer in het bijzonder een netschakelaar.