WO2019238370A1 - Mehrstufige schutzvorrichtung zur überstrom- und überspannungsgesicherten übertragung von elektrischer energie - Google Patents

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Simon-Immanuel Gries
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    • H01H83/20—Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current operated by excess current as well as by some other abnormal electrical condition

Definitions

  • the present disclosure relates to a protective device for the overcurrent and overvoltage-protected transmission of electrical energy from a voltage connection to an electrical consumer.
  • Protective devices for limiting a current, a voltage and / or a power are usually used in isolating amplifiers in order to protect downstream electrical components from current, voltages and / or powers above a respectively predetermined limit value. Accordingly, the maximum rated data of electrical components which are connected downstream of the protective device can advantageously be reduced. With the protective device, an electrical consumer can also be safely disconnected from the voltage connection in order to meet explosion protection requirements.
  • the protective device typically has an overcurrent protection and an overvoltage protection connected downstream of the overcurrent protection.
  • the overvoltage protection can short-circuit the voltage when a voltage limit value is reached, so that a short-circuit current flows through the overcurrent fuse, which can subsequently trip when a nominal current is reached in order to interrupt the current flow.
  • a protective device which, in addition to a first overcurrent fuse and an overvoltage limiter, has an additional overcurrent fuse.
  • a first fuse can be connected downstream of a second fuse, which trips at a lower rated current than the first fuse.
  • the first overvoltage limiter and the additional overcurrent protection can be a clamping circuit, which can be triggered by two separate voltage limit switches, in particular differently dimensioned Z diodes.
  • the disclosure relates to a protective device for the overcurrent and overvoltage-protected transmission of electrical energy from a voltage connection to an electrical consumer, the voltage connection having two poles.
  • the protective device comprises a first fuse circuit, which is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a first nominal current from the voltage connection to the electrical consumer.
  • the protective device comprises an overvoltage protection circuit which is connected downstream of the first fuse circuit and is connected upstream of the electrical consumer.
  • the overvoltage protection circuit is designed to connect the poles of the voltage connection in an electrically low-resistance manner when a first voltage limit value of a voltage is reached at the voltage connection in order to force a line current which triggers the first rated current in order to trigger the first fuse circuit.
  • the protective device comprises a second fuse circuit, which is connected downstream of the overvoltage protection circuit and upstream of the electrical consumer.
  • the second fuse circuit is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a second rated current.
  • the second rated current depends on the electrical consumer.
  • the second rated current is smaller than the first rated current in order to prevent a current flow with a correspondingly lower short-circuit current to the electrical consumer.
  • the protective device can be a combination of an overcurrent fuse and a clamping circuit (crowbar), with which an electrical consumer prevents the flow of an electric current with a current strength above a current strength permitted for the electrical load and / or the application of a voltage above one for the consumer permissible maximum voltage can be secured.
  • a combination of the limitation of the current strength and the voltage can also define a maximum electrical power that the consumer can implement.
  • the protective device can be arranged, for example, in a signal input of an isolation amplifier in order to be able to reduce the maximum rated data of downstream electrical components. Furthermore, the protective device can form an explosion protection in order to enable operation of the downstream electrical components in an explosive environment and / or atmospheres.
  • the protective device can be connected downstream of an energy feed of an electrical consumer in order to be able to expect predetermined current, voltage and / or power values after the protective device.
  • electronic circuits connected downstream of the protective device can have smaller air and / or creepage distances, since a reduced voltage and / or current level can be expected.
  • the advantage can be achieved that the electrical parameters, in particular the maximum rated current, between electronic components which are connected downstream of the second fuse circuit can be set more flexibly.
  • the second fuse circuit can be designed as a chip fuse, which has reduced component dimensions compared to the first fuse circuit. Furthermore, electrical components which are connected downstream of the second fuse circuit can have reduced component dimensions and / or reduced performance data compared to an arrangement after the first fuse circuit.
  • the voltage connection for the fuse circuit can in particular be formed by a circuit which is connected between an energy supply network and the Fuse circuit is arranged.
  • This intermediate stage can be, for example, a switching power supply and / or a voltage converter.
  • the second rated current can be less than the first rated current.
  • electrical consumers connected downstream of the second fuse circuit can have lower nominal currents and can be produced correspondingly more cost-effectively and / or less.
  • a voltage transformer can be arranged between the first fuse circuit and the second fuse circuit, which is designed to increase or decrease the voltage of the voltage connection.
  • the voltage transformer can, for example, be designed to reduce a voltage from 24 V to 5 V.
  • Electrical consumers connected downstream of the second fuse circuit can be designed for a higher current intensity than the first fuse circuit, so that the second nominal current is greater than the first nominal current.
  • the protective device can be a back-up fuse which is connected downstream of an energy feed in order to provide current, voltage and / or power values to electrical consumers which are connected downstream of the protective device. Insulation distances between electrical components of an electrical consumer can in particular be adapted to a maximum voltage level, for example of 50 V.
  • the protective device can be followed, for example, by a switched-mode power supply which increases or decreases the output voltage of the energy feed. In particular, a voltage in the range from 20 V to 30 V can be reduced to a voltage from 3 V to 12 V.
  • a downstream isolating element, for example a transformer, can accordingly be dimensioned for lower maximum voltages than would be possible using a conventional crowbar circuit.
  • the first fuse circuit can be designed to prevent the line current from flowing at a prospective short-circuit current of 1500 A, and the overvoltage protection circuit limits the voltage to an adjustable voltage value, for example 18 V.
  • the second fuse circuit can be designed to flow a line current with a To prevent current below the short-circuit current protected by the first fuse circuit.
  • parameters for protecting downstream electronic circuits can be selected from a wide range of parameters, since the second fuse circuit can be designed as a chip fuse and can accordingly be produced in a large number of designs.
  • a protective device can be composed of electronic components which have a high availability on the market and can therefore be produced efficiently and inexpensively.
  • the second nominal current which is in particular a second prospective short-circuit current
  • the first nominal current which is in particular a first prospective short-circuit current
  • the overvoltage protection circuit is designed to reduce a nominal voltage of the second fuse circuit.
  • the first fuse circuit and the second fuse circuit each have an overcurrent protection fuse, in particular a fuse and / or a circuit breaker, the overcurrent protection fuse being designed when the first rated current or the second rated current is reached, the electrical connection between the voltage connection and the electrical consumer to separate or to separate after a predetermined time interval after reaching the first rated current or the second rated current.
  • an overcurrent protection fuse in particular a fuse and / or a circuit breaker
  • the first protection circuit and / or the second protection circuit are designed to interrupt an electrical connection between the voltage connection and the electrical consumer when a short-circuit current flows through the overvoltage protection circuit, in order to ensure that the line current flows at a current strength above the first rated current and / or prevent above the second rated current to the electrical consumer.
  • the electrical connection can be interrupted by means of a blocking semiconductor element, a mechanical switching contact or by means of a defined melting of the overcurrent protection fuse. Accordingly, disconnection of the electrical connection can be carried out reversibly or, in the case of defined melting, can be carried out irreversibly.
  • manual intervention may be necessary in order to put the circuit back into operation. For example, it may be necessary to replace one of the overcurrent protection fuses and / or to correct the cause of the overvoltage or overcurrent.
  • the second fuse circuit has at least two current paths, which are each designed to transmit electrical energy to an electrical consumer, an overcurrent protection fuse being arranged in each of the current paths.
  • the overcurrent protection fuses in the current paths are designed to trip at different nominal currents in order to prevent current flow in the respective current path.
  • the first fuse circuit and / or the second fuse circuit are designed to detect a component and / or ambient temperature and to trigger and / or activate the overvoltage protection circuit when the component and / or ambient temperature reaches a temperature limit Prevent flow of current from the voltage connection to the electrical consumer. This has the advantage that the electrical consumer can be protected against thermal loads.
  • the second fuse circuit is designed to provide the electrical consumer with a reduced maximum electrical power compared to the composite consisting of the first fuse circuit and the overvoltage protection circuit by limiting the line current to the second nominal current.
  • the overcurrent protection fuse can be connected downstream of the electrical consumer.
  • FIG. 1 shows a protective device in one embodiment
  • Fig. 2 shows a protective device in one embodiment.
  • the protective device 100 comprises a first fuse circuit 105, which is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a first nominal current from the voltage connection 101 to the electrical load 103.
  • the protective device 100 further comprises an overvoltage protection circuit 107, which is connected downstream of the first fuse circuit 105 and is connected upstream of the electrical consumer 103.
  • the overvoltage protection circuit 107 is designed to electrically conductively connect the poles of the voltage connection 101 when a first voltage limit value of a voltage at the voltage connection 101 is reached, in order to force a line current which triggers the first rated current to trigger the first fuse circuit 105.
  • the protection device 100 further comprises a second fuse circuit 109, which is connected downstream of the overvoltage protection circuit 107 and is connected upstream of the electrical load 103.
  • the second fuse circuit 109 is designed to prevent the line current from flowing when the line current reaches a second rated current. The second rated current is less than the first rated current.
  • the overvoltage protection circuit 107 comprises a semiconductor switch 111, in particular a thyristor, which is electrically parallel with the poles of the
  • Voltage connection 101 is connected and has a control input 113.
  • the semiconductor switch 111 is designed to connect the poles of the voltage connection 101 in an electrically conductive manner with a control signal applied to the control input 113 and to break the electrical connection of the poles of the voltage connection 101 when the line current falls below the minimum current value.
  • the overvoltage device 107 comprises a voltage limit switch 115, in particular a Z diode with a switch input 117 and a
  • the voltage limit switch 115 is connected via the switch input 117 to the first fuse circuit 105 and via the
  • Switch output 119 is connected to the control input 113 of the semiconductor switch 111. Furthermore, the voltage limit switch 115 is designed to provide the control signal when the first voltage limit value is reached by the voltage at the voltage connection 101 at the switch output 119.
  • the overvoltage protection circuit 107 further comprises a resistor 121, which is connected downstream of the switch output 119 of the voltage limit switch 115 and is arranged with the voltage limit switch 115 electrically in parallel with the poles of the voltage connection 101.
  • the control input 113 is connected to the switch output 119 of the voltage limit switch 115 and the resistor 121, the resistor 121 being designed to provide a control signal when the voltage limit switch 115 is switched at the control input 113, in particular in the form of part of the voltage at the voltage connection 101 to switch the semiconductor switch 111.
  • the first fuse circuit 105 and the second fuse circuit 109 each have an overcurrent protection fuse 123, 125, in particular a fuse.
  • the overcurrent protection device 123 is formed when the first one is reached Current limit value to separate the electrical connection between the voltage connection 101 and the electrical consumer 103 or to disconnect after a predetermined time interval after reaching the first rated current.
  • the overcurrent fuse 125 is designed to disconnect the electrical connection between the voltage connection 101 and the electrical consumer 103 when the second rated current is reached, or to disconnect it after a predetermined time interval after the second current limit value has been reached.
  • the protective device 100 comprises a first one
  • Fuse circuit 105 which is designed to prevent the line current from flowing when a first nominal current is reached by a line current from the voltage connection 101 to the electrical consumers 103, 205.
  • the protection device 100 further comprises an overvoltage protection circuit 107, which is connected downstream of the first fuse circuit 105 and is connected upstream of the electrical consumers 103, 205.
  • the overvoltage protection circuit 107 is designed to electrically conductively connect the poles of the voltage connection 101 when a first voltage limit value of a voltage at the voltage connection 101 is reached, in order to force a line current which triggers the first rated circuit to trigger the first fuse circuit 105.
  • the protection device 100 further comprises a second fuse circuit 109, which is connected downstream of the overvoltage protection circuit 107 and is connected upstream of the electrical consumers 103, 205.
  • the second fuse circuit 109 has two current paths 201-1, 201-2, which are each designed to transmit electrical energy to an electrical consumer 103, 205, respectively.
  • An overcurrent protection device 125, 203 is arranged in each of the current paths 201-1, 201-2.
  • the overcurrent protection device 125 is designed to prevent the current from flowing through the current path 201-1 when a second rated current of a current flow through the current path 201-1 is reached.
  • the overcurrent protection fuses 203 are designed to prevent the current from flowing through the current path 201-2 when a third rated current of a current flow through the current path 201-2 is reached.
  • the second rated current and the third rated current may each be less than the first Rated current.
  • the overcurrent protection fuses 125, 203 are designed to trip at different nominal current in order to prevent current flow in the respective current path 201-1, 201-2.

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Offenbarung umfasst ein Schutzvorrichtung (100) zur Überstrom- und überspannungsgeschützten Energieübertragung von einem zweipoligen Spannungsanschluss (101) zu einem elektrischen Verbraucher (103), mit einer ersten Sicherungsschaltung (105), welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Stromstärkegrenzwertes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss (101) zu dem elektrischen Verbraucher (103) ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden, einer der ersten Sicherungsschaltung (105) nachgeschalteten und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschalteten Überspannungsschutzschaltung (107), welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an dem Spannungsanschluss (101) die Pole des Spannungsanschlusses (101) elektrisch leitend zu verbinden, um einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Stromstärkegrenzwert erreicht, und einer zweiten Sicherungsschaltung (109), welche der Überspannungsschutzschaltung (107) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet ist, wobei die zweite Sicherungsschaltung (109) ausgebildet ist, bei Erreichen eines zweiten Stromstärkegrenzwertes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden, wobei der zweite Stromstärkegrenzwert kleiner als der erste Stromstärkegrenzwert ist.

Description

MEHRSTUFIGE SCHUTZVORRICHTUNG ZUR ÜBERSTROM- UND
ÜBERSPANNUNGSGESICHERTEN ÜBERTRAGUNG VON ELEKTRISCHER
ENERGIE
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Überstrom- und überspannungsgesicherten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss zu einem elektrischen Verbraucher.
Üblicherweise werden in Trennverstärkern Schutzvorrichtungen zur Begrenzung einer Stromstärke, einer Spannung und/oder einer Leistung eingesetzt, um nachgeschaltete elektrische Bauteile vor Stromstärken, Spannungen und/oder Leistungen oberhalb eines jeweils vorbestimmten Grenzwertes zu schützen. Entsprechend können die maximalen Bemessungsdaten von elektrischen Bauteilen, welche der Schutzvorrichtung nachgeschaltet sind, vorteilhaft reduziert sein. Mit der Schutzvorrichtung kann ferner ein elektrischer Verbraucher sicher von dem Spannungsanschluss getrennt werden, um Anforderungen des Explosionsschutzes zu genügen.
Typischerweise weist die Schutzvorrichtung eine Überstromsicherung und einen der Überstromsicherung nachgeschalteten Überspannungsschutz auf. Der Überspannungsschutz kann bei einem Erreichen eines Spannungsgrenzwerts die Spannung kurzschließen, sodass ein Kurzschlussstrom durch die Überstromsicherung fließt, welche nachfolgend bei Erreichen eines Nennstromes auslösen kann, um den Stromfluss zu unterbrechen. In nachteiliger Weise kann es notwendig sein, die nachgeschalteten elektrischen Bauteile entsprechend dem Nennstrom und/oder entsprechend dem Spannungsgrenzwert zu dimensionieren. Demnach können die elektrischen Bauteile erhöhte Bauteilabmessungen und für den Betrieb unterhalb des Nennstrom- und/oder Spannungsgrenzwertes nicht notwendige, erhöhte
Bemessungsstromstärken und/oder erhöhte Bemessungsspannungen aufweisen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine effizientere Schutzvorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglicht der Schutzvorrichtung elektrische Bauteile nachzuschalten, welche für geringere maximale Nennströme ausgelegt sein können, als es mit üblichen Schutzvorrichtungen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der beiliegenden Figuren. Die vorliegende Offenbarung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch eine Schutzvorrichtung gelöst werden kann, welche neben einer ersten Überstromsicherung und einer Überspannungsbegrenzung eine zusätzliche Überstromsicherung aufweist. Insbesondere kann einer ersten Schmelzsicherung eine zweite Schmelzsicherung nachgeschaltet sein, welche bei einem niedrigeren Nennstrom auslöst, als die erste Sicherung. Dadurch kann der elektrische Verbraucher auch vor Überströmen geschützt sein, welche kleiner sind als der von der Überspannungsvorrichtung hervorgerufene Kurzschlussstrom. Die erste Überspannungsbegrenzung und die zusätzliche Überstromsicherung kann eine Klemmschaltung sein, welche durch zwei separate Spannungsgrenzwertschalter, insbesondere unterschiedliche dimensionierte Z-Dioden, ausgelöst werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Offenbarung eine Schutzvorrichtung zur Überstrom- und überspannungsgeschützten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss zu einem elektrischen Verbraucher, wobei der Spannungsanschluss zwei Pole aufweist. Die Schutzvorrichtung umfasst eine erste Sicherungsschaltung, welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Nennstromes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss zu dem elektrischen Verbraucher ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung eine Überspannungsschutzschaltung, welche der ersten Sicherungsschaltung nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher vorgeschaltet ist. Die Überspannungsschutzschaltung ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an dem Spannungsanschluss die Pole des Spannungsanschlusses elektrisch niederohmig zu verbinden, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Nennstrom erreicht. Ferner umfasst die Schutzvorrichtung eine zweite Sicherungsschaltung, welche der Überspannungsschutzschaltung nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher vorgeschaltet ist. Die zweite Sicherungsschaltung ist ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Nennstromes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Der zweite Nennstrom ist von dem elektrischen Verbraucher abhängig.
In einer Ausführungsform ist der zweite Nennstrom kleiner als der erste Nennstrom, um einen Stromfluss mit einer entsprechend geringeren Kurzschlussstromstärke zu dem elektrischen Verbraucher zu unterbinden. Die Schutzvorrichtung kann ein Verbund aus einer Überstromsicherung und einer Klemmschaltung (Crowbar) sein, mit welcher ein elektrischer Verbraucher gegen das Fließen eines elektrischen Stroms mit einer Stromstärke oberhalb einer für den elektrischen Verbraucher zulässigen Stromstärke und/oder das Anliegen einer Spannung oberhalb einer für den Verbraucher zulässigen Maximalspannung gesichert werden kann. Insbesondere kann in Kombination der Begrenzung der Stromstärke und der Spannung auch eine elektrische Maximalleistung, welche der Verbraucher umsetzen kann, definiert sein.
Ferner kann die Schutzvorrichtung beispielsweise in einem Signaleingang eines Trennverstärkers angeordnet werden, um die maximalen Bemessungsdaten nachgeschalteter elektrischer Bauteile reduzieren zu können. Weiterhin kann die Schutzvorrichtung einen Explosionsschutz bilden, um einen Betrieb der nachgeschalteten elektrischen Bauteile in einer explosionsgefährdeten Umgebung und/oder Atmosphären, zu ermöglichen.
Die Schutzvorrichtung kann einer Energieeinspeisung eines elektrischen Verbrauchers nachgeschaltet sein, um nach der Schutzvorrichtung vorbestimmte Strom-, Spannungs und/oder Leistungswerte erwarten zu können. Entsprechend können der Schutzvorrichtung nachgeschaltete elektronische Schaltungen geringere Luft- und/oder Kriechstrecken aufweisen, da mit einem reduzierten Spannungs- und/oder Stromstärkeniveau gerechnet werden kann.
Mit der Anordnung einer zweiten Sicherungsschaltung nach der ersten Sicherungsschaltung kann der Vorteil erreicht werden, dass die elektrischen Parameter, insbesondere der maximale Nennstrom, zwischen elektronischen Bauteilen, welche der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltet sind, flexibler eingestellt werden können. Die zweite Sicherungsschaltung kann als eine Chip-sicherung ausgeführt sein, welche reduzierte Bauteilabmessungen gegenüber der ersten Sicherungsschaltung aufweist. Ferner können elektrische Bauteile, welche der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltet sind gegenüber einer Anordnung nach der ersten Sicherungsschaltung reduzierte Bauteilabmessungen und/oder reduzierte Leistungsdaten aufweisen.
Der Spannungsanschluss für die Sicherungsschaltung kann insbesondere durch eine Schaltung gebildet sein, welche zwischen einem Energiebereitstellungsnetz und der Sicherungsschaltung angeordnet ist. Diese zwischengeschaltete Stufe kann beispielsweise ein Schaltnetzteil und/oder ein Spannungswandler sein.
Der zweite Nennstrom kann kleiner sein als der erste Nennstrom. Insbesondere falls zwischen der ersten Sicherungsschaltung und der zweiten Sicherungsschaltung eine Spannungstransformation der Spannung des Spannungsanschluss nicht vorgesehen ist, können der zweiten Sicherungsschaltung nachgeschaltete elektrische Verbraucher geringere Nennströme aufweisen und entsprechend kostengünstiger und/oder kleiner hergestellt werden.
Ferner kann zwischen der ersten Sicherungsschaltung und der zweiten Sicherungsschaltung ein Spannungstransformator angeordnet sein, welcher ausgebildet ist, die Spannung des Spannungsanschlusses herauf- oder herabzusetzen. Der Spannungstransformator kann beispielsweise ausgebildet sein eine Spannung von 24 V auf 5 V herabzusetzen. Der zweiter Sicherungsschaltung nachgeschaltete elektrische Verbraucher können für eine höhere Stromstärke als die erste Sicherungsschaltung ausgelegt sein, sodass der zweite Nennstrom größer ist als der erste Nennstrom.
Die Schutzvorrichtung kann eine Vorsicherung sein, welche einer Energieeinspeisung nachgeschaltet ist, um elektrischen Verbrauchern, welche der Schutzvorrichtung nachgeschaltet sind definierte, Strom-, Spannungs- und/oder Leistungswerte bereitzustellen. Isolationsstrecken zwischen elektrischen Bauteilen eines elektrischen Verbrauchers können insbesondere an ein maximales Spannungsniveau, beispielsweise von 50 V angepasst sein. Der Schutzvorrichtung kann beispielsweise ein Schaltnetzteil nachgeschaltet sein, welches die Ausgangsspannung der Energieeinspeisung erhöht oder erniedrigt. Insbesondere kann eine Spannung in dem Bereich von 20 V bis 30 V auf eine Spannung von 3 V bis 12 V reduziert sein. Ein nachgeschaltetes Trennelement, beispielsweise ein Übertrager, kann dementsprechend für geringere Maximalspannungen dimensioniert sein, als bei einer Verwendung einer üblichen Crowbar-Schaltung möglich wäre.
Die erste Sicherungsschaltung kann beispielsweise ausgebildet sein, bei einem prospektiven Kurzschlussstrom von 1500 A das Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden und die Überspannungsschutzschaltung begrenzt die Spannung auf einen einstellbaren Spannungswert, beispielsweise 18 V. Dementsprechend kann die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet sein das Fließen eines Leitungsstroms mit einer Stromstärke unterhalb des durch die erste Sicherungsschaltung abgesicherten Kurzschlussstroms zu unterbinden. Entsprechend können Parameter zum Schutz von nachgeschalteten elektronischen Schaltungen aus einem weiten Parameterbereich ausgewählt werden, da die zweite Sicherungsschaltung als Chipsicherung ausgeführt sein kann und entsprechend in einer Vielzahl von Bauformen hergestellt sein kann. Insbesondere kann so eine Schutzvorrichtung aus elektronischen Bauteilen, welche eine hohe Verfügbarkeit am Markt aufweisen zusammengesetzt sein und demnach effizient und kostengünstig herstellbar sein.
In einer Ausführungsform ist der zweite Nennstrom, welcher insbesondere ein zweiter prospektiver Kurzschlussstrom ist, kleiner als der erste Nennstrom, welcher insbesondere ein erster prospektiver Kurzschlussstrom ist, und/oder wobei die Überspannungsschutzschaltung ausgebildet ist, eine Nennspannung der zweiten Sicherungsschaltung zu verringern. Dadurch werden die vorgenannten Vorteile realisiert.
In einer Ausführungsform weist die erste Sicherungsschaltung und die zweite Sicherungsschaltung jeweils eine Überstromschutzsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung und/oder einen Leistungsschutzschalter auf, wobei die Überstromschutzsicherung ausgebildet ist, bei Erreichen des ersten Nennstromes respektive des zweiten Nennstromes die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervall nach dem Erreichen des ersten Nennstromes respektive des zweiten Nennstromes zu trennen.
Das vorbestimmte Zeitintervall kann durch eine Auslöseverzögerung der jeweiligen Schmelzsicherung bestimmt sein, in welcher ein Drahtelement der Schmelzsicherung durch den Stromfluss erwärmt und aufgeschmolzen wird. Die Auslöseverzögerung der Überstromschutzsicherung in der ersten Schutzschaltung kann größer sein als die Auslöseverzögerung der Überstromschutzsicherung in der zweiten Schutzschaltung. Insbesondere dient die erste Überstromschutzsicherung dem nachfolgenden Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher, nachdem der Halbleiterschalter geschaltet hat. Ein Leitungsstrom mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Nennstromes, welcher die erste Überstromschutzsicherung auslöst, fließt über den Halbleiterschalter und somit nicht zu dem elektrischen Verbraucher. Ein Schutz des elektrischen Verbrauchers vor einem Leitungsstrom mit einer Stromstärke, welcher den elektrischen Verbraucher beschädigen könnte, kann durch die zweite Überstromschutzsicherung realisiert sein. Die zweite Überstromschutzsicherung kann demnach schneller und bei einer niedrigeren Stromstärke als die erste Überstromschutzsicherung auslösen.
In einer Ausführungsform sind die erste Schutzschaltung und/oder die zweite Schutzschaltung ausgebildet, bei einem Fließen eines Kurzschlussstromes durch die Überspannungsschutzschaltung eine elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss und dem elektrischen Verbraucher zu unterbrechen, um das Fließen des Leitungsstroms mit einer Stromstärke oberhalb des ersten Nennstromes und/oder oberhalb des zweiten Nennstromes zu dem elektrischen Verbraucher zu unterbinden.
Das Unterbrechen der elektrischen Verbindung kann mittels eines sperrenden Halbleiterelements, eines mechanischen Schaltkontakts oder mittels eines definierten Schmelzens der Überstromschutzsicherung realisiert sein. Demnach kann ein Trennen der elektrischen Verbindung reversibel ausgeführt sein oder im Falle des definierten Schmelzens irreversibel ausgeführt sein. Nach einem Auslösen der ersten Schutzschaltung und/oder der zweiten Schutzschaltung kann ein manueller Eingriff notwendig sein, um die Schaltung wieder in Betrieb zu nehmen. Beispielsweise kann es notwendig sein eine der Überstromschutzsicherungen zu ersetzen und/oder die Ursache der Überspannung oder des Überstroms zu beheben.
In einer Ausführungsform weist die zweite Sicherungsschaltung zumindest zwei Strompfade aufweist, welche jeweils ausgebildet sind elektrische Energie zu einem elektrischen Verbraucher zu übertragen, wobei in den Strompfaden jeweils eine Überstromschutzsicherung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform sind die Überstromschutzsicherungen in den Strompfaden ausgebildet, bei unterschiedlichen Nennströmen auszulösen, um einen Stromfluss in dem jeweiligen Strompfad zu unterbinden.
In einer Ausführungsform sind die erste Sicherungsschaltung und/oder die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet, eine Bauteil- und/oder Umgebungstemperatur zu erfassen und bei Erreichen eines Temperaturgrenzwertes durch die Bauteil und/oder Umgebungstemperatur die Überspannungsschutzschaltung auszulösen und/oder ein Fließen eines Stroms von dem Spannungsanschluss zu dem elektrischen Verbraucher zu unterbinden. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der elektrische Verbraucher vor thermischen Belastungen geschützt sein kann.
In einer Ausführungsform ist die zweite Sicherungsschaltung ausgebildet, dem elektrischen Verbraucher eine gegenüber dem Verbund bestehend aus der ersten Sicherungsschaltung und der Überspannungsschutzschaltung mittels einer Begrenzung des Leitungsstroms auf den zweiten Nennstrom eine reduzierte elektrische Maximalleistung bereitzustellen.
In einer Ausführungsform kann die Überstromschutzsicherung dem elektrischen Verbraucher nachgeschaltet sein.
Weitere Ausführungsbeispiele werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform; und
Fig. 2 eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Schutzvorrichtung 100 zur Überstrom- und überspannungsgeschützten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss 101 zu einem elektrischen Verbraucher 103, wobei der Spannungsanschluss 101 zwei Pole aufweist. Die Schutzvorrichtung 100 umfasst eine erste Sicherungsschaltung 105, welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Nennstromes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss 101 zu dem elektrischen Verbraucher 103 ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden.
Ferner umfasst die Schutzvorrichtung 100 eine Überspannungsschutzschaltung 107, welche der ersten Sicherungsschaltung 105 nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher 103 vorgeschaltet ist. Die Überspannungsschutzschaltung 107 ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an dem Spannungsanschluss 101 die Pole des Spannungsanschlusses 101 elektrisch leitend zu verbinden, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung 105 einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Nennstromes erreicht. Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung 100 eine zweite Sicherungsschaltung 109, welche der Überspannungsschutzschaltung 107 nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher 103 vorgeschaltet ist. Die zweite Sicherungsschaltung 109 ist ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Nennstromes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden. Der zweite Nennstrom ist kleiner als der erste Nennstrom.
Die Überspannungsschutzschaltung 107 umfasst einen Halbleiterschalter 111 , insbesondere einen Thyristor, welcher elektrisch parallel mit den Polen des
Spannungsanschluss 101 verbunden ist und einen Steuereingang 113 aufweist. Der Halbleiterschalter 111 ist ausgebildet, mit einem an dem Steuereingang 113 anliegenden Steuersignal die Pole des Spannungsanschluss 101 elektrisch leitend zu verbinden und bei Unterschreiten des Mindeststromstärkewerts durch den Leitungsstrom die elektrische Verbindung der Pole des Spannungsanschlusses 101 aufzuheben.
Ferner umfasst die Überspannungsvorrichtung 107 einen Spannungsgrenzwertschalter 115, insbesondere eine Z-Diode mit einem Schaltereingang 117 und einem
Schalterausgang 119. Der Spannungsgrenzwertschalter 115 ist über den Schaltereingang 117 der ersten Sicherungsschaltung 105 nachgeschaltet und über den
Schalterausgang 119 mit dem Steuereingang 113 des Halbleiterschalters 111 verbunden. Weiterhin ist der Spannungsgrenzwertschalter 115 ausgebildet, bei Erreichen des ersten Spannungsgrenzwerts durch die Spannung an dem Spannungsanschluss 101 an dem Schalterausgang 119 das Steuersignal bereitzustellen.
Die Überspannungsschutzschaltung 107 umfasst ferner einen Widerstand 121 , welcher dem Schalterausgang 119 des Spannungsgrenzwertschalters 115 nachgeschaltet ist und mit dem Spannungsgrenzwertschalter 115 elektrisch parallel zu den Polen des Spannungsanschlusses 101 angeordnet ist. Der Steuereingang 113 ist mit dem Schalterausgang 119 des Spannungsgrenzwertschalters 115 und dem Widerstand 121 verbunden, wobei der Widerstand 121 ausgebildet ist, bei einem Schalten des Spannungsgrenzwertschalters 115 an dem Steuereingang 113 ein Steuersignal, insbesondere in Form eines Teils der Spannung an dem Spannungsanschluss 101 , bereitzustellen, um den Halbleiterschalter 111 zu schalten.
Die erste Sicherungsschaltung 105 und die zweite Sicherungsschaltung 109 weisen jeweils eine Überstromschutzsicherung 123, 125, insbesondere eine Schmelzsicherung auf. Die Überstromschutzsicherung 123 ist ausgebildet, bei Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss 101 und dem elektrischen Verbraucher 103 zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Erreichen des ersten Nennstromes zu trennen. Entsprechend ist die Überstromsicherung 125 ausgebildet, bei Erreichen des zweiten Nennstromes die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss 101 und dem elektrischen Verbraucher 103 zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Erreichen des zweiten Stromstärkegrenzwerts zu trennen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Schutzvorrichtung 100 zur Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss 101 zu zumindest zwei elektrischen Verbrauchern 103, 205. Die Schutzvorrichtung 100 umfasst eine erste
Sicherungsschaltung 105, welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Nennstromes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss 101 zu den elektrischen Verbrauchern 103, 205 ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden.
Ferner umfasst die Schutzvorrichtung 100 eine Überspannungsschutzschaltung 107, welche der ersten Sicherungsschaltung 105 nachgeschaltet und dem elektrischen Verbrauchern 103, 205 vorgeschaltet ist. Die Überspannungsschutzschaltung 107 ist ausgebildet, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an dem Spannungsanschluss 101 die Pole des Spannungsanschlusses 101 elektrisch leitend zu verbinden, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung 105 einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Nennstromerreicht.
Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung 100 eine zweite Sicherungsschaltung 109, welche der Überspannungsschutzschaltung 107 nachgeschaltet und den elektrischen Verbrauchern 103, 205 vorgeschaltet ist. Die zweite Sicherungsschaltung 109 weist zwei Strompfade 201-1 , 201-2 auf, welche jeweils ausgebildet sind elektrische Energie zu jeweils einem elektrischen Verbraucher 103, 205 zu übertragen. In den Strompfaden 201- 1 , 201-2 ist jeweils eine Überstromschutzsicherung 125, 203 angeordnet.
Die Überstromschutzsicherung 125 ist ausgebildet, bei Erreichen eines zweiten Nennstromes eines Stromflusses durch den Strompfad 201-1 ein Fließen des Stroms durch den Strompfad 201-1 zu unterbinden. Die Überstromschutzsicherungen 203 ist ausgebildet, bei Erreichen eines dritten Nennstromes eines Stromflusses durch den Strompfad 201-2 ein Fließen des Stroms durch den Strompfad 201-2 zu unterbinden. Der zweite Nennstrom und der dritte Nennstromkönnen jeweils kleiner sein als der erste Nennstrom. Die Überstromschutzsicherungen 125, 203 sind ausgebildet, bei unterschiedlichen Nennstromauszulösen, um einen Stromfluss in dem jeweiligen Strompfad 201-1 , 201-2 zu unterbinden.
Bezugszeichenliste
100 Schutzvorrichtung
101 Spannungsanschluss
103 Elektrischer Verbraucher
105 Erste Sicherungsschaltung
107 Überspannungsschutzschaltung
109 Zweite Sicherungsschaltung
111 Halbleiterschalter
113 Steuereingang
115 Spannungsgrenzwertschalter
117 Schaltereingang
119 Schalterausgang
121 Widerstand
123 Überstromschutzsicherung
125 Überstromschutzsicherung
201-1 Strompfad
201-2 Strompfad
203 Überstromschutzsicherung
205 Elektrischer Verbraucher

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schutzvorrichtung (100) zur Überstrom- und überspannungsgeschützten Übertragung von elektrischer Energie von einem Spannungsanschluss (101) zu einem elektrischen Verbraucher (103), wobei der Spannungsanschluss (101) zwei Pole aufweist, mit: einer ersten Sicherungsschaltung (105), welche ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Nennstromes durch einen Leitungsstrom von dem Spannungsanschluss (101) zu dem elektrischen Verbraucher (103) ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden; einer Überspannungsschutzschaltung (107), welche der ersten Sicherungsschaltung (105) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet ist, wobei die Überspannungsschutzschaltung (107) ausgebildet ist, bei Erreichen eines ersten Spannungsgrenzwertes einer Spannung an dem Spannungsanschluss (101) die Pole des Spannungsanschlusses (101) elektrisch leitfähig zu verbinden, um zur Auslösung der ersten Sicherungsschaltung (105) einen Leitungsstrom zu erzwingen, welcher den ersten Nennstromerreicht; und einer zweiten Sicherungsschaltung (109), welche der
Überspannungsschutzschaltung (107) nachgeschaltet und dem elektrischen Verbraucher (103) vorgeschaltet ist, wobei die zweite Sicherungsschaltung (109) ausgebildet ist, bei Erreichen eines zweiten Nennstromes durch den Leitungsstrom ein Fließen des Leitungsstroms zu unterbinden, wobei der zweite Nennstrom von dem elektrischen Verbraucher (103) abhängig ist.
2. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei der zweite Nennstrom, welcher insbesondere ein zweiter prospektiver Kurzschlussstrom ist, kleiner als der erste Nennstrom ist, welcher insbesondere ein erster prospektiver Kurzschlussstrom ist, und/oder wobei die Überspannungsschutzschaltung (107) ausgebildet ist, eine Nennspannung der zweiten Sicherungsschaltung (109) zu verringern.
3. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Nennstrom kleiner ist als der erste Nennstrom, um einen Stromfluss mit einer entsprechend geringeren Kurzschlussstromstärke zu dem elektrischen Verbraucher (103) zu unterbinden.
4. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Überspannungsschutzschaltung (107) einen Halbleiterschalter (111) umfasst, welcher elektrisch parallel mit den Polen des Spannungsanschlusses (101) verbunden ist und einen Steuereingang (113) aufweist, wobei der Halbleiterschalter (111) ausgebildet ist, mit einem an dem Steuereingang (113) anliegenden Steuersignal die Pole des Spannungsanschlusses (101) elektrisch leitend zu verbinden und bei Unterschreiten des Mindeststromstärkewerts durch den Leitungsstrom die elektrische Verbindung der Pole des Spannungsanschlusses (101) aufzuheben.
5. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der Halbleiterschalter (111) durch einen Thyristor oder durch einen Transistor gebildet ist.
6. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Sicherungsschaltung (105) und die zweite Sicherungsschaltung (109) jeweils eine Überstromschutzsicherung (123, 125), insbesondere eine Schmelzsicherung und/oder einen Leistungsschutzschalter aufweisen, und wobei die jeweilige Überstromschutzsicherung (123, 125) ausgebildet ist, bei Erreichen des ersten Stromstärkegrenzwerts respektive des zweiten Nennstromes die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsanschluss (101) und dem elektrischen Verbraucher (103) zu trennen oder nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Erreichen des ersten Nennstromes respektive des zweiten Nennstromes zu trennen.
7. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Sicherungsschaltung (109) zumindest zwei Strompfade (201-1 , 201-2) aufweist, welche jeweils ausgebildet sind elektrische Energie zu einem elektrischen Verbraucher (103, 205) zu übertragen, wobei in den Strompfaden (201-1 , 201-2) jeweils eine Überstromschutzsicherung (125, 203) angeordnet ist.
8. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei die Überstromschutzsicherungen (125, 203) ausgebildet sind, bei unterschiedlichen Nennströmen auszulösen, um einen Stromfluss in dem jeweiligen Strompfad (201-1 , 201-2) zu unterbinden.
9. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Sicherungsschaltung (105) und/oder die zweite Sicherungsschaltung (109) ausgebildet sind, eine Bauteil- und/oder Umgebungstemperatur zu erfassen und bei Erreichen eines Temperaturgrenzwertes durch die Bauteil- und/oder Umgebungstemperatur die Überspannungsschutzschaltung (107) auszulösen und/oder ein Fließen eines Stroms von dem Spannungsanschluss (101) zu dem elektrischen Verbraucher (103) zu unterbinden.
10. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Sicherungsschaltung (109) ausgebildet ist, dem elektrischen Verbraucher (103) eine gegenüber dem Verbund bestehend aus der ersten Sicherungsschaltung (105) und der Überspannungsschutzschaltung (107) mittels einer Begrenzung des Leitungsstroms auf den zweiten Nennstrom eine reduzierte elektrische Maximalleistung bereitzustellen.
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