WO2021180580A1 - Trennschalter und verfahren zum trennen von anschlüssen - Google Patents

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WO2021180580A1
WO2021180580A1 PCT/EP2021/055560 EP2021055560W WO2021180580A1 WO 2021180580 A1 WO2021180580 A1 WO 2021180580A1 EP 2021055560 W EP2021055560 W EP 2021055560W WO 2021180580 A1 WO2021180580 A1 WO 2021180580A1
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input
transistor
voltage
thyristor
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PCT/EP2021/055560
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Marc-Daniel BEDNAREK
Christoph Engelbrecht
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Siemens Mobility GmbH
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    • H03K2217/0072—Low side switches, i.e. the lower potential [DC] or neutral wire [AC] being directly connected to the switch and not via the load

Definitions

  • An isolating switch and a method for isolating an output port from an input port are disclosed.
  • a rail vehicle and a trackside device are also specified.
  • a circuit breaker usually forwards an input voltage, which is applied between a first and a second input connection, to a first and a second output connection. In the event of a fault or malfunction, however, the first and / or the second output connection are disconnected from the first and / or the second input connection.
  • a fault or malfunction can exist, for example, when the input voltage is above a predetermined voltage limit value or a current flowing through one of the input connections is above a predetermined current limit value.
  • An electrical load such as a power stage or a voltage converter, can typically be connected to the first and the second output connection.
  • the first and the second input connection and the first and the second output connection are electrical connections.
  • the circuit breaker can be referred to as an electrical circuit breaker.
  • One object to be achieved is to provide a disconnector and a method for disconnecting an output connection from an input connection, which enable a rapid response to a fault.
  • a disconnector comprises a first and a second input connection, one first and a second output connection, a transistor between the second input connection and the second output connection and a series circuit.
  • the series connection includes a fuse and a thyristor.
  • the series circuit is coupled to the first input connection at a first connection, to the second input connection at a second connection and to a control connection of the transistor at a tapping node between the fuse and the thyristor.
  • the thyristor can advantageously be ignited by means of a control voltage.
  • An input voltage is applied between the first and the second input connection. This means that the input voltage is present across the series circuit consisting of the fuse and the thyristor. If the thyristor is triggered, the current flow through the fuse is so high that the fuse safely melts and interrupts a current flow through the series circuit.
  • a node voltage is present at the pick-up node between the fuse and the thyristor. Before the thyristor fires and thus before the fuse blows, the node voltage has a value such that the transistor is conductive. After the thyristor is triggered and thus after the fuse has blown, the node voltage has a different value.
  • the isolating switch advantageously includes the fuse, so that in the event of a fault, the two output connections are separated from the two input connections and this separation is permanent. This enables a fault causing the fault to be found and eliminated before the fuse or the disconnector and the fuse are broken. be exchanged and a device or a system that includes the circuit breaker is put back into operation.
  • the circuit breaker is implemented as an electronic circuit breaker.
  • the first and the second input connection and the first and the second output connection are electrical connections.
  • the fuse is connected to the first input connection and the thyristor is connected to the second input connection.
  • the first input connection is thus coupled to the tapping node via the fuse.
  • the tapping node is coupled to the second input connection via the thyristor.
  • the tapping node can be electrically isolated from the first input connection.
  • the series circuit comprises a first diode which is arranged between the fuse and the thyristor.
  • the first diode advantageously defines a current direction of a current that flows through the series circuit, including the fuse, the first diode and the thyristor. If, for example, the polarity of the input voltage should be changed, the first diode prevents an undesired flow of current.
  • the tapping node is arranged between the fuse and the first diode.
  • the tapping node is thus coupled to the second input connection via the first diode and the thyristor.
  • the isolating switch comprises a first resistor.
  • the first resistor is arranged between the tapped node and the control connection of the transistor.
  • the first resistor advantageously reduces the level of a current which flows from the first input connection via the tapping node to the control connection of the transistor. Since the control connection of the transistor often has a parasitic capacitance, a current flows to the control connection of the transistor when the isolating switch is switched on, the level of which can be set by the first resistor.
  • the isolating switch comprises a second resistor which is coupled to the control connection of the transistor at a first connection.
  • the circuit breaker has a second diode which is coupled to a second terminal of the second resistor and to the second input terminal.
  • the control voltage of the transistor can be reduced in that charges flow from the control connection of the transistor via the second resistor and the second diode to the second input connection.
  • the second resistor and the second diode thus enable the transistor to be switched off.
  • the second diode also prevents an undesired flow of current.
  • the isolating switch comprises a Zener diode which is coupled to the second input connection at a first connection and to the control connection of the transistor at a second connection.
  • the first connection of the Zener diode is coupled to a node between the diode and the second resistor.
  • the Zener diode advantageously limits the value of the control voltage at the control connection of the transistor. In this way, an excessively high value of the control voltage and thus a possible destruction of the transistor are generally avoided.
  • the transistor is a self-locking field effect transistor. lized.
  • the transistor does not conduct at a control voltage of approximately 0 volts.
  • the normally-off field effect transistor is implemented as a normally-off n-channel field effect transistor.
  • the input voltage is applied between the first input connection and the second input connection.
  • the input voltage is typically positive, that is to say the potential of the first input connection is higher than the potential of the second input connection. Since the transistor is arranged between the second input connection and the second output connection and implemented as a normally-off n-channel field effect transistor, it can be controlled by means of positive control voltages (i.e. voltages between the potential of the first input connection and the potential of the second input connection) be switched conductive.
  • the isolating switch comprises a further resistor which is coupled to a control connection of the thyristor and the second input connection.
  • the additional resistor advantageously ensures that in normal operation (that is, there is no malfunction) the value of the control voltage at the control connection of the thyristor corresponds approximately to the value of the potential of the second input connection, so that the thyristor does not ignite.
  • the isolating switch comprises a voltage divider which is arranged between the first and the second input connection, and a voltage measuring circuit which couples a node of the voltage divider to the control connection of the thyristor.
  • the voltage measuring circuit can advantageously detect whether a value of the input voltage is above a predetermined voltage limit value.
  • the voltage measuring circuit sets the control signal of the thyristor in such a way that the thyristor is triggered.
  • the voltage measuring circuit can thus detect an overvoltage.
  • the isolating switch comprises a measuring resistor which is arranged between the first input connection and the first output connection, and a current measuring circuit which is coupled on the input side to the connections of the measuring resistor and on the output side to the control connection of the thyristor.
  • a value of the current flowing between the first input connection and the second input connection is advantageously detected by means of the measuring resistor and the current measuring circuit. If the current measuring circuit detects that the value of the current is above a predetermined current limit value, the current measuring circuit provides the control signal of the thyristor with a value such that the thyristor is triggered.
  • the isolating switch comprises an auxiliary supply which is coupled to the first input connection and / or the first output connection, and an optocoupler which is coupled to the auxiliary supply and to the control connection of the thyristor.
  • the optocoupler is advantageously coupled to the control connection of the thyristor.
  • the control signal of the thyristor can be set via the optocoupler in such a way that the thyristor is triggered.
  • the optocoupler is supplied with electrical energy from the auxiliary supply, which is obtained from the input voltage.
  • the optocoupler advantageously enables galvanic separation between a circuit, which is connected to the first and second output terminals of the isolating switch, and the thyristor.
  • the disconnector is provided and set up to be encompassed by a device. Features and execution forms that are only described in connection with the disconnector be, can also be formed in connection with the device and vice versa.
  • the device comprises the circuit breaker and an electrical load which is coupled at two inputs to the first and the second output connection of the circuit breaker.
  • the electrical load comprises a power stage or a voltage converter.
  • the voltage converter can comprise a transformer, for example.
  • the device is provided and set up to be comprised of a rail vehicle or a trackside device.
  • Features and embodiments that are only described in connection with the device can also be embodied in connection with the rail vehicle or the trackside device and vice versa.
  • the rail vehicle or the trackside device comprise the device.
  • the device can form the trackside device.
  • the device in the event of a malfunction, cannot be switched back to a starting state or normal operation by means of electrical signals from the outside.
  • the circuit breaker can be used in various areas of signal technology and beyond.
  • a method for separating an output connection from an input connection comprises:
  • the circuit circuit comprises the fuse and the thyristor and couples a first input connection to a second input connection and wherein the first input connection is coupled to a first output connection,
  • the node voltage can be set in such a way that the transistor quickly interrupts the flow of current between the second input terminal and the second output terminal in the event of a fault.
  • the transistor In normal operation, the transistor enables a current to flow between the second input connection and the second output connection. Due to the interruption of the current flow between the second input connection and the second output connection, no more current flows between the first input connection and the first output connection either.
  • the method can be carried out with the circuit breaker or the device according to the embodiments described above.
  • Features and embodiments that are only described in connection with the circuit breaker or the device can also be formed in connection with the method and vice versa.
  • the disconnector is implemented as an electronic disconnector.
  • the disconnector can, for example, be free of a mechanically movable part for interrupting the flow of current.
  • the circuit breaker can be referred to in English as an electronic circuit breaker.
  • a hedge can be advantageous an electronic voltage converter in the event of a fault by disconnecting the input voltage through the isolating switch.
  • the isolating switch can be implemented in such a way that, in addition to safely switching off the output voltage, the input voltage can also be safely decoupled.
  • Figures 1 and 2 show embodiments of a circuit breaker
  • Figure 3 shows an embodiment of a device with a circuit breaker
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a rail vehicle, comprising a device with a circuit breaker
  • Figure 5 shows an alternative example of a circuit breaker.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a circuit breaker 10.
  • the circuit breaker 10 comprises a first and a second input connection 11, 12 and a first and a second output connection 13, 14.
  • the first input connection 11 is coupled to the first output connection 13.
  • a line 15 connects the first input connection 11 to the first output connection 13.
  • the first input connection 11 can thus be connected directly and permanently to the first output connection 13.
  • the isolating switch 10 further comprises a transistor 16 which couples the second input connection 12 to the second output connection 14.
  • the transistor 16 includes a first terminal connected to the second input terminal 12 and one second port connected to the second output port 14.
  • the circuit breaker 10 includes a series circuit 20 which includes a fuse 21 and a thyristor 22 to.
  • the fuse 21 can be connected to the first input connection 11 and the thyristor 22 to the second input connection 12.
  • the series circuit 20 has a tap node 23 between the fuse 21 and the Thy ristor 22.
  • the series circuit 20 includes a first diode 24. The first diode 24 couples the tapping node
  • the first input connection 11 is coupled to the tapping node 23 via the fuse 21.
  • the isolating switch 10 further comprises a first resistor 26, which couples the tapping node 23 to a control connection 27 of the transistor 16.
  • the isolating switch 10 comprises a second resistor 28. At a first connection, the second resistor 28 is connected to the control connection 27 of the transistor 16.
  • the isolating switch 10 further comprises a second diode 29, which couples a second connection of the second resistor 28 to the second input connection 12.
  • the isolating switch 10 further comprises a Zener diode 32, which is coupled to the second input connection 12 at a first connection. More precisely, the first connection of the Zener diode 32 is coupled to the second input connection 12 via the second diode 29. A second connection of the Zener diode 32 is also connected to the control connection 27 of the transistor 16.
  • the Zener diode 32 can also be called a Zener diode.
  • the thyristor 22 and the second diode 29 can be connected to a line which couples the transistor 16 to the second input terminal 12.
  • the transistor 16 is implemented as a normally-off field effect transistor.
  • the transistor 16 is implemented as an n-channel field effect transistor.
  • the transistor 16 can be used as a metal Oxide semiconductor field effect transistor, abbreviated to MOSFET, be made.
  • the transistor 16 comprises a diode 33.
  • the diode 33 is implemented as a parasitic diode.
  • a control signal ST which can also be called a switch-off signal, is fed to a control terminal 34 of the thyristor 22.
  • An input voltage UE can be tapped between the first and the second input connection 11, 12.
  • the input voltage UE is applied to the series circuit 20.
  • the input voltage UE can be positive.
  • An output voltage UA can be tapped between the first and the second output connection 13, 14.
  • the disconnector 10 generates the output voltage UA from the input voltage UE.
  • a node voltage UK can be tapped off at the tapping node 23.
  • a control voltage UG (sometimes called a gate voltage) is fed to the control terminal 27 (sometimes called a gate) of the transistor 16.
  • the thyristor 22 In normal operation, the thyristor 22 is not triggered, so that no current flows through the thyristor 22.
  • the node voltage UK can thus approximately correspond to the input voltage UE.
  • a circuit comprising the Zener diode 32 and the first resistor 26 limits the value of the control voltage UG of the transistor 16. This avoids an excessively high voltage at the control connection 27 that would damage the transistor 16. In normal operation, such a high value of the control voltage UG is applied to the control connection 27 that the transistor 16 is switched on. A flow of a current IR between the second output connection 14 and the second input connection 12 via the transistor 16 is therefore possible.
  • the values of the first and second resistors 26, 28 are selected in such a way that the disconnector 10 does not have too high a power consumption in normal operation.
  • the thyristor 22 is ignited by means of the control signal ST. Therefore, a large current flows through the first series circuit 20 and thus brings the fuse 21 to melt. After melting, the tapping node 23 is completely separated from the first input connection 11.
  • the value of the knot The voltage UK and the value of the control voltage UG decrease due to the current flows, for example through the first diode 24 and the thyristor 22 or through the second resistor 28 and the second diode 29 to the second input terminal 12.
  • the control voltage UG thus decreases in such a way that a threshold voltage of the transistor 16 is undershot and the Tran sistor 16 is placed in a non-conductive state.
  • the transistor 16 interrupts the flow of the current IR between the second output connection 14 and the second input connection 12. Due to the interruption by the transistor 16, a flow of a current IV between the first input connection 11 and the first output connection 13 is also interrupted.
  • the gate capacitance of the transistor 16 is charged via the fuse 21 and the first resistor 26, so that it becomes conductive.
  • the Zener diode 32 limits the control voltage UG.
  • the Zener diode 32 thus prevents destruction of the transistor 16 by too high a value of the control voltage UG.
  • the first and the second diode 24, 29 prevent a current flow through the control circuit of the Tran sistor 16 when the polarity of the input voltage UE changes.
  • the fuse 21 is triggered and separates the control circuit of the transistor 16 from the input voltage UE. Then the gate 27 of the transistor 16 is discharged through the two th resistor 28 and the transistor 16 blocks. The input voltage UE is separated by the blocking transistor 16 from a subsequent circuit which is connected to the first and the second output connection 13, 14 (see e.g. FIG. 3).
  • the first output connection 13 can be identical to the first input connection 11. It is also possible that the input voltage UE is negative, that is, the potential of the first input terminal 11 is lower than the potential of the second input terminal 12.
  • the transistor 16 can be implemented as a normally-off p-channel field effect transistor. The transistor 16 can be arranged between the second input connection 12 and the second output connection 14.
  • FIG 2 shows a further embodiment of a circuit breaker 10, which is a further development of the embodiment shown in Figure 1 ge.
  • the isolating switch 10 includes a further resistor 39 which couples the control connection 34 of the thyristor 22 to the second input connection 12.
  • the isolating switch 10 comprises a voltage divider 40 which couples the first input connection 11 to the second input connection 12.
  • the voltage divider 40 has a first and a second voltage divider resistor 41, 42.
  • the isolating switch 10 further comprises a voltage measuring circuit 43, which is connected on the input side to a node 44 of the voltage divider 40.
  • the node 44 is located between the first and the second voltage divider resistor 41, 42.
  • the voltage measuring circuit 43 is connected to the control terminal 34 of the thyristor 22.
  • the voltage measuring circuit 43 comprises, for example, a comparator, not shown, which is connected on the input side to the node 44 and to a reference voltage source.
  • the disconnector 10 includes a measuring resistor 50, which can also be called a shunt resistor.
  • the measuring resistor 50 couples the first input connection 11 to the first output connection 13.
  • the isolating switch comprises a current measuring circuit 51 which is coupled to the measuring resistor 50.
  • the current measuring circuit 51 is connected at a first input to a first connection of the measuring resistor 50 and at a second input to a second connection of the measuring resistor 50.
  • the current measuring circuit 51 is coupled to the control connection 34 of the thyristor 22 at one output.
  • a current IV flows between the first input connection 11 and the first output connection 13. If the value of the current IV is below a predetermined current limit value, the output of the current measuring circuit 51 is, for example, high-resistance. In this case, the current measuring circuit 51 does not influence the value of the control signal ST of the thyristor 22. If the value of the current IV is greater than the specified current limit value, the current measuring circuit 51 emits a signal on the output side which sets the control signal ST in such a way that the thyristor 22 is ignited.
  • the isolating switch 10 further comprises an optocoupler 55 with a first and a second side 56, 57.
  • a connection of the first side 56 is connected to the control connection 34 of the thyristor 22.
  • the isolating switch 10 further comprises an auxiliary supply 58.
  • the auxiliary supply 58 couples a second connection on the first side 56 of the optocoupler 55 to the first output connection 13 (alternatively to the first input connection 11).
  • the optocoupler 55 can for example comprise a phototransistor 59 or a photodiode, which is connected to the first and the second connection of the first side 56 of the optocoupler 55.
  • the second side 57 of the optocoupler 55 also comprises a first and a second connection.
  • the optocoupler 55 comprises a light-emitting diode 60 or a laser diode, which is arranged between the first and the second connection of the second side 57 of the optocoupler 55.
  • a current flow through the light-emitting diode 60 can thus trigger a current flow through the phototransistor 59. It is advantageous without galvanic Connection, a signal can be passed on to the control connection 34 of the thyristor 22 by means of the optocoupler 55.
  • FIG. 10 An example circuit for the use of an electronic circuit breaker is illustrated in FIG.
  • the circuit breaker 10 can be implemented as an electronic circuit breaker, English electronic nic circuit breaker.
  • An example circuit for using the cut-off device is shown.
  • a shutdown can be triggered by three different signals, for example:
  • Trigger 1 Overvoltage on the input side; the voltage measuring circuit 43 is designed to detect an overvoltage of the input voltage UE.
  • Trigger 2 Overcurrent on the input side; the current measuring circuit 51 is designed to detect a current, namely the current IV.
  • Trigger 3 output-side switch-off signal; in the event of an overcurrent or an overvoltage or some other fault in a circuit connected downstream of the isolating switch 10, the disconnection can be triggered.
  • the isolating switch 10 isolates the input voltage UE by means of a semiconductor, more precisely by means of the transistor 16.
  • the transistor 16 can be produced by means of a semiconductor with a wide band gap.
  • a semiconductor can be, for example, a SiC, GaN, InGaN or ZnO semiconductor.
  • the circuit breaker 10 is free of a fuse between the first input connection 11 and the first output connection 13 and free of a fuse between the second input connection 12 and the second output connection 14. No fuse is necessary in the power path.
  • a fuse 21 with a low rated current is used in the drive circuit of the transistor 16.
  • the shutdown can be triggered by various shutdown signals, for example in the event of overcurrent or overvoltage, or by a microcontroller or microprocessor.
  • An ORing ie an ORing of the switch-off signals at the control connection 34 of the thyristor 22 is possible.
  • the number of required fuses is advantageously reduced.
  • the disconnector 10 reduces the technical safety circuit complexity in the sequential circuit.
  • the isolating switch 10 can be dimensioned universally and, for example, can be adapted to different values of the input voltage UE or the input current IV.
  • the voltage measuring circuit 43 together with the voltage divider 40 can be omitted; alternatively, for example, the current measuring circuit 51 with the measuring resistor 50 can be omitted; alternatively, for example, the optocoupler 55 with the auxiliary supply circuit 58 can be omitted.
  • the isolating switch 10 can have a logic circuit which is connected on the output side to the control input 34 of the thyristor 22.
  • the logic circuit can be connected to the voltage measuring circuit 43 and / or the current measuring circuit 51 and / or the optocoupler 55 and / or a microcontroller and / or a microprocessor.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a device 70 with a circuit breaker 10, as shown in FIGS. 1 and 2, for example.
  • the device 70 further comprises an electrical load 71 which is coupled at a first connection 72 to the first output connection 13 and at a second connection 73 to the second output connection 14.
  • the electrical load 71 can, for example, be designed as a power stage or as a voltage converter.
  • the Voltage converter can be implemented as a switched-mode power supply.
  • the voltage converter can comprise a transformer, for example.
  • the voltage converter can have a chopper stage which is connected on the input side to the first and second connection 72, 73 of the electrical load 71 and on the output side to the transformer.
  • the electrical load 71 has a primary side 74 and a secondary side 75, for example.
  • the secondary side 75 of the electrical load 71 can be connected to the optocoupler 55.
  • the first and the second connection of the second side 57 of the optocoupler 55 are connected to connections of the secondary side 75 of the electrical load 71.
  • a signal can be transmitted to the isolating switch 10 from any node of the electrical load (on the secondary side 75, as shown in FIG. 3, but also on the primary side 74).
  • the Tran sistor 16 is inserted to interrupt the input-side circuit.
  • the control circuit of transistor 16 can be disconnected via fuse 21.
  • the transistor 16 blocks and interrupts the circuit on the input side.
  • the device 70 can be used, for example, for the electrical supply of a signal or a switch.
  • the device 70 can be used as a trackside device 76.
  • the device 70 can be implemented as a trackside device 76, in particular as a trackside supply device.
  • the trackside device 76 can be implemented, for example, as a signal supply device or a point machine.
  • the device 70 can be used in a rail vehicle (as shown in FIG. 4) or in another application.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment for a rail vehicle 80.
  • the rail vehicle 80 comprises a device 70, as shown in an exemplary embodiment in FIG.
  • FIG. 5 shows an example of the circuit breaker 10, which is an alternative to the embodiment shown in Figures 1 to 3 is.
  • the isolating switch 10 has an input fuse 85 which is arranged between the first input connection 11 and the first output connection 13.
  • the input voltage UE is cut off as a result of an overcurrent, which triggers the fuse 85 on the input side in the power path.
  • the rated fuse current of the input fuse 85 is dimensioned in such a way that, for example, it neither triggers in normal operation nor in the event of an inrush current.
  • the input-side power supply should be able to trigger the input-side fuse 85. To ensure that the input voltage UE is disconnected as quickly as possible in the event of a fault, at least twice the nominal current flows through the input fuse 85. This can be made more difficult, for example, by long supply lines.
  • a voltage converter for use in signaling technology is permanently deactivated in that the auxiliary supply 58 of the control unit of the power stage is disconnected from the input voltage UE by triggering the fuse 21. This is implemented by the fuse 21 and the thyristor 22. However, the input voltage UE is still applied to the power stage of the switched-mode power supply 71.
  • the input fuse 85 only guarantees protection against permanent overcurrent, but this can only be triggered if the power supply can deliver the current required for it.
  • the input fuse 85 can typically have a significantly higher fuse rating than the fuse 21.

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Abstract

Trennschalter und Verfahren zum Trennen von Anschlüssen Die Erfindung betrifft einen Trennschalter, umfassend einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss (11, 12), einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss (13, 14), einen Transistor (16) zwischen dem zweiten Eingangsanschluss (12) und dem zweiten Ausgangsanschluss (14) und eine Serienschaltung (20). Die Serienschaltung (20) umfasst eine Sicherung (21) und einen Thyristor (22) und ist an einem ersten Anschluss mit dem ersten Eingangsanschluss (11), an einem zweiten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss (12) und an einem Abgreifknoten (23) zwischen der Sicherung (21) und dem Thyristor (22) mit einem Steueranschluss (27) des Transistors (16) gekoppelt.

Description

Beschreibung
Trennschalter und Verfahren zum Trennen von Anschlüssen
Es werden ein Trennschalter und ein Verfahren zum Trennen ei nes Ausgangsanschlusses von einem Eingangsanschluss angege ben. Weiter werden ein Schienenfahrzeug und ein streckensei tiges Gerät angegeben.
Ein Trennschalter leitet üblicherweise eine Eingangsspannung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss anliegt, an einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss weiter. In einem Fehler- oder Störungsfall werden jedoch der erste und/oder der zweite Ausgangsanschluss von dem ersten und/oder dem zweiten Eingangsanschluss abgetrennt. Ein Feh ler- oder Störungsfall kann beispielsweise vorliegen, wenn die Eingangsspannung über einem vorgegebenen Spannungsgrenz wert oder ein durch einen der Eingangsanschlüsse fließender Strom über einem vorgegebenen Stromgrenzwert ist. An den ers ten und den zweiten Ausgangsanschluss kann typischerweise ei ne elektrische Last angeschlossen sein, wie etwa eine Leis tungsstufe oder ein Spannungswandler. Der erste und der zwei te Eingangsanschluss sowie der erste und der zweite Ausgangs anschluss sind elektrische Anschlüsse. Der Trennschalter kann als elektrischer Trennschalter bezeichnet werden.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Trennschalter und ein Verfahren zum Trennen eines Ausgangsanschlusses von einem Eingangsanschluss bereitzustellen, die eine schnelle Reaktion auf eine Störung ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei terbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und ge hen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Trennschal ter einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss, einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss, einen Transistor zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Aus gangsanschluss und eine Serienschaltung. Die Serienschaltung umfasst eine Sicherung und einen Thyristor. Die Serienschal tung ist an einem ersten Anschluss mit dem ersten Eingangsan schluss, an einem zweiten Anschluss mit dem zweiten Eingangs anschluss und an einem Abgreifknoten zwischen der Sicherung und dem Thyristor mit einem Steueranschluss des Transistors gekoppelt .
Mit Vorteil kann in einem Störungsfall mittels einer Steuer spannung der Thyristor gezündet werden. Eine Eingangsspannung liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss an. Damit liegt die Eingangsspannung über der Serienschaltung aus der Sicherung und dem Thyristor an. Im Fall des Zündens des Thyristors ist der Stromfluss durch die Sicherung so hoch, dass die Sicherung sicher schmilzt und einen Stromfluss durch die Serienschaltung unterbricht. An dem Abgreifknoten zwischen der Sicherung und dem Thyristor liegt eine Knoten spannung an. Die Knotenspannung hat vor dem Zünden des Thy ristors und damit vor dem Schmelzen der Sicherung einen der artigen Wert, dass der Transistor leitend ist. Nach dem Zün den des Thyristors und damit nach dem Schmelzen der Sicherung hat die Knotenspannung einen anderen Wert. Dieser andere Wert der Knotenspannung versetzt den Transistor in einen nicht- leitenden Zustand. Somit ist eine leitende Verbindung zwi schen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangs anschluss aufgetrennt und der Trennschalter unterbricht die Weiterleitung der Eingangsspannung an den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss. Die Reaktion des Thyristors führt zu einem schnellen Abschalten.
Mit Vorteil umfasst der Trennschalter die Sicherung, sodass in einem Störungsfall die beiden Ausgangsanschlüsse von den beiden Eingangsanschlüssen getrennt werden und diese Trennung dauerhaft ist. Dies ermöglicht es, einen die Störung verursa chenden Fehler zu suchen und zu beseitigen, bevor die Siche rung oder der Trennschalter zusammen mit der Sicherung ausge- tauscht werden und eine Vorrichtung oder eine Anlage, die den Trennschalter umfasst, wieder in Betrieb gesetzt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Trennschalter als elektronischer Trennschalter realisiert. Der erste und der zweite Eingangsanschluss sowie der erste und der zweite Ausgangsanschluss sind elektrische Anschlüsse.
In zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters ist die Sicherung an den ersten Eingangsanschluss und der Thyristor an den zweiten Eingangsanschluss angeschlossen. Somit ist der erste Eingangsanschluss über die Sicherung mit dem Abgreif knoten gekoppelt. Der Abgreifknoten ist über den Thyristor mit dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt.
Mit Vorteil kann durch Schmelzen der Sicherung der Abgreif knoten vom ersten Eingangsanschluss elektrisch getrennt wer den.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters um fasst die Serienschaltung eine erste Diode, die zwischen der Sicherung und dem Thyristor angeordnet ist.
Mit Vorteil legt die erste Diode eine Stromrichtung eines Stroms fest, der durch die Serienschaltung, umfassend die Si cherung, die erste Diode und den Thyristor, fließt. Sollte etwa die Polarität der Eingangsspannung geändert werden, so verhindert die erste Diode einen unerwünschten Stromfluss.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters ist der Abgreifknoten zwischen der Sicherung und der ersten Diode angeordnet. Somit ist der Abgreifknoten über die erste Diode und den Thyristor mit dem zweiten Eingangsanschluss gekop pelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschal ter einen ersten Widerstand. Der erste Widerstand ist zwi schen dem Abgreifknoten und dem Steueranschluss des Transis tors angeordnet. Mit Vorteil reduziert der erste Widerstand die Höhe eines Stromes, der vom ersten Eingangsanschluss über den Abgreif knoten zum Steueranschluss des Transistors fließt. Da der Steueranschluss des Transistors häufig eine parasitäre Kapa zität aufweist, fließt bei einem Einschaltvorgang des Trenn schalters ein Strom zum Steueranschluss des Transistors, des sen Höhe durch den ersten Widerstand eingestellt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschal ter einen zweiten Widerstand, der an einem ersten Anschluss mit dem Steueranschluss des Transistors gekoppelt ist. Der Trennschalter weist eine zweite Diode auf, die mit einem zweiten Anschluss des zweiten Widerstands und mit dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
Mit Vorteil kann nach dem Zünden des Thyristors die Steuer spannung des Transistors dadurch kleiner werden, dass Ladun gen vom Steueranschluss des Transistors über den zweiten Wi derstand und die zweite Diode zum zweiten Eingangsanschluss abfließen. Somit ermöglichen der zweite Widerstand und die zweite Diode ein Ausschalten des Transistors. Die zweite Dio de verhindert darüber hinaus einen unerwünschten Stromfluss.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschal ter eine Zenerdiode, die an einem ersten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss und an einem zweiten Anschluss mit dem Steueranschluss des Transistors gekoppelt ist. In einer Weiterbildung ist der erste Anschluss der Zenerdiode mit ei nem Knoten zwischen der Diode und dem zweiten Widerstand ge koppelt .
Mit Vorteil begrenzt die Zenerdiode den Wert der Steuerspan nung am Steueranschluss des Transistors. Somit werden ein zu hoher Wert der Steuerspannung und damit eine mögliche Zerstö rung des Transistors in der Regel vermieden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters ist der Transistor als selbstsperrender Feldeffekttransistor rea- lisiert. Mit Vorteil leitet der Transistor bei einer Steuer spannung von ungefähr 0 Volt nicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Trennschalters ist der selbstsperrende Feldeffekttransistor als selbstsperrender n-Kanal Feldeffekttransistor realisiert.
Die Eingangsspannung liegt zwischen dem ersten Eingangsan schluss und dem zweiten Eingangsanschluss an. Typischerweise ist die Eingangsspannung positiv, das heißt das Potential des ersten Eingangsanschlusses ist höher als das Potential des zweiten Eingangsanschlusses. Da der Transistor zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet sowie als selbstsperrender n-Kanal Feldeffekttran sistor realisiert ist, kann er mittels positiver Steuerspan nungen (das heißt Spannungen, die zwischen dem Potential des ersten Eingangsanschlusses und dem Potential des zweiten Ein gangsanschlusses liegen) leitend geschaltet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschal ter einen weiteren Widerstand, der mit einem Steueranschluss des Thyristors und dem zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
Mit Vorteil wird durch den weiteren Widerstand erzielt, dass in einem Normalbetrieb (das heißt, es liegt keine Störung vor) der Wert der Steuerspannung am Steueranschluss des Thy ristors in etwa dem Wert des Potentials des zweiten Eingangs anschlusses entspricht, sodass der Thyristor nicht zündet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschal ter einen Spannungsteiler, der zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist, und eine Spannungs messschaltung, die einen Knoten des Spannungsteilers mit dem Steueranschluss des Thyristors koppelt.
Mit Vorteil kann die Spannungsmessschaltung zusammen mit dem Spannungsteiler detektieren, ob ein Wert der Eingangsspannung über einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert ist. In diesem Fall stellt die Spannungsmessschaltung das Steuersignal des Thyristors derart ein, dass der Thyristor gezündet wird. Die Spannungsmessschaltung kann somit eine Überspannung detektie- ren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschal ter einen Messwiderstand, der zwischen dem ersten Eingangsan schluss und dem ersten Ausgangsanschluss angeordnet ist, und eine Strommessschaltung, die eingangsseitig mit den Anschlüs sen des Messwiderstands und ausgangsseitig mit dem Steueran schluss des Thyristors gekoppelt ist.
Mit Vorteil wird mittels des Messwiderstands und der Strom messschaltung ein Wert des Stromes, der zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss fließt, detektiert. Detektiert die Strommessschaltung, dass der Wert des Stromes über einem vorgegebenen Stromgrenzwert ist, so stellt die Strommessschaltung das Steuersignal des Thyristors mit einem derartigen Wert bereit, dass der Thyristor gezündet wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Trennschal ter eine Hilfsversorgung, die mit dem ersten Eingangsan schluss und/oder dem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und einen Optokoppler, der mit der Hilfsversorgung und mit dem Steueranschluss des Thyristors gekoppelt ist.
Mit Vorteil ist der Optokoppler mit dem Steueranschluss des Thyristors gekoppelt. Somit kann über den Optokoppler das Steuersignal des Thyristors derart eingestellt werden, dass der Thyristor gezündet wird. Der Optokoppler wird von der Hilfsversorgung mit elektrischer Energie versorgt, die aus der Eingangsspannung gewonnen wird. Mit Vorteil ermöglicht der Optokoppler eine galvanische Trennung zwischen einer Schaltung, die etwa an den ersten und den zweiten Ausgangsan schluss des Trennschalters angeschlossen ist, und dem Thyris tor. Der Trennschalter ist dazu vorgesehen und eingerichtet von einer Vorrichtung umfasst zu sein. Merkmale und Ausführungs formen, die lediglich in Verbindung mit den Trennschalter be schrieben sind, können auch in Verbindung mit der Vorrichtung ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung den Trennschalter und eine elektrische Last, die an zwei Ein gängen mit dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss des Trennschalters gekoppelt ist.
In zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die elektrische Last eine Leistungsstufe oder einen Span nungswandler. Der Spannungswandler kann beispielsweise einen Transformator umfassen.
Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen und eingerichtet von ei nem Schienenfahrzeug oder einem streckenseitigen Gerät um fasst zu sein. Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Verbindung mit der Vorrichtung beschrieben sind, können auch in Verbindung mit dem Schienenfahrzeug oder dem stre ckenseitigen Gerät ausgebildet sein und umgekehrt.
In zumindest einer Ausführungsform umfassen das Schienenfahr zeug oder das streckenseitige Gerät die Vorrichtung. Alterna tiv kann die Vorrichtung das streckenseitige Gerät bilden.
Mit Vorteil kann die Vorrichtung in einem Störungsfall nicht mittels elektrischer Signale von außen wieder in einen Aus gangszustand oder Normalbetrieb versetzt werden.
In zumindest einer Ausführungsform ist der Trennschalter, englisch circuit breaker, auf verschiedene Bereiche der Sig naltechnik und darüber hinaus anwendbar.
In zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Trennen eines Ausgangsanschlusses von einem Eingangsanschluss (insbesondere zum Trennen eines elektrischen Ausgangsan schlusses von einem elektrischen Eingangsanschluss):
- Bereitstellen einer Knotenspannung an einem Abgreifknoten zwischen einer Sicherung und einem Thyristor, wobei eine Se- rienschaltung die Sicherung und den Thyristor umfasst und ei nen ersten Eingangsanschluss mit einem zweiten Eingangsan schluss koppelt und wobei der erste Eingangsanschluss mit ei nem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist,
- Zuleiten der Knotenspannung oder einer davon abgeleiteten Spannung an einen Steueranschluss eines Transistors, der den zweiten Eingangsanschluss mit einem zweiten Ausgangsanschluss koppelt, und
- Steuern eines Stromes, der zwischen dem zweiten Eingangsan schluss und dem zweiten Ausgangsanschluss fließt, durch den Transistor .
Mit Vorteil kann durch Zünden des Thyristors mittels eines Steuersignals, das dem Steueranschluss des Thyristors zuge leitet wird, die Knotenspannung derart eingestellt werden, dass im Störungsfall der Transistor schnell den Stromfluss zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Aus gangsanschluss unterbricht. Im Normalbetrieb ermöglicht der Transistor einen Stromfluss zwischen dem zweiten Eingangsan schluss und dem zweiten Ausgangsanschluss. Aufgrund der Un terbrechung des Stromflusses zwischen dem zweiten Eingangsan schluss und dem zweiten Ausgangsanschluss fließt auch zwi schen dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsan schluss kein Strom mehr.
Das Verfahren kann mit dem Trennschalter oder der Vorrichtung gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Merkmale und Ausführungsformen, die lediglich in Ver bindung mit dem Trennschalter oder der Vorrichtung beschrie ben sind, können auch in Verbindung mit dem Verfahren ausge bildet sein und umgekehrt.
Der Trennschalter ist als elektronischer Trennschalter imple mentiert. Der Trennschalter kann z.B. frei von einem mecha nisch beweglichen Teil zum Unterbrechen des Stromflusses sein.
Der Trennschalter kann im Englischen als electronic Circuit breaker bezeichnet werden. Mit Vorteil kann eine Absicherung eines elektronischen Spannungswandlers im Fehlerfall durch Abtrennung der Eingangsspannung durch den Trennschalter er folgen. Der Trennschalter kann so realisiert sein, dass zu sätzlich zur sicheren Abschaltung der Ausgangsspannung auch die Eingangsspannung sicher abgekoppelt werden kann.
Die oben genannten Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung und die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden durch die folgende Beschreibung der Ausführungsbei spiele der Erfindung in Verbindung mit den entsprechenden Fi guren deutlicher und verständlicher, wobei
Figuren 1 und 2 Ausführungsbeispiele eines Trennschalters zeigen,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einem Trennschalter zeigt,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Schienenfahr zeugs, umfassend eine Vorrichtung mit einem Trennschalter, zeigt, und
Figur 5 ein alternatives Beispiel eines Trennschal ters zeigt.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Trennschalters 10. Der Trennschalter 10 umfasst einen ersten und einen zwei ten Eingangsanschluss 11, 12 und einen ersten und einen zwei ten Ausgangsanschluss 13, 14. Der erste Eingangsanschluss 11 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 gekoppelt. Beispiels weise schließt eine Leitung 15 den ersten Eingangsanschluss 11 an den ersten Ausgangsanschluss 13 an. Somit kann der ers te Eingangsanschluss 11 direkt und permanent an den ersten Ausgangsanschluss 13 angeschlossen sein. Weiter umfasst der Trennschalter 10 einen Transistor 16, der den zweiten Ein gangsanschluss 12 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 kop pelt. Der Transistor 16 umfasst einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 verbunden ist.
Darüber hinaus umfasst der Trennschalter 10 eine Serienschal tung 20, die eine Sicherung 21 und einen Thyristor 22 um fasst. Dabei kann die Sicherung 21 an den ersten Eingangsan schluss 11 und der Thyristor 22 an den zweiten Eingangsan schluss 12 angeschlossen sein. Die Serienschaltung 20 weist einen Abgreifknoten 23 zwischen der Sicherung 21 und dem Thy ristor 22 auf. Zusätzlich umfasst die Serienschaltung 20 eine erste Diode 24. Die erste Diode 24 koppelt den Abgreifknoten
23 mit dem Thyristor 22. Somit ist der erste Eingangsan schluss 11 über die Sicherung 21 mit dem Abgreifknoten 23 ge koppelt. Weiter ist der Abgreifknoten 23 über die erste Diode
24 und den Thyristor 22 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 gekoppelt.
Weiter umfasst der Trennschalter 10 einen ersten Widerstand 26, der den Abgreifknoten 23 mit einem Steueranschluss 27 des Transistors 16 koppelt. Zusätzlich umfasst der Trennschalter 10 einen zweiten Widerstand 28. An einem ersten Anschluss ist der zweite Widerstand 28 an den Steueranschluss 27 des Tran sistors 16 angeschlossen. Weiter umfasst der Trennschalter 10 eine zweite Diode 29, die einen zweiten Anschluss des zweiten Widerstands 28 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 koppelt. Ferner umfasst der Trennschalter 10 eine Zenerdiode 32, die an einem ersten Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 gekoppelt ist. Genauer gesagt ist der erste Anschluss der Zenerdiode 32 über die zweite Diode 29 mit dem zweiten Ein gangsanschluss 12 gekoppelt. Weiter ist ein zweiter Anschluss der Zenerdiode 32 an den Steueranschluss 27 des Transistors 16 angeschlossen. Die Zenerdiode 32 kann auch Z-Diode genannt sein. Der Thyristor 22 und die zweite Diode 29 können an eine Leitung angeschlossen sein, die den Transistor 16 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 koppelt.
Der Transistor 16 ist als selbstsperrender Feldeffekttransis tor realisiert. Der Transistor 16 ist als n-Kanal Feldeffekt transistor implementiert. Der Transistor 16 kann als Metall- Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor, abgekürzt MOSFET, her gestellt sein. Der Transistor 16 umfasst eine Diode 33. Die Diode 33 ist als parasitäre Diode realisiert.
Ein Steuersignal ST, das auch Abschaltsignal genannt werden kann, wird einem Steueranschluss 34 des Thyristors 22 zuge leitet. Eine Eingangsspannung UE ist zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss 11, 12 abgreifbar. Die Ein gangsspannung UE liegt an der Serienschaltung 20 an. Die Ein gangsspannung UE kann positiv sein. Eine Ausgangsspannung UA ist zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss 13, 14 abgreifbar. Der Trennschalter 10 erzeugt die Ausgangsspan nung UA aus der Eingangsspannung UE. Eine Knotenspannung UK ist an dem Abgreifknoten 23 abgreifbar. Eine Steuerspannung UG (manchmal Gatespannung genannt) wird dem Steueranschluss 27 (manchmal Gate genannt) des Transistors 16 zugeleitet.
In einem Normalbetrieb ist der Thyristor 22 nicht gezündet, sodass kein Strom durch den Thyristor 22 fließt. Somit kann die Knotenspannung UK näherungsweise der Eingangsspannung UE entsprechen. Eine Schaltung, umfassend die Zenerdiode 32 und den ersten Widerstand 26, begrenzt den Wert der Steuerspan nung UG des Transistors 16. Dadurch wird eine zu hohe und so mit den Transistor 16 schädigende Spannung am Steueranschluss 27 vermieden. Im Normalbetrieb liegt ein derart hoher Wert der Steuerspannung UG an dem Steueranschluss 27 an, dass der Transistor 16 leitend geschaltet ist. Daher ist ein Fluss ei nes Stromes IR zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 14 und dem zweiten Eingangsanschluss 12 über den Transistor 16 er möglicht. Die Werte des ersten und des zweiten Widerstands 26, 28 sind derart gewählt, dass der Trennschalter 10 im Nor malbetrieb keinen zu hohen Leistungsverbrauch hat.
In einem Fehlerfall (der auch Störungsfall genannt werden kann) wird mittels des Steuersignals ST der Thyristor 22 ge zündet. Daher fließt ein hoher Strom durch die erste Serien schaltung 20 und bringt somit die Sicherung 21 zum Schmelzen. Nach dem Schmelzen ist der Abgreifknoten 23 vollständig vom ersten Eingangsanschluss 11 getrennt. Der Wert der Knoten- Spannung UK sowie der Wert der Steuerspannung UG sinken auf grund der Stromflüsse beispielsweise durch die erste Diode 24 und den Thyristor 22 oder durch den zweiten Widerstand 28 und die zweite Diode 29 zum zweiten Eingangsanschluss 12. Die Steuerspannung UG sinkt damit derart, dass eine Schwellen spannung des Transistors 16 unterschritten wird und der Tran sistor 16 in einen nicht-leitenden Zustand versetzt wird. So mit unterbricht der Transistor 16 den Fluss des Stromes IR zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 14 und dem zweiten Eingangsanschluss 12. Aufgrund der Unterbrechung durch den Transistor 16 ist ebenfalls ein Fluss eines Stromes IV zwi schen dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem ersten Aus gangsanschluss 13 unterbrochen.
Sobald im Normalbetrieb die Eingangsspannung UE am Trenn schalter 10 anliegt, wird über die Sicherung 21 und den ers ten Widerstand 26 die Gatekapazität des Transistors 16 gela den, sodass dieser leitend wird. Die Zenerdiode 32 begrenzt die Steuerspannung UG. Die Zenerdiode 32 verhindert somit ei ne Zerstörung des Transistors 16 durch einen zu hohen Wert der Steuerspannung UG. Die erste und die zweite Diode 24, 29 verhindern einen Stromfluss durch den Ansteuerkreis des Tran sistors 16 bei einer Änderung der Polarität der Eingangsspan nung UE.
Sobald im Fehlerfall der Thyristor 22 durch das Steuersignal ST zündet, wird die Sicherung 21 ausgelöst und trennt den An steuerkreis des Transistors 16 von der Eingangsspannung UE. Daraufhin wird das Gate 27 des Transistors 16 durch den zwei ten Widerstand 28 entladen und der Transistor 16 sperrt. Die Eingangsspannung UE wird durch den sperrenden Transistor 16 von einer nachfolgenden Schaltung abgetrennt, die an den ers ten und den zweiten Ausgangsanschluss 13, 14 angeschlossen ist (siehe z.B. Figur 3).
Es ist auch möglich, dass der erste Ausgangsanschluss 13 mit dem ersten Eingangsanschluss 11 identisch ist. Weiterhin ist es möglich, dass die Eingangsspannung UE nega tiv ist, das heißt das Potential des ersten Eingangsanschlus ses 11 ist niedriger als das Potential des zweiten Eingangs anschlusses 12. Der Transistor 16 kann als selbstsperrender p-Kanal Feldeffekttransistor realisiert sein. Der Transistor 16 kann zwischen dem zweiten Eingangsanschluss 12 und dem zweiten Ausgangsanschluss 14 angeordnet sein.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Trenn schalters 10, das eine Weiterentwicklung des in Figur 1 ge zeigten Ausführungsbeispiels ist. Der Trennschalter 10 um fasst einen weiteren Widerstand 39, der den Steueranschluss 34 des Thyristors 22 mit dem zweiten Eingangsanschluss 12 koppelt. Der Trennschalter 10 umfasst einen Spannungsteiler 40, der den ersten Eingangsanschluss 11 mit dem zweiten Ein gangsanschluss 12 koppelt. Der Spannungsteiler 40 weist einen ersten und einen zweiten Spannungsteilerwiderstand 41, 42 auf. Weiter umfasst der Trennschalter 10 eine Spannungsmess schaltung 43, die eingangsseitig an einen Knoten 44 des Span nungsteilers 40 angeschlossen ist. Der Knoten 44 befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwi derstand 41, 42. Ausgangsseitig ist die Spannungsmessschal tung 43 mit dem Steueranschluss 34 des Thyristors 22 verbun den. Die Spannungsmessschaltung 43 umfasst beispielsweise ei nen nicht gezeigten Komparator, der eingangsseitig mit dem Knoten 44 und mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist.
Falls der Wert der Eingangsspannung UE unter einem vorgegebe nen Spannungsgrenzwert ist, ist der Ausgang der Spannungs messschaltung 43 z.B. hochohmig geschaltet. Die Spannungs messschaltung 43 gibt somit kein Signal ab, welches das Steu ersignal ST des Thyristors 22 beeinflusst. Falls die Ein gangsspannung UE über dem vorgegebenen Spannungsgrenzwert ist, gibt die Spannungsmessschaltung 43 ein Signal an ihren Ausgang ab, welches zu einem Steuersignal ST führt, das den Thyristor 22 zündet. Darüber hinaus umfasst der Trennschalter 10 einen Messwider stand 50, der auch Shunt-Widerstand genannt werden kann. Der Messwiderstand 50 koppelt den ersten Eingangsanschluss 11 mit dem ersten Ausgangsanschluss 13. Ferner umfasst der Trenn schalter eine Strommessschaltung 51, die mit dem Messwider stand 50 gekoppelt ist. Die Strommessschaltung 51 ist an ei nem ersten Eingang mit einem ersten Anschluss des Messwider stands 50 und an einem zweiten Eingang mit einem zweiten An schluss des Messwiderstands 50 verbunden. An einem Ausgang ist die Strommessschaltung 51 mit dem Steueranschluss 34 des Thyristors 22 gekoppelt. Zwischen dem ersten Eingangsan schluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 13 fließt ein Strom IV. Ist der Wert des Stroms IV unter einem vorgegebenen Stromgrenzwert, so ist der Ausgang der Strommessschaltung 51 z.B. hochohmig. In diesem Fall beeinflusst die Strommess schaltung 51 den Wert des Steuersignals ST des Thyristors 22 nicht. Ist der Wert des Stromes IV größer als der vorgegebene Stromgrenzwert, so gibt die Strommessschaltung 51 ausgangs seitig ein Signal ab, welches das Steuersignal ST derart ein stellt, dass der Thyristor 22 gezündet wird.
Weiter umfasst der Trennschalter 10 einen Optokoppler 55 mit einer ersten und einer zweiten Seite 56, 57. Ein Anschluss der ersten Seite 56 ist mit dem Steueranschluss 34 des Thy ristors 22 verbunden. Weiter umfasst der Trennschalter 10 ei ne Hilfsversorgung 58. Die Hilfsversorgung 58 koppelt einen zweiten Anschluss der ersten Seite 56 des Optokopplers 55 mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 (alternativ mit dem ersten Eingangsanschluss 11). Der Optokoppler 55 kann beispielsweise einen Phototransistor 59 oder eine Photodiode umfassen, der bzw. die an den ersten und den zweiten Anschluss der ersten Seite 56 des Optokopplers 55 angeschlossen ist. Die zweite Seite 57 des Optokopplers 55 umfasst ebenfalls einen ersten und einen zweiten Anschluss. Darüber hinaus umfasst der Opto koppler 55 eine Leuchtdiode 60 oder eine Laserdiode, die zwi schen dem ersten und dem zweiten Anschluss der zweiten Seite 57 des Optokopplers 55 angeordnet ist. Ein Stromfluss durch die Leuchtdiode 60 kann somit einen Stromfluss durch den Pho totransistor 59 triggern. Mit Vorteil ist ohne galvanische Verbindung ein Signal mittels des Optokopplers 55 an den Steueranschluss 34 des Thyristors 22 weitergebbar.
In Figur 2 ist eine Beispielschaltung zur Anwendung eines elektronischen Schutzschalters illustriert. Der Trennschalter 10 kann als elektronischer Schutzschalter, englisch electro nic Circuit breaker, realisiert sein. Eine Beispielschaltung zur Anwendung der Abschaltvorrichtung ist dargestellt. Eine Abschaltung kann dabei beispielhaft durch drei verschiedene Signale ausgelöst werden:
• Trigger 1: Eingangsseitige Überspannung; die Spannungsmess schaltung 43 ist zum Detektieren einer Überspannung der Ein gangsspannung UE ausgelegt.
• Trigger 2: Eingangsseitiger Überstrom; die Strommessschal tung 51 ist zum Detektieren eines Stroms, nämlich des Stroms IV, ausgelegt.
• Trigger 3: Ausgangsseitiges Abschaltsignal; im Fall eines Überstroms oder einer Überspannung oder einer anderen Störung in einer dem Trennschalter 10 nachgeschalteten Schaltung kann die Abschaltung ausgelöst werden.
Bei einem Triggern bzw. Abschalten wird der Thyristor 22 ge zündet und der Transistor 16 nicht-leitend geschaltet. Der Trennschalter 10 führt eine Abtrennung der Eingangsspannung UE im Fehlerfall durch einen Halbleiter, genauer gesagt durch den Transistor 16, durch. Der Transistor 16 kann mittels ei nes Halbleiters mit breitem Bandabstand (englisch: Wide band- gap) hergestellt sein. Ein derartiger Halbleiter kann z.B. ein SiC, GaN, InGaN oder ZnO Halbleiter sein. Durch die Ver wendung eines Halbleiters, insbesondere eines wide band-gap Halbleiters, entstehen ausschließlich geringe Energieverluste im Leistungspfad auch bei großen Betriebsströmen und hohen Sperrspannungen .
Der Trennschalter 10 ist frei von einer Sicherung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsan schluss 13 sowie frei von einer Sicherung zwischen dem zwei ten Eingangsanschluss 12 und dem zweiten Ausgangsanschluss 14. Es ist keine Sicherung im Leistungspfad notwendig. Eine Sicherung 21 mit kleinem Nennstrom wird im Ansteuerkreis des Transistors 16 verwendet. Zum Auslösen der Abschaltung wird ein geringer Strom bzw. wenig Energie aus der Versor gungsspannung UE benötigt. Das Auslösen der Abschaltung kann durch verschiedene Abschaltsignale z.B. bei Überstrom oder Überspannung oder durch einen Mikrocontroller oder Mikropro zessor erfolgen. Eine Veroderung (d.h. eine Oder-Verknüpfung) der Abschaltsignale am Steueranschluss 34 des Thyristors 22 ist möglich. Mit Vorteil ist die Anzahl benötigter Sicherun gen reduziert. Der Trennschalter 10 reduziert den sicherungs technischen Schaltungsaufwand in der Folgeschaltung. Der Trennschalter 10 ist universell dimensionierbar und z.B. an verschiedene Werte der Eingangsspannung UE oder des Eingangs stroms IV anpassbar.
Es ist auch möglich, dass eine oder zwei der Trigger- Mechanismen weggelassen sind. Es kann z.B. die Spannungsmess schaltung 43 zusammen mit dem Spannungsteiler 40 weggelassen sein; alternativ kann z.B. die Strommessschaltung 51 mit dem Messwiderstand 50 weggelassen sein; alternativ kann z.B. der Optokoppler 55 mit der Hilfsversorgungsschaltung 58 weggelas sen sein.
Weiter ist es auch möglich, dass der Trennschalter 10 eine Logikschaltung aufweist, die ausgangsseitig an den Steuerein gang 34 des Thyristors 22 angeschlossen ist. Eingangsseitig kann die Logikschaltung an die Spannungsmessschaltung 43 und/oder die Strommessschaltung 51 und/oder den Optokoppler 55 und/oder einen Mikrocontroller und/oder einen Mikroprozes sor angeschlossen sein.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 70 mit einem Trennschalter 10, wie er beispielsweise in den Fi guren 1 und 2 gezeigt ist. Weiter umfasst die Vorrichtung 70 eine elektrische Last 71, die an einem ersten Anschluss 72 mit dem ersten Ausgangsanschluss 13 und an einem zweiten An schluss 73 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 14 gekoppelt ist. Die elektrische Last 71 kann beispielsweise als Leis tungsstufe oder als Spannungswandler ausgebildet sein. Der Spannungswandler kann als Schaltnetzteil implementiert sein. Der Spannungswandler kann beispielsweise einen Transformator umfassen. Weiter kann der Spannungswandler eine Zerhackerstu fe aufweisen, die eingangsseitig mit dem ersten und zweiten Anschluss 72, 73 der elektrischen Last 71 und ausgangsseitig mit dem Transformator verbunden ist.
Die elektrische Last 71 weist z.B. eine Primärseite 74 und eine Sekundärseite 75 auf. Die Sekundärseite 75 der elektri schen Last 71 kann mit dem Optokoppler 55 verbunden sein. Da zu sind der erste und der zweite Anschluss der zweiten Seite 57 des Optokopplers 55 mit Anschlüssen der Sekundärseite 75 der elektrischen Last 71 verbunden. Somit kann mittels des Optokopplers 55 von beliebigen Knoten der elektrischen Last (auf der Sekundärseite 75, wie in Figur 3 gezeigt, aber auch auf der Primärseite 74) ein Signal an den Trennschalter 10 übertragen werden.
In den Leistungspfad des Spannungswandlers 71 ist der Tran sistor 16 zum Unterbrechen des eingangsseitigen Stromkreises eingefügt. Über die Sicherung 21 kann der Ansteuerkreis des Transistors 16 im Fehlerfall abgetrennt werden. Dadurch sperrt der Transistor 16 und unterbricht den eingangsseitigen Stromkreis .
Die Vorrichtung 70 kann z.B. zur elektrischen Versorgung ei nes Signals oder einer Weiche verwendet werden. Die Vorrich tung 70 kann als streckenseitiges Gerät 76 eingesetzt sein. Die Vorrichtung 70 kann als streckenseitiges Gerät 76, insbe sondere als streckenseitiges Versorgungsgerät, implementiert sein. Das streckenseitige Gerät 76 kann z.B. als Signalver sorgungsgerät oder Weichenantrieb realisiert sein.
Alternativ kann die Vorrichtung 70 in einem Schienenfahrzeug (wie in Figur 4 gezeigt) oder in einer anderen Anwendung ein gesetzt sein.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahr zeug 80. Das Schienenfahrzeug 80 umfasst eine Vorrichtung 70, wie sie etwa an einem Ausführungsbeispiel in Figur 3 gezeigt ist.
Figur 5 zeigt ein Beispiel des Trennschalters 10, das eine Alternative zu den in Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungs beispielen ist. Der Trennschalter 10 weist eine Eingangssi cherung 85 auf, die zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 13 angeordnet ist. Die Ein gangsspannung UE wird in Folge eines Überstroms abgetrennt, der die eingangsseitige Sicherung 85 im Leistungspfad aus löst. Die Eingangssicherung 85 ist in ihrem Sicherungs nennstrom so dimensioniert, dass sie z.B. weder im Normalbe trieb noch bei einer Einschaltstromspitze auslöst. Zusätzlich soll die eingangsseitige Energieversorgung in der Lage sein, die eingangsseitige Sicherung 85 auszulösen. Damit die Ein gangsspannung UE im Fehlerfall in möglichst kurzer Zeit abge trennt wird, fließt dazu mindestens der doppelte Nennstrom durch die Eingangssicherung 85. Dies kann z.B. durch lange Zuleitungen erschwert sein.
Ein Spannungswandler für den Einsatz in der Signaltechnik wird dauerhaft deaktiviert, indem die Hilfsversorgung 58 der Steuereinheit der Leistungsstufe durch Auslösen der Sicherung 21 von der Eingangsspannung UE abgetrennt wird. Dies wird durch die Sicherung 21 und den Thyristor 22 realisiert. Die Eingangsspannung UE liegt allerdings weiterhin an der Leis tungsstufe des Schaltnetzteils 71 an. Durch die Eingangssi cherung 85 wird ausschließlich ein Schutz gegen dauerhaften Überstrom gewährleistet, der jedoch nur auslösen kann, wenn die Energieversorgung den dafür nötigen Strom liefern kann. Die Eingangssicherung 85 kann typischerweise einen deutlich größeren Sicherungsnennstrom als die Sicherung 21 aufweisen.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen detail liert dargestellt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Variationen der Erfindung können von einem Fachmann erhalten werden, ohne den Schutzumfang der beanspruchten Er findung zu verlassen. Bezugszeichenliste
10 Trennschalter
11 erster Eingangsanschluss
12 zweiter Eingangsanschluss
13 erster Ausgangsanschluss
14 zweiter Ausgangsanschluss
15 Leitung
16 Transistor 20 Serienschaltung 21 Sicherung 22 Thyristor
23 Abgreifknoten
24 erste Diode 26 erster Widerstand
27 Steueranschluss
28 zweiter Widerstand 29 zweite Diode
32 Zenerdiode
33 parasitäre Diode
34 Steueranschluss
39 weiterer Widerstand
40 Spannungsteiler
41, 42 Spannungsteilerwiderstand
43 SpannungsmessSchaltung
44 Knoten
50 Messwiderstand
51 StrommessSchaltung
55 Optokoppler
56 erste Seite
57 zweite Seite
58 Hilfsversorgung
59 Phototransistor
60 Leuchtdiode
70 Vorrichtung
71 elektrische Last
72, 73 Anschluss
74 Primärseite
75 Sekundärseite 76 streckenseitiges Gerät 80 Schienenfahrzeug 85 EingangsSicherung IR, IV Strom ST Steuersignal UA AusgangsSpannung UE EingangsSpannung UG SteuerSpannung UK Knotenspannung

Claims

Patentansprüche
1. Trennschalter, umfassend
- einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss (11, 12),
- einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss (13, 14),
- einen Transistor (16) zwischen dem zweiten Eingangsan schluss (12) und dem zweiten Ausgangsanschluss (14), und
- eine Serienschaltung (20), die eine Sicherung (21) und ei nen Thyristor (22) umfasst und die an einem ersten Anschluss mit dem ersten Eingangsanschluss (11), an einem zweiten An schluss mit dem zweiten Eingangsanschluss (12) und an einem Abgreifknoten (23) zwischen der Sicherung (21) und dem Thy ristor (22) mit einem Steueranschluss (27) des Transistors (16) gekoppelt ist.
2. Trennschalter nach Anspruch 1, wobei die Serienschaltung (20) eine erste Diode (24) umfasst, die zwischen der Sicherung (21) und dem Thyristor (22) ange ordnet ist.
3. Trennschalter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Trennschalter (10) einen ersten Widerstand (26) um fasst, der zwischen dem Abgreifknoten (23) und dem Steueran schluss (27) des Transistors (16) angeordnet ist.
4. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Trennschalter (10) umfasst:
- einen zweiten Widerstand (28), der an einem ersten An schluss mit dem Steueranschluss (27) des Transistors (16) ge koppelt ist, und
- eine zweite Diode (29), die mit einem zweiten Anschluss des zweiten Widerstands (28) und mit dem zweiten Eingangsan schluss (12) gekoppelt ist.
5. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Trennschalter (10) eine Zenerdiode (32) umfasst, die an einem ersten Anschluss mit dem zweiten Eingangsan schluss (12) und an einem zweiten Anschluss mit dem Steueran schluss (27) des Transistors (16) gekoppelt ist.
6. Trennschalter nach Anspruch 5, wobei der erste Anschluss der Zenerdiode (32) an einen Knoten zwischen der zweiten Diode (29) und dem zweiten Widerstand (28) angeschlossen ist.
7. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Transistor (16) als selbstsperrender Feldeffekt transistor realisiert ist.
8. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Trennschalter (10) einen weiteren Widerstand (39) umfasst, der mit einem Steueranschluss (34) des Thyristors (22) und dem zweiten Eingangsanschluss (12) gekoppelt ist.
9. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Trennschalter (10) umfasst:
- einen Spannungsteiler (40), der zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss (11, 12) angeordnet ist, und
- eine Spannungsmessschaltung (43), die einen Knoten (44) des Spannungsteilers (40) mit einem Steueranschluss (34) des Thy ristors (22) koppelt.
10. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Trennschalter (10) umfasst:
- einen Messwiderstand (50), der zwischen dem ersten Ein gangsanschluss (11) und dem ersten Ausgangsanschluss (13) an geordnet ist, und
- eine Strommessschaltung (51), die eingangsseitig mit An schlüssen des Messwiderstands (50) und ausgangsseitig mit ei nem Steueranschluss (34) des Thyristors (22) gekoppelt ist.
11. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Trennschalter (10) umfasst:
- eine Hilfsversorgung (58), die mit dem ersten Eingangsan schluss (11) und/oder dem ersten Ausgangsanschluss (13) ge koppelt ist, und
- einen Optokoppler (55), der mit der Hilfsversorgung (58) und mit einem Steueranschluss (34) des Thyristors (22) gekop pelt ist.
12. Vorrichtung (70), umfassend
- den Trennschalter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und
- eine elektrische Last (71), die an zwei Eingängen mit dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss (13, 14) des Trenn schalters (10) gekoppelt ist.
13. Schienenfahrzeug (80), das die Vorrichtung (70) nach An spruch 12 umfasst.
14. Streckenseitiges Gerät (76), das von der Vorrichtung (70) nach Anspruch 12 gebildet wird.
15. Verfahren zum Trennen eines Ausgangsanschlusses (13, 14) von einem Eingangsanschluss (11, 12), umfassend
- Bereitstellen einer Knotenspannung (UK) an einem Abgreif knoten (23) zwischen einer Sicherung (21) und einem Thyristor (22), wobei eine Serienschaltung (20) die Sicherung (21) und den Thyristor (22) umfasst und einen ersten Eingangsanschluss (11) mit einem zweiten Eingangsanschluss (12) koppelt und wo bei der erste Eingangsanschluss (11) mit einem ersten Aus gangsanschluss (13) gekoppelt ist,
- Zuleiten der Knotenspannung (UK) oder einer davon abgelei teten Spannung (UG) an einen Steueranschluss (27) eines Tran sistors (16), der den zweiten Eingangsanschluss (12) mit ei nem zweiten Ausgangsanschluss (14) koppelt, und
- Steuern eines Stromes (IR), der zwischen dem zweiten Ein gangsanschluss (12) und dem zweiten Ausgangsanschluss (14) fließt, durch den Transistor (16).
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