EP4659355A1 - Schaltgerät zum elektrischen ein- und ausschalten einer mit einer gleichspannungs-versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen last sowie verfahren zum betreiben eines solchen schaltgeräts - Google Patents

Schaltgerät zum elektrischen ein- und ausschalten einer mit einer gleichspannungs-versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen last sowie verfahren zum betreiben eines solchen schaltgeräts

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Publication number
EP4659355A1
EP4659355A1 EP24702161.1A EP24702161A EP4659355A1 EP 4659355 A1 EP4659355 A1 EP 4659355A1 EP 24702161 A EP24702161 A EP 24702161A EP 4659355 A1 EP4659355 A1 EP 4659355A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
switching
switch
detection device
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24702161.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
DR. Tobias GROTE
Lutz Heuer
Elmar Schaper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP4659355A1 publication Critical patent/EP4659355A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means

Definitions

  • Switching device for electrically switching on and off an electrical load connectable to a direct voltage supply device and method for operating such a switching device
  • the invention relates to a switching device for electrically switching on and off an electrical load that can be connected to a direct voltage supply device, and to a method for operating such a switching device.
  • Switching devices with a hybrid output stage which have a parallel connection of an electromechanical switch and a semiconductor switch.
  • a relay or contactor which can also be referred to as a bypass contactor or relay, is generally used as an electromechanical switch.
  • an electrical load that can be connected to the switching device can be electrically connected to an external power supply device or electrically disconnected from it, whereby the electrical load can be switched on or off.
  • Such a switching device which is designed for AC operation, is known, for example, from WO 2014/032718 Al.
  • faults can be caused, for example, by mechanical shock loads caused by external influences on the switching device causing the mechanical contacts to separate from each other in an uncontrolled manner, which can result in arcs that can destroy the mechanical contacts. There is also a risk that an electrical load connected to the switching device will be switched off unintentionally if the mechanical switching contacts open in an uncontrolled manner.
  • the present invention is based on the object of providing a switching device for electrically switching on and off a DC voltage
  • the aim of the invention is to provide a method for preventing damage to a mechanical switching contact of a hybrid output stage of the switching device and an uncontrolled shutdown of an electrical load that can be connected to the switching device, in particular in the event of unwanted opening or bouncing of the mechanical switching contact.
  • a core idea of the invention can be seen in the creation of a switching device for electrically switching on and off an electrical load that can be connected to a direct voltage supply device, wherein the switching device has a hybrid output stage, i.e. a parallel circuit comprising a semiconductor switch and a mechanical switch of an electromechanical switch.
  • the switching device or a control and evaluation device of the switching device is designed to detect, in particular, an uncontrolled opening or bouncing of the electromechanical switch of the hybrid output stage during operation. This can be achieved with the aid of a voltage detection device that is assigned to the hybrid output stage, which can signal a fault in the electromechanical switch to the control and evaluation device during operation, i.e. when the switching device is switched on.
  • a switching device is provided in particular for electrically switching on and off an electrical load that can be connected to a direct voltage supply device, which can have the following features:
  • a Parallel circuit which has a first controllable semiconductor switch, a voltage detection device and a mechanical switching contact of a first electromechanical switch,
  • control and evaluation device which is connected to the voltage detection device, wherein the control and evaluation device is designed to monitor the voltage values preferably continuously supplied by the voltage detection device during operation and to detect a malfunction of the first electromechanical switch when the monitored voltage values change in a predetermined manner.
  • control and evaluation device can detect a fault in the electromechanical switch.
  • the switching device could report this status to a higher-level device, for example, so that appropriate measures can be taken.
  • control and evaluation device can be designed to first switch the first semiconductor switch electrically conductive, in particular during a switch-on process, and to temporarily store a first voltage value supplied by the voltage detection device, and after a predetermined period of time to close the mechanical switching contact of the first electromechanical switch and temporarily store a second voltage value supplied by the voltage detection device, which is smaller than the first voltage value, and then, i.e. in particular after successful completion of the switch-on process or during operation, to monitor the voltage values preferably continuously supplied by the voltage detection device and to detect a malfunction of the first electromechanical switch if the monitored voltage values exceed the second voltage value, in particular by a predetermined amount.
  • the control and evaluation device can detect a fault in the electromechanical switch.
  • a malfunction of the first electromechanical switch occurs in particular when the mechanical switching contact of the first electromechanical switch opens uncontrollably, for example due to vibrations of the switching device.
  • the first voltage value can be, for example, 2 V and the second voltage value can be around 0 V during proper operation.
  • the voltage detection device is designed in particular to detect the voltage value of a voltage drop across the parallel circuit and to supply this voltage value to the control and evaluation device for evaluation.
  • the expression “during operation” refers in particular to the switched-on state of the switching device.
  • the control and evaluation device detects that a fault has occurred in the first electromechanical switch.
  • the monitored voltage value in the parallel circuit rises almost back to the first voltage value.
  • the control and evaluation device is advantageously designed to detect or record a fault or malfunction of the electromechanical switch when the monitored voltage values exceed the second voltage value by a predetermined amount, which may be smaller than the first voltage value.
  • the control and evaluation device can be designed not only to close the mechanical switching contact of the first electromechanical switch after the predetermined period of time, but also to switch the first semiconductor switch to an electrically blocking state after the mechanical switching contact of the first electromechanical switch is closed.
  • the control and evaluation device is further designed to switch the first semiconductor switch to an electrically conductive state again during operation if an increase in the monitored voltage value above the second voltage value is detected.
  • control and evaluation device can be designed as a microcontroller.
  • the first voltage value, the second voltage value, possibly a threshold value that corresponds to the defined amount by which the monitored voltage value should exceed the second voltage value in the event of a fault, and/or the predetermined time period can expediently be stored in a memory device that can be implemented in the control and evaluation device or as a separate memory module.
  • the control and evaluation device can access these values in order to be able to control the switching device in the manner described above.
  • the voltage detection device comprises an electrical voltage divider.
  • a current measuring device can be arranged in the first current path or in the second current path and electrically connected to the control and evaluation device.
  • the current measuring device can be designed as a current sensor.
  • the switching device can, for example, have a detection device, an electrical energy storage device which is designed to supply energy within the device, and a voltage supply device which is connected to the first and second energy supply connection and which is electrically connected to the electrical energy storage device and the detection device.
  • the detection device is preferably designed to detect the drop in a DC voltage applied to the output of the voltage supply device below a predetermined threshold value, wherein the control and evaluation device is preferably designed to carry out a switch-off process for switching off an electrical load which can be connected to the first and second output connection in response to a drop in a DC voltage applied to the output of the voltage supply device below the predetermined threshold value detected by the detection device.
  • the switching device can have a third and fourth power supply connection to which a power supply device for providing a supply voltage for the switching device can be connected, a detection device, an electrical energy store which is designed for the device-internal power supply, and a voltage supply device connected to the third and fourth power supply connection, which is electrically connected to the electrical energy store and the detection device.
  • the detection device is preferably designed to detect the drop in a direct voltage applied to the output of the voltage supply device below a predetermined threshold value, wherein the control and evaluation device is designed to carry out a switch-off process for switching off an electrical load which can be connected to the first and second output connection in response to a drop in a direct voltage applied to the output of the voltage supply device below the predetermined threshold value detected by the detection device.
  • the voltage supply device can comprise a device for voltage conditioning, for example a voltage converter and/or voltage regulator, and optionally a reverse polarity protection.
  • the detection device can, for example, have a comparison device, which can be designed as a comparator, for example in the form of a Schmitt trigger.
  • the detection device can be implemented in the control and evaluation device or as a separate component.
  • the switching device can advantageously have an input connection which is designed to apply a control signal, the detection device being connected on the input side to the input connection and an output of the voltage supply device.
  • the control signal can be fed to the input connection by a higher-level control device and is monitored by the switching device or in particular by the control and evaluation device.
  • the detection device is in particular configured such that when the control signal is applied and when the DC voltage at the output of the power supply device falls below the predetermined threshold value, it generates a low level at the output, which signals a faulty power supply device to the control and evaluation device.
  • a further mechanical switching contact of at least one electromechanical switch can be connected in the first and/or second current path.
  • the switching device can have a second semiconductor switch that can be controlled by the control and evaluation device and that is electrically connected anti-serially to the first semiconductor switch.
  • a semiconductor diode is preferably assigned to each of the first and second semiconductor switches in such a way that that when the first and second semiconductors are controlled accordingly, an electric current can flow to a connected electrical load or to the DC voltage supply device.
  • a method for operating the switching device described above comprising the following steps: a) connecting an electrical load to the first and second output terminals; b) applying a direct voltage to the first and second power supply terminals; c) providing a supply voltage for the switching device; d) carrying out a switch-on process by the control and evaluation device (70); e) monitoring the voltage values supplied by the voltage detection device during operation by the control and evaluation device; and f) detecting a malfunction of the first electromechanical switch when the monitored voltage values change in a predetermined manner.
  • the switch-on process can be carried out by i) firstly switching the first semiconductor switch to be electrically conductive, wherein the first mechanical switch contact is opened, and a first voltage value detected by the voltage detection device is temporarily stored, and ii) after a predetermined period of time the mechanical switch contact of the first electromechanical switch is closed and a second voltage value detected by the voltage detection device, which is smaller than the first voltage value, is temporarily stored, wherein in step f) a malfunction of the first electromechanical switch is detected if the monitored voltage values exceed the second voltage value, in particular by exceed a predetermined amount.
  • the predetermined amount is preferably less than or equal to the first voltage value.
  • the first and/or second semiconductor switch can be designed as an insulated gate bipolar transistor (also called IGBT).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • FIG. 1 shows an exemplary switching device in which the invention is implemented
  • Figure 2A shows the time course of an input voltage UB
  • Figure 2B shows the time course of a control signal
  • Figure 2C shows the time course of the switching states of the first shown in Figure 1
  • Figure 2D shows the time course of the switching states of the first mechanical switching contact in Figure 1
  • Figure 2E shows the time course of the voltage values recorded by the voltage detection device.
  • FIG. 1 shows the basic circuit of an exemplary switching device 10, with which an electrical load 110 can be electrically switched on and off or electrically connected to or disconnected from a direct voltage supply device 20.
  • the switching device 10 has a first output connection 16 and a second output connection 17 to which the electrical load 110 can be connected.
  • the switching device 10 also has a first power supply connection 11 and a second power supply connection 12 to which the direct voltage supply device 20 can be connected.
  • the direct voltage supply device 20 is designed to apply a direct voltage to the two power supply connections 11 and 12.
  • the direct voltage supply device 20 is designed as a DC supply network.
  • the direct voltage supply device 20 has a first conductor 21, via which a first electrical potential, e.g.
  • a negative electrical potential can be applied to the power supply connection 11, and a second conductor 22, via which a second electrical potential, e.g. a positive electrical potential, can be applied to the power supply connection 12.
  • the switching device 10 also has a first current path 18, which is electrically connected, for example, to the first power supply connection 11 and the first output connection 16.
  • a parallel circuit 50 is arranged in the first current path 18, which can have a first controllable semiconductor switch 90, a voltage detection device 130 and a mechanical switching contact 82 of a first electromechanical switch 80.
  • the parallel circuit 50 can be referred to as a hybrid output stage.
  • the voltage detection device 130 is preferably designed as a voltage divider, which has, for example, four electrical resistors 131 to 134 connected in series.
  • the connection point between the electrical resistors 131 and 132 is electrically connected to an input 70f of the control and evaluation device 70. If the input 70f is an analog input, the control and evaluation device 70 has an A/D converter to convert the analog voltage values supplied by the voltage divider 130 into digital values.
  • the electrical resistor 131 is connected to ground, which in turn is connected to a ground input 70g of the control and evaluation device 70. In this way, a voltage drop across the resistor 131 can be measured by means of the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 is preferably floatingly connected to ground via the ground input 70g and is powered via the voltage supply 30, which may include galvanic isolation.
  • the semiconductor switch 90 can be designed as a bipolar transistor with an insulated gate electrode. Such a transistor is also referred to as an IGBT transistor.
  • the mechanical switching contact 82 lying parallel to the semiconductor switch 90 preferably belongs to an electromechanical switch 80, which is designed as a relay, for example.
  • the electromechanical switch 80 has, in a manner known per se, an excitation coil 81 located in a control circuit, which can be connected to an output 70e of a control and evaluation device 70.
  • the mechanical switching contact 82 forms a bypass for the semiconductor switch 90.
  • a diode 91 can be connected in parallel to the semiconductor switch 90, which enables a current return flow from the output connection 16 to the power supply connection 11.
  • the semiconductor switch 90 can be designed, for example, as a normally conducting n-channel transistor whose gate connection is connected to an output 70i of the control and evaluation device 70.
  • the cathode of the diode 91 is connected to the collector connection and the anode of the diode 91 is connected to the emitter connection of the semiconductor switch 90.
  • the control and evaluation device 70 can be designed, for example, as a microcontroller.
  • the collector of the semiconductor switch 90 is connected to the power supply connection 11, while the emitter connection of the semiconductor switch 81 is connected to the output connection 16.
  • a second controllable semiconductor switch 95 can be provided, which can also be designed, for example, as a normally conducting n-channel transistor and forms a so-called IGBT transistor.
  • the second semiconductor switch 95 if present, is connected anti-serially to the semiconductor switch 90.
  • the gate connection of the semiconductor switch 95 is also connected to an output 70h of the control and evaluation device 70, while the collector connection can be connected either directly or via a current measuring device 100 to the power supply connection 16 and also to the ground input 70g of the control and evaluation device.
  • the emitter connection of the semiconductor switch 95 can be electrically connected to the emitter connection of the semiconductor switch 90.
  • the semiconductor switch 95 may have a diode 96 connected in parallel to the collector and emitter, the cathode terminal of which is connected to the collector terminal and the anode terminal of which is connected to the emitter terminal of the Semiconductor switch 95 is connected.
  • Diode 96 enables a load current to flow to load 110 when semiconductor switch 90 is electrically conductive and semiconductor switch 95 is electrically blocked.
  • the basic function of semiconductor switch 95 is to enable a current flow in the direction from load 110 to energy supply device 20 with the aid of diode 91.
  • load 110 could be an energy storage device that can be discharged with the aid of switching device 10.
  • control and evaluation device 70 is able to switch semiconductor transistor 95 conductive and simultaneously switch semiconductor switch 90 blocking.
  • the semiconductor switch 95 is not implemented in the switching device 10 or is permanently kept in the electrically blocking state.
  • the switching device 10 has a second current path 19 which is electrically connected to the second power supply terminal 12 and the second output terminal 17.
  • a current measuring device 100 can be connected either to the first current path 18 or to the second current path 19.
  • the current measuring device 100 is connected to the first current path 18, specifically between the parallel circuit 50 and the output connection 16.
  • the current measuring device 100 can be designed as a current sensor in a manner known per se.
  • An input 70d of the control and evaluation device 70 is connected to an output of the current measuring device 100.
  • one task of the control and evaluation device 70 is to specifically put the semiconductor switch 90 and, if present, the semiconductor switch 95 either into a blocking or an electrically conductive state and also to close or open the mechanical switching contact 82 in a predetermined manner and to evaluate the voltage values supplied by the voltage detection device 130, in particular in the switched-on state of the switching device 10, in order to detect a disturbance of the electromechanical switch 80 and in particular an uncontrolled opening of the mechanical switch 82.
  • the supply voltage of the switching device 10 can be obtained, for example, from the direct voltage applied to the power supply terminals 11 and 12.
  • the supply voltage of the switching device 10 can also be provided via a separate external power supply device 120, which can be connected, for example, via a switch 13 to a third and fourth power supply terminal 13 and 14 of the switching device 10.
  • the power supply device 120 supplies, for example, a direct voltage UB of, for example, 24 V.
  • the supply voltage provided at the power supply terminals 13 and 14 can be fed to an internal voltage supply device 30, which is connected on the input side to the power supply terminals 13 and 14.
  • the voltage supply device 30 can, for example, have a voltage converter and a voltage regulator, which ensure that a predetermined operating voltage is provided at the output 31 of the voltage supply device 30 for the switching device 10 and its components, such as the control and evaluation device 70.
  • the voltage supply device 30 also supplies the necessary switching energy to control the mechanical switching contact 82.
  • the voltage supply device 30 supplies in particular switching energy for the excitation coil 81 in order to be able to control the mechanical switching contact 82 accordingly. If the supply voltage of the switching device 10 is obtained from the direct voltage applied to the power supply connections 11 and 12, the voltage supply device 30 is connected on the input side to the power supply connections 11 and 12.
  • the output 31 of the voltage supply device 30 an electrical energy storage device 40, for example in the form of a capacitor, can be connected.
  • the output of the energy storage device 40 is connected, for example, to a supply connection 70a of the control and evaluation device 70.
  • a detection device 150 can be provided that can in particular detect the failure of the power supply device 120.
  • the detection device 150 can be implemented, for example, by a comparator that can be designed as a Schmitt trigger or, in the simplest case, as an AND gate, the first input of which is connected to the output 31 of the voltage supply device 30, while the second input of the detection device 150 can be electrically connected to an input connection 15 of the switching device 10.
  • an optocoupler 160 can be connected between the input connection 15 and the second input of the detection device 150.
  • An external, preferably binary control signal can be applied to the input connection 15, which is supplied, for example, by a higher-level control device.
  • the output of the detection device 150 is connected to a digital input 70b of the control and evaluation device 70.
  • the detection device 150 signals to the control and evaluation device 70 that the energy supply device 120 is fault-free.
  • the detection device 150 can also be an integral part of the control and evaluation device 70. In this case, the control and evaluation device 70 has two corresponding inputs that are electrically connected to the output 31 of the voltage supply device 30 and the input connection 15.
  • the control and evaluation device 70 triggers a preferably predetermined switch-off process.
  • the energy stored in the energy storage device 40 is sufficient to carry out the switch-off process for separating the electrical load 110 from the energy supply device 20 by means of the control and evaluation device 70.
  • a memory device 60 can be implemented in the switching device 10.
  • the memory device 60 can be electrically connected to the control and evaluation device 70 as a separate memory module.
  • the memory device 60 can alternatively also be an integrated component of the control and evaluation device 70.
  • a first voltage value, a second voltage value that is smaller than the first voltage value, and/or a predetermined amount that is greater than the second voltage value and preferably smaller than or at most equal to the first voltage value can be stored in the memory device 60.
  • the first voltage value is 2 V and the second voltage value is 0 V.
  • the first voltage value is transferred from the voltage detection device 130 to the control and evaluation device 70 when the semiconductor switch 90 is electrically conductive and the mechanical switching contact 82 is open.
  • the second voltage value is transferred from the voltage detection device 130 to the control and evaluation device 70 when the mechanical switching contact 82 is closed, i.e. the excitation coil 81 is energized.
  • a further mechanical switching contact can be connected in the current path 18 and/or the current measuring path 19.
  • a further mechanical switching contact 172 is connected in the current path 18 and a mechanical switching contact 182 is connected in the second current path 19.
  • the two mechanical switching contacts 171 and 182 can be the switching contacts of a common electromechanical switch or, as shown in Figure 1, of a separate electromechanical switch 180 or 190.
  • the mechanical switching contacts 171 and 182 serve in particular for the galvanic isolation of the electrical load 110.
  • the two mechanical switching contacts 171 and 182 and also the mechanical switching contact 82 are each designed as normally open contacts.
  • control and evaluation device 70 can have two further outputs 70k or 70j, via which, for example, the switching energy for an excitation coil 171 of the electromechanical switch 170 or the switching energy for an excitation coil 181 of the electromechanical switch 180 can be supplied from the energy store 40.
  • the electromechanical switch 80 can, for example, have a further mechanical switching contact (not shown) that is mechanically connected to the switching contact 82 and that can be positively guided together.
  • the further mechanical switching contact could be connected to a further input of the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 could query the switching state of the further mechanical switching contact of the electromechanical switch 80 in order to be able to detect a fault in the mechanical switching contact 82 if necessary.
  • the switching device 10 is to carry out a switch-on process in which the electrical load 110 is electrically connected to the DC voltage supply device 20. It is also assumed that the semiconductor switch 95 is not present or, if present, is electrically blocked during the points in time considered. Furthermore, it is assumed by way of example that at time tO the control and evaluation device 70 ensures that the semiconductor switch 90 is electrically blocked, the mechanical switching contact 82 is opened and, if present, the mechanical switching contacts 172 and 182 are also opened, as shown in Figure 1. These switching states can also be seen at least partially in Figures 2C and 2d.
  • the control and evaluation device 70 preferably achieves this by the excitation coil 81 and, if present, also the excitation coils 171 and 181 not being energized, i.e. they are not connected to the voltage supply device 30 or the energy storage device 40. It should be noted that the control and evaluation device 70 is preferably designed to control the two electromechanical switches 170 and 180 synchronously.
  • a switch-on process is initiated, for example, by applying a supply voltage to the power supply terminals 13 and 14 at time t1 using the DC voltage source 120, as shown in Figure 2A. If the switching device 10 is also optionally to monitor the supply voltage present at the power supply terminals 13 and 14, a high level can also be applied to the input terminal 15 as a control signal at time t1, as shown in Figure 2B.
  • the control signal is preferably monitored by the detection device 150 or the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 causes the mechanical switching contacts 172 and 182, if present, to be closed by energizing the excitation coils 170 and 180, preferably synchronously, using the voltage supply device 30 or the energy storage device 40. At this moment, the electrical potential of the conductor 21 is applied to the output terminal 17 via the current path 19.
  • the energy storage device 40 is now charged via the voltage supply device 30 and the detection device 150, which is designed as an AND gate, for example, supplies a high level at the input 70b of the control and evaluation device 70, which signals to the control and evaluation device 70 that the supply voltage UB is correctly applied to the input terminals 13 and 14 and The control signal is present at input terminal 15.
  • the control signal is implemented, for example, by a signal with a high level.
  • the control and evaluation device 70 is designed to first switch the first semiconductor switch 90 to electrical conduction during the switch-on process at time t2, see Figure 2C, and to temporarily store a first voltage value supplied by the voltage detection device 130 to the input 70d, and after a predetermined time period t3-t2, i.e. at time t3, to close the mechanical switching contact 82 of the first electromechanical switch 80, see Figure 2D, and to temporarily store a second voltage value supplied by the voltage detection device 130 to the input 70d, which is smaller than the first voltage value.
  • a voltage of, for example, 2 V drops across the electrical resistor 131 of the voltage divider 130, which corresponds to the first voltage value
  • a voltage of, for example, approximately 0 V drops across the voltage divider 130 or across the electrical resistor 131, which corresponds to the second voltage value.
  • the control and evaluation device 70 concludes that the switch-on process was carried out successfully, i.e. without errors.
  • the optionally present current measuring device 100 signals at the input 70e of the control and evaluation device 70 that a load current is flowing.
  • the semiconductor switch 90 can be kept electrically conductive or switched to an electrically blocking state.
  • Figure 2C shows by way of example that the semiconductor 90 is permanently in the electrically conductive switching state during operation.
  • the robustness of the switching device 10 can be improved precisely because in the event of a fault, which occurs, for example, due to the uncontrolled opening or bouncing of the mechanical switching contact 82, no A change in state occurs at the load 110. If an error occurs, the load current is immediately commutated to the semiconductor switch 90. In other words, if the semiconductor 90 is kept permanently in the electrically conductive switching state during operation, the availability of the DC switching device 10 can be increased and the electrical load 110 can continue to operate, or can be switched off by means of the semiconductor switch 90 by the semiconductor switch 90 being specifically switched to the electrically blocking state by the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 begins to monitor the voltage values supplied by the voltage detection device 130 to the input 70d.
  • the control and evaluation device 70 is designed to detect a malfunction of the first electromechanical switch 80 or the mechanical switching contact 82 when the monitored voltage values change in a predetermined manner.
  • the control and evaluation device 70 detects a malfunction of the first electromechanical switch 80 or the mechanical switching contact 82 when the monitored voltage values exceed the second voltage value, ie 0V, in particular by a predetermined amount.
  • the predetermined amount is, for example, between the first and second voltage values, ie according to the exemplary implementation between 0V and 2V.
  • a voltage value supplied by the voltage divider 130 to the input 70f at time tx, which exceeds the second voltage value by a predetermined amount, is shown in dotted lines.
  • the control and evaluation device 70 detects this voltage change at the input 70f and concludes, for example by means of a plausibility check, that a fault has occurred with regard to the electromechanical switch 80 or the switching contact 82, in particular an uncontrolled opening of the mechanical switching contact 82.
  • control and evaluation device 70 can, for example, cause the switching device 10 to carry out a switch-off process to disconnect the electrical load 110 from the DC voltage supply device 20 and/or to generate a fault message, which is transmitted, for example, to a higher-level control system that is communicatively connected to the switching device 10.
  • the control and evaluation device 70 is further designed to carry out a switch-off process in order to electrically disconnect the electrical load 110 from the DC voltage power supply device 20.
  • control and evaluation device 70 can, in a manner known per se, switch the semiconductor switch 90 back to the electrically conductive state if it has been controlled to the electrically blocking state during operation and then, according to the exemplary implementation, transfer the excitation coil 81 and, if present, the excitation coils 171 and 181 to the de-energized state so that the mechanical switching contact 82 and, if present, the mechanical switching contacts 172 and 182 open.
  • the switching device 10 is preferably designed to monitor the supply voltage required to supply the switching device 10 during operation using the detection device 150 in order to be able to detect a voltage failure and, if necessary, carry out a switch-off process.
  • the energy supply device 120 fails or the supply voltage UB supplied by the energy supply device 120 at the energy supply terminals 13 and 14 falls below a predetermined threshold value, which corresponds to a low level. This is shown in Figure 2A. If, in response to this, the voltage present at the output 31 of the voltage supply device 30 falls to zero or below the predetermined threshold value, this voltage drop is detected by the detection device 150 and reported to the control and evaluation device 70. For example, in this case the detection device 150 generates a low level at its output, which signals a faulty energy supply device 120 to the control and evaluation device 70.
  • the detection device 150 which is designed as a Schmitt trigger, for example, can detect a corresponding voltage drop by an output-side Signal a level change of the control and evaluation device 70.
  • the control and evaluation device 70 causes the switching device 10 to carry out a switch-off process using the energy stored in the energy storage device 40, which can correspond to the previously described switch-off process in normal operation.
  • the exemplary switch-off process is shown in Figures 2A to 2D.
  • the power supply device 20 can be monitored by the switching device 10 for proper operation if the internal power supply of the switching device 20 is obtained from the direct voltage provided by the power supply device 20 at the terminals 11 and 12.
  • the power supply terminals 11 and 12 are connected to the power supply terminals 13 and 14 or the inputs of the voltage supply device 30. In this case, no power supply device is connected to the power supply voltage terminals 13 and 14.
  • a control signal is present at the input 15 and during proper operation the energy supply device 20 fails at time t4 or the supply voltage UB supplied by the energy supply device 20 at the energy supply connections 11 and 12 falls below a predetermined threshold value, which corresponds to a low level. If, in response to this, the voltage present at the output 31 of the voltage supply device 30 falls to zero or below the predetermined threshold value, this voltage drop is detected by the detection device 150 and reported to the control and evaluation device 70. For example, in this case the detection device 150 generates a low level at its output, which signals a faulty energy supply device 20 to the control and evaluation device 70.
  • the detection device 150 which is designed as a Schmitt trigger, for example, can detect a corresponding voltage drop by an output-side level change of the Control and evaluation device 70 signals.
  • the control and evaluation device 70 causes the switching device 10 to carry out a switch-off process using the energy stored in the energy storage device 40, which can correspond to the previously described switch-off process in normal operation.
  • the switching off process can be carried out by the switching device 10 without disruption in particular because the electrical energy storage device 40 supplies the necessary energy to supply the control and evaluation device 70 as well as the corresponding semiconductor switches and electromechanical switches with energy if the device supply of the switching device 10 via the DC voltage supply device 20 connected to the first and second energy supply connection 11, 12 or via the energy supply device 120 connected to the third and fourth energy supply connection 13, 14 collapses or fails completely.

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Abstract

Die Erfindung betrifft u.a. ein Schaltgerät (10) zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) verbindbaren elektrischen Last (110), aufweisend: - einen ersten und einen zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12), an welche eine externe Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (120) anschließbar ist, - einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17), an welche eine elektrische Last (110) anschließbar ist, - einen ersten Strompfad (18), der elektrisch mit dem ersten Energieversorgungsanschluss (11) und dem ersten Ausgangsanschluss (16) verbunden ist, wobei in dem ersten Strompfad (18) eine Parallelschaltung (50) angeordnet ist, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (90), eine Spannungserfassungseinrichtung (130) und einen mechanischen Schaltkontakt (82) eines ersten elektromechanischen Schalters (80) aufweist, - eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (70), die dazu ausgebildet ist, die von der Spannungserfassungseinrichtung (130) während des Betriebs gelieferten Spannungswerte zu überwachen und eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters (80) zu erfassen, wenn die überwachten Spannungswerte sich in vorbestimmter Weise ändern.

Description

Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Schaltgeräts
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schaltgeräts.
Bekannt sind Schaltgeräte mit einer hybriden Ausgangsstufe, die eine Parallelschaltung aus einem elektromechanischen Schalter und Halbleiterschalter aufweisen. Als elektromechanischer Schalter wird in der Regel ein Relais oder Schütz verwendet, das auch als Bypass-Schütz- oder -Relais bezeichnet werden kann. Mittels der hybriden Ausgangsstufe kann eine an das Schaltgerät anschaltbare elektrische Last mit einer externen Energieversorgungseinrichtung elektrisch verbunden oder von dieser elektrisch getrennt werden, wodurch die elektrische Last ein - bzw. ausgeschaltet werden kann. Ein solches Schaltgerät, welches für einen Wechselspannungsbetrieb ausgebildet ist, ist beispielsweise aus der WO 2014/032718 Al bekannt.
Bei einem Schaltgerät mit hybrider Ausgangsstufe können Störungen zum Beispiel dadurch vorgerufen werden, dass durch mechanische Stoßbelastungen infolge von äußeren Einflüssen auf das Schaltgerät die mechanischen Kontakte unkontrolliert voneinander getrennt werden können, sodass Lichtbögen entstehen können, die die mechanischen Kontakte zerstören können. Zudem besteht die Gefahr, dass bei einem unkontrollierten Öffnen der mechanischen Schaltkontakte eine an das Schaltgerät angeschlossene elektrische Last ungewollt abgeschaltet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last sowie ein Verfahren bereitzustellen, die ermöglichen, dass eine Beschädigung eines mechanischen Schaltkontakts einer hybriden Ausgangsstufe des Schaltgeräts und eine unkontrollierte Abschaltung einer an das Schaltgerät anschließbaren elektrischen Last insbesondere bei unerwünschtem Öffnen oder Prellen des mechanischen Schaltkontakts verhindert werden können.
Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Schaltgerät zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last zu schaffen, wobei das Schaltgerät eine hybride Ausgangsstufe, d.i. eine Parallelschaltung umfassend einen Halbleiterschalter und einen mechanischen Schalter eines elektromechanischen Schalters, aufweist. Das Schaltgerät bzw. eine Steuer- und Auswerteeinrichtung des Schaltgeräts ist dazu ausgebildet, während des Betriebs insbesondere ein unkontrolliertes Öffnen oder Prellen des elektromechanischen Schalters der hybriden Ausgangsstufe zu erfassen. Dies kann mithilfe einer Spannungserfassungseinrichtung, die der hybriden Ausgangsstufe zugeordnet ist, erreicht werden, die im laufenden Betrieb, d.h. im eingeschalteten Zustand des Schaltgeräts eine Störung des elektromechanischen Schalters der Steuer- und Auswerteeinrichtung signalisieren kann.
Das oben genannte technische Problem wird insbesondere durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist ein Schaltgerät insbesondere zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung verbindbaren elektrischen Last vorgesehen, welches folgende Merkmale aufweisen kann:
- einen ersten und einen zweiten Energieversorgungsanschluss, an welche eine externe Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung anschließbar ist,
- einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss, an welche eine elektrische Last anschließbar ist,
- einen ersten Strompfad, der elektrisch mit dem ersten Energieversorgungsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss verbunden ist, wobei in dem ersten Strompfad eine Parallelschaltung angeordnet ist, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter, eine Spannungserfassungseinrichtung und einen mechanischen Schaltkontakt eines ersten elektromechanischen Schalters aufweist,
- einen zweiten Strompfad, der elektrisch mit dem zweiten Energieversorgungsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit der Spannungserfassungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die von der Spannungserfassungseinrichtung während des Betriebs vorzugsweise kontinuierlich gelieferten Spannungswerte zu überwachen und eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters zu erfassen, wenn die überwachten Spannungswerte sich in vorbestimmter Weise ändern.
Auf diese Weise kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung eine Störung des elektromechanischen Schalters erkennen. Je nach Implementierung könnte vorgesehen sein, dass das Schaltgerät diesen Zustand beispielsweise einer übergeordneten Einrichtung meldet, damit entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, insbesondere während eines Einschaltvorgangs zuerst den ersten Halbleiterschalter elektrisch leitend zu schalten und einen von der Spannungserfassungseinrichtung gelieferten ersten Spannungswert zwischenzuspeichem, und nach einer vorbestimmten Zeitdauer den mechanischen Schaltkontakt des ersten elektromechanischen Schalters zu schließen und einen von der Spannungserfassungseinrichtung gelieferten zweiten Spannungswert zwischenzuspeichern, der kleiner als der erste Spannungswert ist, und anschließend, d.h. insbesondere nach erfolgreicher Beendigung des Einschaltvorgangs bzw. während des Betriebs, die von der Spannungserfassungseinrichtung vorzugsweise kontinuierlich gelieferten Spannungswerte zu überwachen und eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters zu erfassen, wenn die überwachten Spannungswerte den zweiten Spannungswert insbesondere um einen vorbestimmten Betrag überschreiten. Auf diese Weise kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung eine Störung des elektromechanischen Schalters erkennen.
Eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters liegt insbesondere dann vor, wenn sich der mechanische Schaltkontakt des ersten elektromechanischen Schalters unkontrolliert, zum Beispiel durch Erschütterungen des Schaltgeräts, öffnet.
Der erste Spannungswert kann bei einem ordnungsgemäßen Betrieb je nach Implementierung der Parallelschaltung beispielsweise bei 2 V und der zweite Spannungswert etwa bei 0 V liegen.
Vorteilhafterweise ist die Spannungserfassungseinrichtung insbesondere dazu ausgebildet, den Spannungswert einer an der Parallelschaltung abfallenden Spannung zu erfassen und diesen Spannungswert der Steuer- und Auswerteeinrichtung zur Auswertung zuzuführen.
Angermerkt sei, dass unter dem Ausdruck “während des Betriebs“ insbesondere der eingeschaltete Zustand des Schaltgeräts zu verstehen ist.
Überschreiten die überwachten Spannungswerte den zweiten Spannungswert, so erkennt die Steuer- und Auswerteeinrichtung, dass eine Störung am ersten elektromechanischen Schalter aufgetreten ist. Insbesondere steigt bei einem, im Betrieb unkontrolliert geöffneten mechanischen Schaltkontakt des ersten elektromechanischen Schalters der überwachte Spannungswert an der Parallelschaltung beispielsweise nahezu wieder auf den ersten Spannungswert.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ist vorteilhafterweise dazu ausgebildet, eine Störung bzw. Fehlfunktion des elektromechanischen Schalters zu erkennen bzw. zu erfassen, wenn die überwachten Spannungswerte den zweiten Spannungswert um einen vorbestimmten Betrag, der kleiner als der erste Spannungswert sein kann, überschreiten. Gemäß einer vorteilhaften Implementierung kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, nach der vorbestimmten Zeitdauer nicht nur den mechanischen Schaltkontakt des ersten elektromechanischen Schalters zu schließen, sondern auch den ersten Halbleiterschalter elektrisch sperrend zu schalten, nachdem der mechanische Schaltkontakt des ersten elektromechanischen Schalters geschlossen ist. In diesem Fall ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung ferner dazu ausgebildet, im Betrieb den ersten Halbleiterschalter wieder elektrisch leitend zu schalten, wenn ein Ansteigen des überwachten Spannungswert über den zweiten Spannungswert erfasst wird.
Dank dieser Maßnahmen ist sichergestellt, dass bei einem unkontrollierten Öffnen des mechanischen Schaltkontakts des ersten elektromechanischen Schalters während des Betriebs der im ersten Strompfad fließende Strom sofort oder ohne schädliche Zeitverzögerung über den ersten Halbleiterschalter geführt wird, d.h. zum ersten Halbleiter kommutiert wird.
Vorteilhafterweise kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung als Mikrocontroller ausgebildet sein.
Zweckmäßigerweise können der erste Spannungswert, der zweite Spannungswert, gegebenenfalls ein Schwellenwert, der dem definierten Betrag, um den der überwachte Spannungswert im Störfall den zweiten Spannungswert überschreiten soll, entspricht und/oder die vorbestimmte Zeitdauer in einer Speichereinrichtung abgelegt sein, die in der Steuer- und Auswerteeinrichtung oder als separater Speicherbaustein implementiert sein kann. Auf diese Werte kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung zugreifen, um das Schaltgerät in der oben umschriebenen Weise steuern zu können.
Gemäß einer beispielhaften und kostengünstigen Ausführungsform weist die Spannungserfassungseinrichtung einen elektrischen Spannungsteiler auf.
Um feststellen zu können, ob ein Laststrom fließt, kann eine Strommesseinrichtung in dem ersten Strompfad oder in dem zweiten Strompfad angeordnet und elektrisch mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden sein. Die Strommesseinrichtung kann als Stromsensor ausgebildet sein. Um bei einem Ausfall oder unerwünschten Abfall der Versorgungsspannung des Schaltgeräts die elektrische Last von der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung trennen zu können, kann das Schaltgerät beispielsweise eine Erfassungseinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher, der zur geräteintemen Energieversorgung ausgebildet ist, und eine mit dem ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss verbundene Spannungsversorgungseinrichtung, die mit dem elektrischen Energiespeicher und der Erfassungseinrichtung elektrisch verbunden ist, aufweisen. Die Erfassungseinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Aus schal tvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss anschließbaren elektrischen Last durchzuführen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Schaltgerät einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss, an die eine Energieversorgungseinrichtung zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät anschließbar ist, eine Erfassungseinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher, der zur geräteinternen Energieversorgung ausgebildet ist, und eine mit dem dritten und vierten Energieversorgungsanschluss verbundene Spannungsversorgungseinrichtung, die mit dem elektrischen Energiespeicher und der Erfassungseinrichtung elektrisch verbunden ist, aufweisen. Die Erfassungseinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Abfall einer am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Aus schal tvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss anschließbaren elektrischen Last durchzuführen. Die Spannungsversorgungseinrichtung kann eine Einrichtung zur Spannungsaufbereitung, beispielsweise einen Spannungswandler und/oder Spannungsregler, und gegebenenfalls einen Verpolschutz aufweisen.
Die Erfassungseinrichtung kann zum Beispiel eine Vergleichseinrichtung aufweisen, die als Komparator zum Beispiel in Form eines Schmitt-Triggers ausgebildet sein kann. Die Erfassungseinrichtung kann in der Steuer- und Auswerteeinrichtung oder als separate Komponente implementiert sein kann.
Vorteilhafterweise kann das Schaltgerät einen Eingangsanschluss aufweisen, der zum Anlegen eines Steuersignals ausgebildet ist, wobei die Erfassungseinrichtung eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss und einem Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung verbunden ist. Das Steuersignal kann von einer übergeordneten Steuereinrichtung dem Eingangsanschluss zugeführt werden und wird von dem Schaltgerät bzw. insbesondere von der Steuer- und Auswerteeinrichtung überwacht.
Die Erfassungseinrichtung ist insbesondere derart konfiguriert, dass sie beim Anliegen des Steuersignals und bei einem Abfall der am Ausgang der Spannungsversorgungseinrichtung anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert am Ausgang einen Low-Pegel erzeugt, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung eine fehlerhafte Energieversorgungseinrichtung signalisiert.
Zur galvanischen Trennung kann in den ersten und/oder zweiten Strompfad ein weiterer mechanischer Schaltkontakt wenigstens eines elektromechanischen Schalters geschaltet sein.
Vorzugsweise kann das Schaltgerät einen zweiten, durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung steuerbaren Halbleiterschalter aufweisen, der antiseriell mit dem ersten Halbleiterschalter elektrisch verbunden ist. In diesem Fall ist dem ersten und zweiten Halbleiterschalter vorzugsweise jeweils eine Halbleiterdiode derart zugeordnet, dass bei entsprechender Ansteuerung des ersten und zweiten Halbleiters ein elektrischer Strom zu einer angeschlossenen elektrischen Last bzw. zur Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung fließen kann.
Das oben genannte technische Problem wird ebenfalls durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 12 gelöst.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben des zuvor umschriebenen Schaltgeräts zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweisen kann: a) Anschließen einer elektrischen Last an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss; b) Anlegen einer Gleichspannung an den ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss; c) Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät; d) Durchführen eines Einschaltvorgangs durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70); e) Überwachen der von der Spannungserfassungseinrichtung während des Betriebs gelieferten Spannungswerte durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung; und f) Erfassen einer Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters, wenn die überwachten Spannungswerte sich in vorbestimmter Weise ändern.
Vorteilhafterweise kann in Schritt d) der Einschaltvorgang durchgeführt werden, indem i) zuerst der erste Halbleiterschalter elektrisch leitend geschaltet wird, wobei der erste mechanische Schaltkontakt geöffnet ist, und ein von der Spannungserfassungseinrichtung erfasster erster Spannungswert zwischengespeichert wird, und ii) nach einer vorbestimmten Zeitdauer der mechanische Schaltkontakt des ersten elektromechanischen Schalters geschlossen und ein von der Spannungserfassungseinrichtung erfasster zweiter Spannungswert, der kleiner als der erste Spannungswert ist, zwischengespeichert wird, wobei in Schritt f) eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters erfasst wird, wenn die überwachten Spannungswerte den zweiten Spannungswert insbesondere um einen vorbestimmten Betrag überschreiten. Der vorbestimmte Betrag ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem ersten Spannungswert.
Vorteilhafterweise kann der erste und/oder zweite Halbleiterschalter als ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (auch IGBT genannt) ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 ein beispielhaftes Schaltgerät, in welchem die Erfindung verwirklicht ist, und
Figur 2A den zeitlichen Verlauf einer Eingangsspannung UB;
Figur 2B den zeitlichen Verlauf eines Steuersignals,
Figur 2C den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des ersten in Figur 1 gezeigten
Halbleiterschalters,
Figur 2D den zeitlichen Verlauf der Schaltzustände des ersten in Figur 1 mechanischen Schaltkontakts, und
Figur 2E den zeitlichen Verlauf der von der Spannungserfassungseinrichtung erfassten Spannungswerte.
Figur 1 zeigt die Prinzipschaltung eines beispielhaften Schaltgeräts 10, mit dem eine elektrische Last 110 elektrisch ein- und ausgeschaltet bzw. elektrisch mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 verbunden oder von dieser getrennt werden kann. Hierzu weist das Schaltgerät 10 einen ersten Ausgangsanschluss 16 und einen zweiten Ausgangsanschluss 17 auf, an welche die elektrische Last 110 anschaltbar ist. Ferner weist das Schaltgerät 10 einen ersten Energieversorgungsanschluss 11 und einen zweiten Energieversorgungsanschluss 12 auf, an den die Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 anschließbar ist. Die Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, eine Gleichspannung an die beiden Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 anzulegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 als DC- Versorgungsnetz ausgebildet. Die Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 weist einen ersten Leiter 21, über den ein erstes elektrisches Potential, z.B. ein negatives elektrisches Potenzial an den Energieversorgungsanschluss 11 angelegt werden kann, und einen zweiten Leiter 22 auf, über den ein zweites elektrisches Potential, z.B. ein positives elektrisches Potenzial an den Energieversorgungsanschluss 12 angelegt werden kann. Weiterhin weist der Schaltgerät 10 einen ersten Strompfad 18 auf, der elektrisch beispielsweise mit dem ersten Energieversorgungsanschluss 11 und dem ersten Ausgangsanschluss 16 verbunden ist. In dem ersten Strompfad 18 ist eine Parallelschaltung 50 angeordnet, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter 90, eine Spannungserfassungseinrichtung 130 und einen mechanischen Schaltkontakt 82 eines ersten elektromechanischen Schalters 80 aufweisen kann. Die Parallelschaltung 50 kann als hybride Ausgangsstufe bezeichnet werden.
Die Spannungserfassungseinrichtung 130 ist vorzugsweise als Spannungsteiler ausgebildet, der zum Beispiel vier in Reihe geschaltete elektrische Widerstände 131 bis 134 aufweist. Beispielsweise ist die Verbindungsstelle zwischen den elektrischen Widerständen 131 und 132 elektrisch mit einem Eingang 70f der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden. Ist der Eingang 70f ein analoger Eingang, weist die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen A/D-Wandler auf, um die vom Spannungsteiler 130 gelieferten analogen Spannungswerte in Digitalwerte umzuwandeln. Bei dem beispielhaften Schaltgerät 10 ist der elektrische Widerstand 131 mit Masse verbunden, die wiederum mit einem Masseeingang 70g der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden ist. Auf diese Weise kann eine an dem Widerstand 131 abfallende Spannung mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 gemessen werden. Hierzu liegt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 vorzugsweise schwimmend über den Masseeingang 70g auf Masse und wird über die Spannungsversorgung 30, die eine galvanische Trennung beinhalten kann, gespeist.
Der Halbleiterschalter 90 kann als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ausgebildet sein. Ein solcher Transistor wird auch als IGBT-Transistor bezeichnet. Der parallel zu dem Halbleiterschalter 90 liegende mechanische Schaltkontakt 82 gehört vorzugsweise zu einem elektromechanischen Schalter 80, der beispielsweise als Relais ausgebildet ist. Der elektromechanische Schalter 80 weist in an sich bekannter Weise eine in einem Steuerstromkreis liegende Erregerspule 81 auf, die mit einem Ausgang 70e einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden sein kann. Der mechanische Schaltkontakt 82 bildet einen Bypass für den Halbleiterschalter 90. Wie in Figur 1 gezeigt, kann bei einer vorteilhaften Implementierung eine Diode 91 parallel zu dem Halbleiterschalter 90 geschaltet sein, die einen Stromrückfluss vom Ausgangsanschluss 16 zum Energieversorgungsanschluss 11 ermöglicht.
Der Halbleiterschalter 90 kann zum Beispiel als normal leitender n-Kanal-Transistor ausgebildet sein, dessen Gate- Anschluss mit einem Ausgang 70i der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden ist. In diesem Fall ist die Kathode der Diode 91 mit dem Kollektoranschluss und die Anode der Diode 91 mit dem Emitteranschluss des Halbleiterschalters 90 verbunden. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein. Der Kollektor des Halbleiterschalters 90 ist bei der beispielhaften Implementierung mit dem Energieversorgungsanschluss 11 verbunden, während der Emitter- Anschluss des Halbleiterschalters 81 mit dem Ausgangsanschluss 16 verbunden ist.
Optional kann ein zweiter ansteuerbarer Halbleiterschalter 95 vorgesehen sein, der ebenfalls beispielsweise als normal leitender n-Kanal-Transistor ausgebildet sein kann und einen sogenannten IGBT-Transistor bildet. Der zweite Halbleiterschalter 95 ist, sofern vorhanden, antiseriell mit dem Halbleiterschalter 90 verbunden. Im vorliegenden Beispiel ist der Gate- Anschluss des Halbleiterschalters 95 ebenfalls mit einem Ausgang 70h der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden, während der Kollektoranschluss entweder unmittelbar oder über eine Strommesseinrichtung 100 mit dem Energieversorgungsanschluss 16 und ferner mit dem Masseeingang 70g der Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden sein kann. Der Emitteranschluss des Halbleiterschalters 95 kann elektrisch mit dem Emitteranschluss des Halbleiterschalters 90 verbunden sein.
Ähnlich dem Halbleiterschalter 90 kann der Halbleiterschalter 95 eine parallel zum Kollektor und Emitter geschaltete Diode 96 aufweisen, deren Kathodenanschluss mit dem Kollektoranschluss und deren Anodenanschluss mit dem Emitteranschluss des Halbleiterschalters 95 verbunden ist. Die Diode 96 ermöglicht einen Laststrom zur Last 110 hin, wenn der Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend und der Halbleiterschalter 95 elektrisch sperrend geschaltet ist. Die Grundfunktion des Halbleiterschalters 95 ist es, einen Stromfluss in Richtung von der Last 110 zur Energieversorgungseinrichtung 20 mit Hilfe der Diode 91 zu ermöglichen. Beispielsweise könnte die Last 110 ein Energiespeicher sein, der mit Hilfe des Schaltgerätes 10 entladen werden kann. Zu diesem Zweck ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 in der Lage, den Halbleitertransistor 95 leitend und gleichzeitig den Halbleiterschalter 90 sperrend zu schalten.
Der Einfachheit halber wird im Weiteren angenommen, dass der Halbleiterschalter 95 nicht im Schaltgerät 10 implementiert ist oder dauerhaft im elektrisch sperrenden Zustand gehalten wird.
Ferner weist das Schaltgerät 10 einen zweiten Strompfad 19 auf, der elektrisch mit dem zweiten Energieversorgungsanschluss 12 und dem zweiten Ausgangsanschluss 17 verbunden ist.
Um erkennen zu können, ob ein Laststrom fließt, kann eine Strommesseinrichtung 100 entweder in den ersten Strompfad 18 oder in den zweiten Strompfad 19 geschaltet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Strommesseinrichtung 100 in den ersten Strompfad 18 geschaltet, und zwar zwischen die Parallelschaltung 50 und den Ausgangsanschluss 16. Die Strommesseinrichtung 100 kann in an sich bekannter als Stromsensor ausgebildet sein. Ein Eingang 70d der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist mit einem Ausgang der Strommesseinrichtung 100 verbunden. Wie weiter unten noch detailliert erläutert wird, besteht eine Aufgabe der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 darin, gezielt den Halbleiterschalter 90 und, falls vorhanden, den Halbleiterschalter 95 entweder in einen sperrenden oder in einen elektrisch leitenden Zustand zu versetzen und ferner den mechanischen Schaltkontakt 82 in vorbestimmter Weise zu schließen oder zu öffnen und die von der Spannungserfassungseinrichtung 130 insbesondere im eingeschalteten Zustand des Schaltgeräts 10 gelieferten Spannungswerte auszuwerten, um eine Störung des elektromechanischen Schalters 80 und insbesondere ein unkontrolliertes Öffnen des mechanischen Schalters 82 erkennen zu können.
Die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 kann beispielsweise aus der an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 angelegten Gleichspannung gewonnen werden. Alternativ, und wie dies in Figur 1 dargestellt ist, kann die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 auch über eine separate externe Energieversorgungseinrichtung 120 bereitgestellt werden, die beispielsweise über einen Schalter 13 an einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss 13 und 14 des Schaltgerätes 10 anschließbar ist. Die Energieversorgungseinrichtung 120 liefert beispielsweise eine Gleichspannung UB von beispielsweise 24 V. Die an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bereitgestellte Versorgungsspannung kann einer internen Spannungsversorgungseinrichtung 30 zugeführt, die eingangsseitig an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 angeschlossen ist. Die Spannungsversorgungseinrichtung 30 kann beispielsweise einen Spannungswandler und einen Spannungsregler aufweisen, die dafür sorgen, dass am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 eine vorbestimmte Betriebsspannung für das Schaltgerät 10 und seine Komponenten, wie zum Beispiel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70, bereitgestellt wird. Darüber hinaus liefert die Spannungsversorgungseinrichtung 30 auch die notwendige Schaltenergie zum Ansteuem des mechanischen Schaltkontakts 82. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liefert die Spannungsversorgungseinrichtung 30 insbesondere eine Schaltenergie für die Erregerspule 81, um den mechanischen Schaltkontakt 82 entsprechend ansteuern zu können. Wird die Versorgungsspannung des Schaltgeräts 10 aus der an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 angelegten Gleichspannung gewonnen, so ist die Spannungsversorgungseinrichtung 30 eingangsseitig an die Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 angeschlossen.
Um auch bei einem Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 120 oder alternativ der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 das Schaltgerät 10 temporär betriebsbereit zu halten und insbesondere einen gezielten Ausschaltvorgang der elektrischen Last 110 durchführen zu können, kann am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 ein elektrischer Energiespeicher 40 beispielsweise in Form eines Kondensators angeschlossen sein. Bei dieser beispielhaften Implementierung ist der Ausgang des Energiespeichers 40 beispielsweise mit einem Versorgungsanschluss 70a der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden.
Um die Funktionsfähigkeit der an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 anschaltbaren Energieversorgungseinrichtung 120 überwachen zu können, kann eine Erfassungseinrichtung 150 vorgesehen sein, die insbesondere den Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 120 erfassen kann. Die Erfassungseinrichtung 150 kann beispielsweise durch einen Komparator, der als Schmitt-Trigger oder im einfachsten Fall als UND-Gatter ausgebildet sein kann, realisiert sein, dessen erster Eingang mit dem Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 verbunden ist, während der zweite Eingang der Erfassungseinrichtung 150 mit einem Eingangsanschluss 15 des Schaltgeräts 10 elektrisch verbunden sein kann. Zur galvanischen Trennung kann zwischen dem Eingangsanschluss 15 und dem zweiten Eingang der Erfassungseinrichtung 150 ein Optokoppler 160 geschaltet sein. An den Eingangsanschluss 15 kann ein externes, vorzugsweise binäres Steuersignal angelegt werden, welches beispielsweise von einer übergeordneten Steuereinrichtung geliefert wird. Der Ausgang der Erfassungseinrichtung 150 ist mit einem digitalen Eingang 70b der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden. So lange am Eingangsanschluss 15 ein Steuersignal mit einem High-Pegel anliegt und die Energieversorgungseinrichtung 120 elektrisch mit den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 verbunden ist und ordnungsgemäß arbeitet, signalisiert die Erfassungseinrichtung 150 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerfreie Energieversorgungseinrichtung 120. Angemerkt sei, dass die Erfassungseinrichtung 150 auch integraler Bestandteil der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sein kann. In diesem Fall weist die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 zwei entsprechende Eingänge auf, die elektrisch mit dem Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 und dem Eingangsanschluss 15 verbunden sind.
Liegt beispielsweise an der Erfassungseinrichtung 150 ein Steuersignal mit einem High-
Pegel an, und fällt die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Ausgangsspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert, der einem Low-Pegel entspricht, dann erzeugt die Erfassungseinrichtung 150 an ihrem Ausgang beispielsweise ein Signal mit einem Low-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerhafte Energieversorgungseinrichtung 120 signalisiert. Unter Ansprechen hierauf löst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen vorzugsweise vorbestimmten Ausschaltvorgang aus. Die im Energiespeicher 40 gespeicherte Energie reicht aus, um mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 den Ausschaltvorgang zum Trennen der elektrischen Last 110 von der Energieversorgungseinrichtung 20 durchzuführen.
Ferner kann eine Speichereinrichtung 60 im Schaltgerät 10 implementiert sein. Die Speichereinrichtung 60 kann als separater Speicherbausteinen elektrisch mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden sein. Die Speichereinrichtung 60 kann alternativ auch eine integrierte Komponente der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sein. In der Speichereinrichtungen 60 können beispielsweise ein erster Spannungswert, ein zweiter Spannungswert, der kleiner als der erste Spannungswert ist, und/oder ein vorbestimmter Betrag gespeichert sein, der größer als der zweite Spannungswert und vorzugsweise kleiner oder maximal gleich dem ersten Spannungswert ist.
Beispielsweise ist der erste Spannungswert 2 V und der zweite Spannungswert 0 V. Der erste Spannungswert wird von der Spannungserfassungseinrichtung 130 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 übergeben, wenn der Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend und der mechanische Schaltkontakt 82 geöffnet ist. Der zweite Spannungswert wird von der Spannungserfassungseinrichtung 130 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 übergeben, wenn der mechanische Schaltkontakt 82 geschlossen ist, d.h. die Erregerspule 81 bestromt wird.
Optional kann in dem Strompfad 18 und/oder dem Strommesspfad 19 ein weiterer mechanischer Schaltkontakt geschaltet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein weiterer mechanischer Schaltkontakt 172 in den Strompfad 18 und ein mechanischer Schaltkontakt 182 in den zweiten Strompfad 19 geschaltet. Die beiden mechanischen Schaltkontakte 171 und 182 können die Schaltkontakte eines gemeinsamen elektromechanischen Schalters, oder, wie in Figur 1 gezeigt, jeweils eines separaten elektromechanischen Schalters 180 bzw. 190 sein, Die mechanischen Schaltkontakte 171 und 182 dienen insbesondere zur galvanischen Trennung der elektrischen Last 110. Bei der beispielhaften Implementierung sind die beiden mechanischen Schaltkontakte 171 und 182 und auch der mechanische Schaltkontakt 82 jeweils als Schließer ausgebildet. Zur Ansteuerung der mechanischen Schalter 172 und 182 kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 zwei weiteren Ausgänge 70k bzw. 70j aufweisen, über die beispielsweise die Schaltenergie für eine Erregerspule 171 des elektromechanischen Schalters 170 bzw. die Schaltenergie für eine Erregerspule 181 des elektromechanischen Schalters 180 aus dem Energiespeicher 40 geliefert werden kann.
Um den Schaltzustand des elektromechanischen Schalters 80 bzw. dessen mechanischen Schaltkontakts 82 zuverlässig erfassen zu können, kann der elektromechanische Schalter 80 zum Beispiel einen weiteren, mechanisch mit dem Schaltkontakt 82 verbundenen mechanischen Schaltkontakt (nicht dargestellt) aufweisen, die zusammen zwangsgeführt sein können. Der weitere mechanische Schaltkontakt könnte mit einem weiteren Eingang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 verbunden sein. Auf diese Weise könnte die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 den Schaltzustand des weiteren mechanischen Schaltkontakts des elektromechanischen Schalters 80 abfragen, um gegebenenfalls eine Störung des mechanischen Schaltkontakts 82 erkennen zu können.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des beispielhaften Schaltgeräts 10 und insbesondere Funktion des Schaltgeräts 10 zum Erkennen einer Störung bzw. Fehlfunktion des elektromechanischen Schalters 80 während des Betriebs, also im eingeschalteten Zustand des Schaltgeräts 10, näher erläutert. Hierzu wird auch auf die Figuren 2A bis 2E Bezug genommen.
Zunächst sei angenommen, dass das Schaltgerät 10 einen Einschaltvorgang durchführen soll, bei dem die elektrische Last 110 elektrisch mit der Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 verbunden wird. Ferner sei angenommen, dass der Halbleiterschalter 95 nicht vorhanden oder, wenn vorhanden, während der betrachteten Zeitpunkte elektrisch sperrend ist. Ferner sei beispielhaft angenommen, dass zum Zeitpunkt tO die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 dafür sorgt, dass der Halbleiterschalter 90 elektrisch sperrend geschaltet ist, der mechanische Schaltkontakt 82 geöffnet und, sofern vorhanden auch die mechanischen Schaltkontakte 172 und 182, wie in der Figur 1 gezeigt, geöffnet sind. Diese Schaltzustände sind zumindest teilweise auch in den Figuren 2C und 2d zu sehen. Dies erreicht die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 vorzugsweise dadurch, dass die Erregerspule 81 und, sofern vorhanden, auch die Erregerspulen 171 und 181 nicht bestromt werden, d.h. nicht mit der Spannungsversorgungseinrichtung 30 bzw. dem Energiespeicher 40 verbunden sind. Angemerkt sei, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 vorzugsweise dazu ausgebildet ist, die beiden elektromechanischen Schalter 170 und 180 synchron anzusteuem.
Ein Einschaltvorgang wird beispielsweise dadurch eingeleitet, dass zum Zeitpunkt tl mittels der Gleichspannungsquelle 120 eine Versorgungsspannung an die Energieversorgungsanschlüsse 13 und 14 angelegt wird, wie dies in Figur 2A gezeigt ist. Soll optional vom Schaltgerät 10 auch die an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 anliegende Versorgungsspannung überwacht werden, kann ferner zum Zeitpunkt tl als Steuersignal ein High-Pegel an den Eingangsanschluss 15 angelegt werden, wie dies in Figur 2B gezeigt ist. Das Steuersignal wird vorzugsweise von Erfassungseinrichtung 150 bzw. der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 überwacht. Zudem veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70, dass, sofern vorhanden, die mechanischen Schaltkontakte 172 und 182 geschlossen werden, indem die Erregerspulen 170 und 180 vorzugsweise synchron mittels der Spannungsversorgungseinrichtung 30 bzw. des Energiespeichers 40 bestromt werden. In diesem Moment liegt das elektrische Potenzial des Leiters 21 über den Strompfad 19 am Ausgangsanschluss 17 an.
Nunmehr wird über die Spannungsversorgungseinrichtung 30 der Energiespeicher 40 aufgeladen und die beispielsweise als UND-Gatter ausgebildete Erfassungseinrichtung 150 liefert am Eingang 70b der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 einen High-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisiert, dass an den Eingangsanschlüssen 13 und 14 ordnungsgemäß die Versorgungsspannung UB und am Eingangsanschluss 15 das Steuersignal anliegt. Das Steuersignal wird beispielsweise durch ein Signal mit einem High-Pegel realisiert.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist dazu ausgebildet, während des Einschaltvorgangs zum Zeitpunkt t2 zuerst den ersten Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend zu schalten, siehe Figur 2C, und einen von der Spannungserfassungseinrichtung 130 an den Eingang 70d gelieferten ersten Spannungswert zwischenzuspeichem, und nach einer vorbestimmten Zeitdauer t3-t2, d.h. zum Zeitpunkt t3, den mechanischen Schaltkontakt 82 des ersten elektromechanischen Schalters 80 zu schließen, siehe Figur 2D, und einen von der Spannungserfassungseinrichtung 130 an den Eingang 70d gelieferten zweiten Spannungswert zwischenzuspeichem, der kleiner als der erste Spannungswert ist. Gemäß einer beispielhaften Implementierung fällt zum Zeitpunkt t2, zu dem der Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend geschaltet wird, am elektrischen Widerstand 131 des Spannungsteilers 130 eine Spannung von beispielsweise 2 V ab, die dem ersten Spannungswert entspricht, während zum Zeitpunkt t3, zu dem im fehlerfreien Fall der mechanische Schaltkontakt 82 geschlossen wird, am Spannungsteiler 130 bzw. am elektrischen Widerstand 131 eine Spannung von beispielsweise etwa 0 V abfällt, die dem zweiten Spannungswert entspricht. Aus diesem vorbestimmten Spannungswechsel, der in Figur 2E beispielhaft dargestellt ist, schließt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70, dass der Einschaltvorgang erfolgreich, d.h. fehlerfrei, durchgeführt worden ist. Gleichzeitig signalisiert die optional vorhandene Strommesseinrichtung 100 am Eingang 70e der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70, dass ein Laststrom fließt.
Im Betrieb, d.h. nach Abschluss des Einschaltvorgangs, kann der Halbleiterschalter 90 elektrisch leitend gehalten werden, oder elektrisch sperrend geschaltet werden. In Figur 2C ist beispielhaft gezeigt, dass sich der Halbleiter 90 während des Betriebs dauerhaft im elektrisch leitenden Schaltzustand befindet.
Dank dieser beispielhaften Maßnahme kann die Robustheit des Schaltgeräts 10 gerade dadurch verbessert werden, dass im Störfall, der zum Beispiel durch das unkontrollierte Öffnen oder Prellen des mechanischen Schaltkontakts 82 auftritt, keine Zustandsänderung an der Last 110 eintritt. Tritt Fehler ein, wird der Laststrom sofort auf den Halbleiterschalter 90 kommutiert. Mit anderen Worten. Wird der Halbleiter 90 während des Betriebs dauerhaft im elektrisch leitenden Schaltzustand gehalten, kann die die Verfügbarkeit des Gleichspannungs-Schaltgeräts 10 erhöht und die elektrische Last 110 weiterbetrieben, oder mittels des Halbleiterschalters 90 abgeschaltet werden, indem der Halbleiterschalter 90 gezielt von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 in den elektrisch sperrenden Zustand geschaltet wird.
Wird der Einschaltvorgang, wie oben geschildert, erfolgreich zum Zeitpunkt t3 abgeschlossen, beginnt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 die von der Spannungserfassungseinrichtung 130 an den Eingang 70d gelieferten Spannungswerte zu überwachen. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist dazu ausgebildet, eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters 80 bzw. des mechanischen Schaltkontakts 82 zu erfassen, wenn die überwachten Spannungswerte sich in vorbestimmter Weise ändern. Vorzugsweise erfasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters 80 bzw. des mechanischen Schaltkontakts 82, wenn die überwachten Spannungswerte den zweiten Spannungswert, d.h. 0V, insbesondere um einen vorbestimmten Betrag überschreiten. Der vorbestimmte Betrag liegt beispielsweise zwischen dem ersten und zweiten Spannungswert, d.h. gemäß der beispielhaften Implementierung zwischen 0V und 2V. In Figur 2E ist ein zum Zeitpunkt tx vom Spannungsteiler 130 an den Eingang 70f gelieferter Spannungswert, der den zweiten Spannungswert um einen vorbestimmten Betrag überschreitet, gepunktet dargestellt. Diesen Spannungswechsel am Eingang 70f erfasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 und folgert zum Beispiel mittels einer Plausibilitätsprüfung hieraus, dass eine Störung hinsichtlich des elektromechanischen Schalters 80 bzw. des Schaltkontakts 82, insbesondere ein unkontrolliertes Öffnen des mechanischen Schaltkontakts 82 aufgetreten ist. Als Reaktion hierauf kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10 zum Beispiel veranlassen, einen Ausschaltvorgang zum Trennen der elektrischen Last 110 von der Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung 20 durchzuführen und/oder eine Störmeldung zu erzeugen, die beispielsweise an eine übergeordnete, kommunikativ mit dem Schaltgerät 10 verbundene Steuerung übertragen wird. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 ist ferner dazu ausgebildet, einen Ausschaltvorgang durchzuführen, um die elektrische Last 110 elektrisch von der Gleichspannungs-Energieversorgungseinrichtung 20 zu trennen. Hierzu kann in an sich bekannter Weise die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 den Halbleiterschalter 90, sofern er während des Betriebs in den elektrisch sperrenden Zustand gesteuert worden ist, wieder in den elektrisch leitenden Zustand schalten und anschließend gemäß der beispielhaften Implementierung die Erregerspule 81 und, sofern vorhanden, die Erregerspulen 171und 181 in den unbestromten Zustand überführen, sodass der mechanische Schaltkontakt 82 und, sofern vorhanden, die mechanischen Schaltkontakte 172 und 182 öffnen.
Neben der Funktion, einen Störfall hinsichtlich des elektromechanischen Schalters 80 erfassen und erkennen zu können, ist das Schaltgerät 10 vorzugsweise dazu ausgebildet, im Betrieb die zur Versorgung der Schaltgeräts 10 erforderliche Versorgungsspannung mithilfe der Erfassungseinrichtung 150 zu überwachen, um einen Spannungsausfall erfassen und gegebenenfalls einen Ausschaltvorgang durchführen zu können.
Nunmehr sei angenommen, dass am Eingang 15 ein Steuersignal anliegt und während des ordnungsgemäßen Betriebs beispielsweise zum Zeitpunkt t4 die Energieversorgungseinrichtung 120 ausfällt bzw. die von der Energieversorgungseinrichtung 120 gelieferte Versorgungsspannung UB an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 unter einen vorbestimmten Schwellenwert abfällt, der einem Low-Pegel entspricht. Dies ist in Figur 2A gezeigt. Fällt als Reaktion hierauf die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Spannung auf Null ab bzw. unter den vorbestimmten Schwellenwert, wird dieser Spannungsabfall von der Erfassungseinrichtung 150 erfasst und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 gemeldet. Beispielsweise erzeugt in diesem Fall die Erfassungseinrichtung 150 an ihrem Ausgang einen Low-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerhafte Energieversorgungseinrichtung 120 signalisiert. Einen entsprechenden Spannungsabfall kann die zum Beispiel als Schmitt- Trigger ausgebildete Erfassungseinrichtung 150 durch einen ausgangsseitigen Pegelwechsel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisieren. Unter Ansprechen auf den Ausfall der Energieversorgungsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bzw. unter Ansprechen auf einen entsprechenden Spannungsabfall am Ausgang 31 der Stromversorgungseinrichtung 30 veranlasst die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, mittels der in dem Energiespeicher 40 gespeicherten Energie einen Ausschaltvorgang durchzuführen, der dem zuvor geschilderten Ausschaltvorgang im ordnungsgemäßen Betrieb entsprechen kann. Der beispielhafte Ausschaltvorgang ist in den Figuren 2A bis 2D gezeigt.
In ähnlicher Weise kann die Energieversorgungseinrichtung 20 vom Schaltgerät 10 auf einen ordnungsgemäßen Betrieb hin überwacht werden, wenn die geräteinterne Energieversorgung des Schaltgeräts 20 aus der von der Energieversorgungseinrichtung 20 an den Anschlüssen 11 und 12 bereitgestellte Gleichspannung gewonnen wird. In diesem Fall sind die Energieversorgungsanschlüsse 11 und 12 mit den Energieversorgungsanschlüssen 13 und 14 bzw. den Eingängen der Spannungsversorgungseinrichtung 30 verbunden. An den Energieversorgungsspannungsanschlüssen 13 und 14 ist in diesem Fall keine Energieversorgungseinrichtung angeschlossen.
Nunmehr sei angenommen, dass am Eingang 15 ein Steuersignal anliegt und während des ordnungsgemäßen Betriebs die Energieversorgungseinrichtung 20 zum Zeitpunkt t4 ausfällt bzw. die von der Energieversorgungseinrichtung 20 gelieferte Versorgungsspannung UB an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 unter einen vorbestimmten Schwellenwert abfällt, der einem Low-Pegel entspricht. Fällt als Reaktion hierauf die am Ausgang 31 der Spannungsversorgungseinrichtung 30 anliegende Spannung auf Null ab bzw. unter den vorbestimmten Schwellenwert, wird dieser Spannungsabfall von der Erfassungseinrichtung 150 erfasst und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 gemeldet. Beispielsweise erzeugt in diesem Fall die Erfassungseinrichtung 150 an ihrem Ausgang einen Low-Pegel, der der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 eine fehlerhafte Energieversorgungseinrichtung 20 signalisiert. Einen entsprechenden Spannungsabfall kann die zum Beispiel als Schmitt-Trigger ausgebildete Erfassungseinrichtung 150 durch einen ausgangsseitigen Pegelwechsel der Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 signalisieren. Unter Ansprechen auf den Ausfall der Energieversorgungsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 11 und 12 bzw. unter Ansprechen auf einen entsprechenden Spannungsabfall am Ausgang 31 der Stromversorgungseinrichtung 30 veranlasst die Steuer-und Auswerteeinrichtung 70 das Schaltgerät 10, mittels der in dem Energiespeicher 40 gespeicherten Energie einen Ausschaltvorgang durchzuführen, der dem zuvor geschilderten Ausschaltvorgang im ordnungsgemäßen Betrieb entsprechen kann.
Der Ausschaltvorgang kann insbesondere deshalb störungsfrei vom Schaltgerät 10 durchgeführt werden, weil der elektrische Energiespeicher 40 die notwendige Energie liefert, um die Steuer- und Auswerteeinrichtung 70 sowie die entsprechenden Halbleiterschalter und elektromechanische Schalter mit Energie zu versorgen, wenn die Geräteversorgung des Schaltgeräts 10 über die an den ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss 11, 12 angeschlossene Gleichspannungs- Versorgungseinrichtung 20 oder über die an den dritten und vierten Energieversorgungsanschluss 13, 14 angeschlossene Energieversorgungseinrichtung 120 einbricht oder ganz ausfällt.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltgerät (10) zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer mit einer Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (20) verbindbaren elektrischen Last (110), aufweisend:
- einen ersten und einen zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12), an welche eine externe Gleichspannungs-Versorgungseinrichtung (120) anschließbar ist,
- einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17), an welche eine elektrische Last (110) anschließbar ist,
- einen ersten Strompfad (18), der elektrisch mit dem ersten Energieversorgungsanschluss (11) und dem ersten Ausgangsanschluss (16) verbunden ist, wobei in dem ersten Strompfad (18) eine Parallelschaltung (50) angeordnet ist, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (90), eine Spannungserfassungseinrichtung (130) und einen mechanischen Schaltkontakt (82) eines ersten elektromechanischen Schalters (80) aufweist,
- einen zweiten Strompfad (19), der elektrisch mit dem zweiten Energieversorgungsanschluss (12) und dem zweiten Ausgangsanschluss (17) verbunden ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (70), die mit der Spannungserfassungseinrichtung (130) verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, die von der Spannungserfassungseinrichtung (130) während des Betriebs gelieferten Spannungswerte zu überwachen und eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters (80) zu erfassen, wenn die überwachten Spannungswerte sich in vorbestimmter Weise ändern.
2. Schaltgerät nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, während eines Einschaltvorgangs zuerst den ersten Halbleiterschalter (90) elektrisch leitend zu schalten und einen von der Spannungserfassungseinrichtung (130) gelieferten ersten Spannungswert zwischenzuspeichern, und nach einer vorbestimmten Zeitdauer den mechanischen Schaltkontakt (82) des ersten elektromechanischen Schalters (80) zu schließen und einen von der Spannungserfassungseinrichtung (130) gelieferten zweiten Spannungswert zwischenzuspeichern, der kleiner als der erste Spannungswert ist, und anschließend die von der Spannungserfassungseinrichtung (130) gelieferten Spannungswerte zu überwachen und eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters (80) zu erfassen, wenn die überwachten Spannungswerte den zweiten Spannungswert überschreiten.
3. Schaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannungserfassungseinrichtung (130) einen elektrischen Spannungsteiler aufweist.
4. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Strommesseinrichtung (100), die in den ersten Strompfad (18) oder in den zweiten Strompfad (19) geschaltet und elektrisch mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) verbunden ist.
5. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Erfassungseinrichtung (150), einen elektrischen Energiespeicher (40), der zur geräteintemen Energieversorgung ausgebildet ist, eine mit dem ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12) verbundene Spannungsversorgungseinrichtung (30), die mit dem elektrischen Energiespeicher (40) und der Erfassungseinrichtung (150) elektrisch verbunden ist, wobei die Erfassungseinrichtung (150) dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen erfassten Abfall einer am Ausgang (31) der Stromversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Aus schal tvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17) anschließbaren elektrischen Last (110) durchzuführen.
6. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend: einen dritten und vierten Energieversorgungsanschluss (13, 14), an die eine Energieversorgungseinrichtung (120) zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät (10) anschließbar ist, eine Erfassungseinrichtung (150), einen elektrischen Energiespeicher (40), der zur geräteintemen Energieversorgung ausgebildet ist, eine mit dem dritten und vierten Energieversorgungsanschluss (13, 14) verbundene Spannungsversorgungseinrichtung (30), die mit dem elektrischen Energiespeicher (40) und der Erfassungseinrichtung (150) elektrisch verbunden ist, wobei die Erfassungseinrichtung (150) dazu ausgebildet ist, den Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert zu erfassen, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf einen von der Erfassungseinrichtung (150) erfassten Abfall einer am Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) anliegenden Gleichspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert einen Ausschaltvorgang zum Ausschalten einer an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17) anschließbaren elektrischen Last (110) durchzuführen.
7. Schaltgerät nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Erfassungseinrichtung (150) eine Vergleichseinrichtung aufweist.
8. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner aufweisend einen Eingangsanschluss (15), der zum Anlegen eines Steuersignals ausgebildet ist, wobei die Erfassungseinrichtung (150) eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss (15) und einem Ausgang (31) der Spannungsversorgungseinrichtung (30) verbunden ist.
9. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Erfassungseinrichtung (150) einen Komparator aufweist und in der Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) oder als separate Komponente implementiert ist.
10. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in den ersten und/oder zweiten Strompfad (18, 19) ein weiterer mechanischer Schaltkontakt (172, 182) wenigstens eines elektromechanischen Schalters (170, 180) geschaltet ist.
11. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein zweiter, durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70) steuerbarer Halbleiterschalter (95) antiseriell mit dem ersten Halbleiterschalter (90) elektrisch verbunden ist.
12. Verfahren zu Betreiben eines Schaltgeräts (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Anschließen einer elektrischen Last (110) an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss (16, 17); b) Anlegen einer Gleichspannung an den ersten und zweiten Energieversorgungsanschluss (11, 12); c) Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät (10); d) Durchführen eines Einschaltvorgangs durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70); e) Überwachen der von der Spannungserfassungseinrichtung (130) während des Betriebs gelieferten Spannungswerte durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung (70); und f) Erfassen einer Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters (80), wenn die überwachten Spannungswerte sich in vorbestimmter Weise ändern.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in Schritt d) der Einschaltvorgang durchgeführt wird, indem i) zuerst der erste Halbleiterschalter (90) elektrisch leitend geschaltet wird, wobei der erste mechanische Schaltkontakt (82) geöffnet ist, und ein von der
Spannungserfassungseinrichtung (130) erfasster erster Spannungswert zwischengespeichert wird, und ii) nach einer vorbestimmten Zeitdauer der mechanische Schaltkontakt (82) des ersten elektromechanischen Schalters (80) geschlossen und ein von der Spannungserfassungseinrichtung (130) erfasster zweiter Spannungswert, der kleiner als der erste Spannungswert ist, zwischengespeichert wird, wobei in Schritt f) eine Fehlfunktion des ersten elektromechanischen Schalters (80) erfasst wird, wenn die überwachten Spannungswerte den zweiten Spannungswert überschreiten.
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