DE102018118647A1

DE102018118647A1 - Einzelfehlersichere elektronische Sicherheitsschaltung

Info

Publication number: DE102018118647A1
Application number: DE102018118647.9A
Authority: DE
Inventors: René Hoffmann-Schneider; Bernhard Schorer; Florian Bereuter
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-02-06

Abstract

Einzelfehlersichere elektronische Sicherheitsschaltung mit einem Eingang E, einem Ausgang A und einem Masseanschluss GND, mit einem ersten und zweiten steuerbaren Schaltelement 1 oder 2 mit je einer Abschaltvorrichtung 5, sowie je einem zur Strommessung geeigneten Shunt-Widerstand 3 und einer mit dem Masseanschluss GND verbunden Überwachungsschaltung 4, die so ausgestaltet ist, dass bei Überschreiten einer Schaltschwelle über einem Shunt-Widerstand 3 mindestens eines der Schaltelemente 1 oder 2 durch die zugehörige Abschaltvorrichtung 5 gesteuert in einen hochohmigen Zustand übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanschluss GND der Sicherheitsschaltung eine Sicherung 6 aufweist, wobei der Masseanschluss GND erfindungsgemäß eine Sicherung 6 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine einzelfehlersichere elektronische Sicherheitsschaltung für eine technische Anlage gemäß Patentanspruch 1.
Insbesondere sollen sowohl die Anforderungen der Norm IEC61010-1,9.4c für einen „Energiebegrenzten Stromkreis“ als auch der Norm UL1310 für „Class 2“ jeweils zum Zweck des Brandschutzes durch Energiebegrenzung erfüllt werden.
Das bevorzugte Anwendungsgebiet sind Maschinensteuerungen, oder allgemein Schaltungsteile, die unter den Bedingungen eines Einzelfehlers sicher strom- oder energiebegrenzt sein sollen, ohne die Erfindung darauf zu beschränken.
Die einfachste und als sicher zu betrachtende herkömmliche Lösung wäre die Verwendung einer Schmelzsicherung zur Strom- oder Leistungsbegrenzung. Nachteilig hierbei sind:

-Hohe Toleranz der Auslösecharakteristik
-große Varianz des Nennstroms über Temperatur
-Sicherungswechsel erforderlich nach Überstrom (wenn vorgesehen)
-Langzeit-Ausfall möglich durch höhere Einschaltströme bei kapazitiven Lasten

Die DE 34 07 800 C2 zeigt eine Sicherheitsbarriere mit zwei in Serie geschalteten Längstransistoren, wobei die Sicherheit durch deren voneinander unabhängige Steuerung erreicht wird. Diese analoge Schaltung ist für höhere elektrische Leistungen ungeeignet.
Die DE 10 2004 014 065 A1 beschreibt einen Verteiler für eine Maschinensteuerung, bei dem lediglich der Summenstrom mehrerer Verbraucher an einem gemeinsamen (Masse-) Anschluss überwacht wird. Bei einer signifikanten Abweichung des Summenstromes werden der Verteiler vom Netz getrennt, der Schaltzustand der Sicherungsschaltung ausgewertet und eine Fehlermeldung erzeugt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, die Sicherungsschaltung monostabil und damit selbstrückstellend auszubilden, und die Maschine nach einer bestimmten Zeit wieder an das Netz anzuschließen. Als Nachteile werden die fehlende Einzelfehlersicherheit des Verteilers und die fehlende Überwachung der einzelnen Stromkreise angesehen.
Die DE 10 2016 114 740 B3 beschreibt eine dreipolige elektronische Sicherung mit einem Eingang, einem mit einer elektrischen Last koppelbaren Ausgang und einem Masseanschluss.
Außerdem sind ein Shunt-Widerstand und ein Spannungsdetektor zur Erfassung des Spannungsabfalls über dem Shunt-Widerstand vorhanden. Wenn die über dem Shunt-Widerstand abfallend Schaltung einen bestimmten Schwellwert übersteigt, wird ein Steuersignal zum Abschalten der elektrischen Last erzeugt und gleichzeitig ein Haltglied aktiviert, welches die Schaltung und damit das Steuersignal in einem bistabilen Zustand festhält.
Als nachteilig wird die fehlende Einzelfehlersicherheit angesehen.
Des Weiteren wird der Masseanschluss nicht gegen Überstrom geschützt und so die Schaltung selbst in der Leistung nicht begrenzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einzelfehlersichere Sicherheitsschaltung anzugeben, welche die aufgezeigten Nachteile überwindet und auch die Leistung im Masseanschluss der Schaltung der Sicherheitseinrichtung begrenzt.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin:

-den zum Masseanschluss fließenden Strom der Sicherheitsschaltung, d. h. die aufgenommene elektrische Leistung durch eine Sicherung zu begrenzen, und
-den Ausgangsstrom im Längspfad durch eine redundante oder teilredundante einzelfehlersichere strom- oder leistungsmessende Abschaltvorrichtung zu begrenzen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung in einer stark vereinfachten Darstellung, die lediglich zum besseren Verständnis der Funktionsweise dienen soll. Sie besteht aus zwei Abschaltvorrichtungen 5 mit den Schaltelementen 1 und 2 und je einer zugehörigen Überwachungsschaltung 4.
An die Eingangsklemme E liegt eine für Arbeitsmaschinen übliche Spannung von 20 bis 36 Volt, ohne die Erfindung auf diesen Spannungsbereich zu beschränken.
An die Ausgangsklemme A wird ein beliebiger Verbraucher angeschlossen. Der Masseanschluss, bzw. der Gegenpol der Eingangsspannung ist durchgeführt.
Die beiden steuerbaren Schaltelemente 1 und 2, liegen in Serie so dass sie den Verbraucherstromkreis unabhängig voneinander unterbrechen können. Es sind Feldeffekttransistoren dargestellt. Es können auch bipolare Transistoren, IGBTs, Relais oder ähnlich wirkende Bauelemente eingesetzt werden.
Die Schaltelemente 1 und 2 werden von Abschaltvorrichtungen 5 gesteuert. Sie leiben leitend, solange der vom Laststrom erzeugte Spannungsabfall über dem zugehörigen Shunt-Widerstand 3 unter einer bestimmten Schaltschwelle liegt.
Bei Überschreiten einer bestimmten Schaltschwelle durch den vom Laststrom erzeugten Spannungsabfall über einem der Shunt-Widerstände 3 gehen sie in einen hochohmigen zustand über. Dieser Fall ist durch die gestrichelten Linien angedeutet. In praxi sind Überwachungsschaltungen 4, bzw. Software vorhanden, die neben dem den Strom auch die Eingangsspannung überwachen, sowie Steuerungsfunktionen übernehmen kann. Natürlich können beide Überwachungsschaltungen 4 in einem µC oder ASIC untergebracht sein, der auch die beiden Schaltelemente beinhaltet oder zumindest steuert.
Erfindungsgemäß wird bei Überschreitung eines gemessenen und/oder errechneten Strom- oder Leistungswertes, nachfolgend Schaltschwelle genannt, die betreffende Abschaltvorrichtung 5 aktiviert und das zugehörige Schaltelement 1, 2 abgeschaltet.
Die Sicherheitsschaltung ist so ausgelegt, dass bei einem beliebigen Einzelfehler in der Hardware oder der Software der Sicherheitsschaltung ihr Längspfad immer zuverlässig unterbrochen wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das zweite Schaltelement 2 zuletzt eingeschaltet und zuerst abgeschaltet, so dass die beiden Schaltelemente 1 und 2 sich nicht gegenseitig beeinflussen können, was durch zwei unterschiedliche Schaltschwellen oder eine Kommunikation der beiden Überwachungsschaltungen 4 und / oder der Abschaltvorrichtungen 5 erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Schaltung zusätzlich durch eine Sicherung 6 gegen Masse abgesichert, so dass die Masseverbindung bei Überschreitung eines zulässigen Querstromes auf Grund eines Einzelfehlers in der Sicherheitsschaltung ebenfalls unterbrochen wird. Durch eine entsprechende Auslegung die Schaltelemente 1 und 2 ist die Sicherheitsschaltung im stromlosen Zustand gesperrt.
Die Sicherung 6 ist eine Schmelzsicherung oder eine mehrfach verwendbare selbstrückstellende Sicherung. Übliche Bezeichnungen dafür sind PPTC- oder PTC-Sicherung (englisch polymeric positive temperature coefficient) und rückstellende Sicherung. Diese Bauteile werden von den verschiedenen Herstellern unter den Markennamen Polyswitch, Multifuse, Polyfuse oder Everfuse angeboten.
Der Mikrocontroller µC übernimmt hier die Funktion einer Überwachungsschaltung 4. Als bevorzugte Ausführung können der Laststrom und die Eingangsspannung auf bekannte und deshalb nicht dargestellte Weise mit Hilfe des µC gemessen werden. Auf Grundlage dieser Werte kann die aktuelle Verlustleistung berechnet und die Schaltschwelle für den Laststrom an diesen Wert angepasst, bzw. aus einer Tabelle entnommen werden.
Durch wiederholtes kurzes Einschalten der Schaltelemente 1, 2 bei Überlast kann die Lastbedingung geprüft und bei einer zulässigen Last dauerhaft eingeschaltet bleiben. Um für die von kapazitiven Lasten hervorgerufenen Einschaltströme aufzubringen, können kurzzeitig höhere Lastströme zuglassen werden.
Darüber hinaus kann der Mikrocontroller µC Melde- und Steuerfunktionen, wie die Koordination der Überwachungsschaltungen 4 übernehmen.
Insbesondere kann anhand gemessener Strom- und Spannungswerte eine Leistungsberechnung erfolgen, wobei die Schaltschwelle an eine berechnete elektrische Leistung angepasst wird. So können bei kleinerer Eingangsspannung höhere Stromwerte zugelassen werden.
Die Schaltung kann auch mit analogen Bauteilen wie OPVs, diskret oder integriert, aufgebaut werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Sicherheitsschaltung ein hinter dem ersten Schaltelement 1 und parallel zum zweiten Schaltelement 2 angeordnetes drittes Schaltelement aufweisen, dass vorzugsweise Sensoren oder Aktoren mit Strom versorgt, und diese bevorzugt, d. h zuerst abschaltet, und danach geprüft wird, ob die Überlastsituation immer noch vorliegt. Auf diese Wiese bleibt die eigentliche Maschinensteuerung zunächst in Betrieb und kann eine Fehlerdiagnose erzeugen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass:

- eine Einzelfehlerprüfung im Rest der Schaltung und ggfls. für ext. angeschlossene Lasten für den Brandschutz nach IEC61010-1 und UL1310 bei entsprechender Auslegung der Sicherheitsschaltung nicht mehr erforderlich ist.
- bei vorgenannter Auslegung keine besonderen Anforderungen an das Gehäuse/die Umhüllung des Geräts für den Brandschutz nach IEC61010-1 und UL1310 erforderlich sind.
- gegenüber der Verwendung von Schmelzsicherungen zum Brandschutz wesentlich höhere Nutzströme möglich sind, weil die Toleranzen und vor allem das Temperatur-Derating der Schmelzsicherung, das bei 85°C leicht 30% betragen kann, weitgehend eliminiert werden können.
- keine Ausfallgefahr für Schmelzsicherungen bei Überlast/Kurzschluss am Verbraucheranschluss der Sicherheitsschaltung im Längspfad, d. h. die Zuverlässigkeit ist deutlich erhöht und die Verfügbarkeit der Einrichtung verbessert.
- Leistungsbegrenzung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung durch eine entsprechende ausgelegte Überwachungsschaltung 4 ist möglich, womit sich ein „Stromvorteil“ in Form einer höheren Strombelastbarkeit bei niedrigeren Ausgangsspannungen nach IEC61010-1 und UL1310 ergibt.
- bei entsprechender Auslegung ein direkter Anschluss von Class 2 Sensoren nach UL1310 am Ausgang möglich ist, so dass die Anforderung zur Leistungsbegrenzung am Sensor oder durch ein spezielles Class 2 Netzteil entfallen kann.

Bezugszeichenliste

1: Steuerbares Schaltelement, Transistor, MOSFET, IGBT, Relais
2: Steuerbares Schaltelement, Transistor, MOSFET, IGBT, Relais
3: Shunt-Widerstand
4: Überwachungsschaltung, Logikeinheit, vorzugsweise ein Mikrocontroller (µC)
5: Abschaltvorrichtung zur Steuerung der Schaltelemente 1 oder 2.
6: Sicherung, Schmelzsicherung oder rückstellbar / selbstrückstellend
A: Ausgang (Klemme)
E: Eingang (Klemme)
GND: Masseanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3407800 C2 [0004]
DE 102004014065 A1 [0005]
DE 102016114740 B3 [0006]

Claims

Einzelfehlersichere elektronische Sicherheitsschaltung mit einem Eingang (E), einem Ausgang (A) und einem Masseanschluss (GND), mit einem ersten und zweiten steuerbaren Schaltelement (1, 2) mit je einer Abschaltvorrichtung (5), sowie je einem zur Strommessung geeigneten Shunt-Widerstand (3) und einer mit dem Masseanschluss (GND) verbunden Überwachungsschaltung (4), die so ausgestaltet ist, dass bei Überschreiten einer Schaltschwelle über einem Shunt-Widerstand (3) mindestens eines der Schaltelemente (1, 2) durch die zugehörige Abschaltvorrichtung (5) gesteuert in einen hochohmigen Zustand übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanschluss (GND) der Sicherheitsschaltung eine Sicherung (6) aufweist.
Sicherheitsschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Schaltelemente (1, 2) beim Einschalten zunächst in einem hochohmigen Zustand sind und erst von den Überwachungsschaltungen (4) eingeschaltet werden.
Sicherheitsschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem beliebigen Einzelfehler innerhalb der Sicherheitsschaltung mindestens ein steuerbares Schaltelement (1 oder 2) abgeschaltet bleibt, so dass die nachfolgenden Schaltungsteile strom- bzw. leistungslos sind.
Sicherheitsschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden steuerbaren Schaltelemente (1, 2) bei ausgelöster Sicherung (6) den hochohmigen Zustand annehmen, in diesem Zustand verbleiben und nicht mehr ohne Weiteres in den leitenden Zustand versetzt werden können.
Sicherheitsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand gemessener Strom- und Spannungswerte eine Leistungsberechnung erfolgt, wobei die Schaltschwelle an eine berechnete elektrische Leistung angepasst wird.
Sicherheitsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung ein drittes Schaltelement aufweist, das hinter dem ersten Schaltelement 1 und parallel zum zweiten Schaltelement (2) angeordnet ist, das einen zweiten Verbraucherstromkreis bevorzugt abschaltet und anschließend geprüft wird, ob die Überlastsituation noch vorliegt.