Vorrichtung und Verfahren zur Spannungsversorgung eines spannungs- oder stromauslösenden Schaltgerätes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsversorgung eines spannungs- oder stromauslösenden Schaltgerätes mit einem Spannungs- und Stromauslöser mit zumindest einer Spule, mit einer ersten Versorgungsspannung, deren Wert durch einen vorgebbaren Vergleichswert bestimmt wird, einer Gleichrichterdiode sowie einer Speicherkapazität zum Bereitstellen einer Gleichspannung und einer Spannungsregelungseinrichtung zum Bereitstellen zumindest einer weiteren Versorgungsspannung.

Aus der EP 1 009 003 B1 ist es bereits bekannt, eine Anordnung mit einer Steuereinrichtung mit einem Elektromagneten vorzusehen, die mindestens eine Haltespule in Reihe mit einem elektronischen Schalter, angeschlossen an die Klemmen einer Versorgungsspannung der Spule, Messmittel zur Messung des in der Haltespule fließenden Haltestroms, Steuermittel zur Betätigung des Elektromagneten sowie Mittel zur Stromversorgung der Steuermittel umfasst. Die Mittel zur Stromversorgung der Steuermittel sind mit der Haltespule und dem elektronischen Schalter in Reihe geschaltet, so dass sie mit dem Haltestrom gespeist werden. Die Haltestrommessmittel umfassen eine parallel zu den Stromversorgungsmitteln der Steuermittel geschaltete Messschaltung mit einem zusätzlichen elektronischen Schalter und einen in Reihe dazu geschalteten Messwiderstand. Die Steuermittel sind an die Klemmen des Widerstandes und an eine Steuerelektrode des zusätzlichen elektronischen Schalters angeschlossen, wobei der zusätzliche elektronische Schalter in regelmäßigen Zeitabständen in den Durchlasszustand geschaltet wird. Die Stromversorgungsmittel umfassen eine mit der Spule und dem elektronischen Schalter in Reihe geschalte Zenerdiode und eine weitere Diode, die in Reihe mit einem Kondensator an die Klemmen der Zehnerdiode geschaltet ist. Ferner umfassen sie eine in Reihe mit der Zenerdiode geschaltete Diode beziehungsweise eine parallel zum Kondensator geschaltete Spannungsreglerschaltung. Ein Hilfsspannungsversorgungsregelkreis ist parallel zu einem Kondensator geschaltet. Die Hilfsversorgungsspannung wird einem Mikroprozessor

aufgegeben. Eine zweite Hilfsversorgungsspannung, die nicht geregelt wird, ist die Spannung dieses Kondensators. Der Durchtritt eines regulierten Haltestroms durch die Spule wird durch den Mikroprozessor gesteuert. Periodisch beaufschlagt der Mikroprozessor gleichzeitig zwei seiner Ausgänge, die jeweils auf einen Transistor führen, die einmal sourceseitig und einmal gateseitig mit dem Versorgungskreis verbunden sind. Der Mikroprozessor sendet Steuerungsbefehle an die beiden Transistoren während der erforderlichen Zeit zum Messen der Spannung an dem Widerstand, der sich sourceseitig an den einen der beiden Transistoren anschließt. Der andere Transistor ist gateseitig mit einer Spannungsanpassungsschaltung verbunden, die ihrerseits an dem einen Signalausgang des Mikroprozessors liegt.

Aus der DE 299 09 901 IM geht eine elektronische Antriebssteuerung für einen Schützantrieb hervor, der eine Antriebsspule und einen Anker enthält. Um eine Antriebssteuerung ohne Kontrolle des Spulenstroms zu realisieren, wird über eine jeweilige Pulsbreite der Antriebsspule innerhalb eines weiten statischen und dynamischen Bereichs einer von einer Gleichrichterschaltung zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung mit hoher Dynamik eine mittlere Betätigungsspannung optimaler Größe zur Verfügung gestellt. Dies erfolgt sowohl beim Anzieh- als auch beim Haltevorgang. Eine hohe Dynamik resultiert aus der unter Umgehung einer Abfrage des Spulenstroms allein aus der Speisespannung abgeleiteten Pulsbreitensteuerung. Die mittlere Betätigungsspannung soll nahezu unabhängig von der Versorgungsspannung und so bemessen sein, dass der Anker mit optimaler Einschaltdynamik angezogen und mit minimaler Leistung sicher gehalten wird. über einen Mikroprozessor wird die Einhaltung eines zulässigen Spannungsbereichs für die Eingangsspannung kontrolliert und bei Unter- bzw. überschreiten dieses Bereichs wird das Einschalten des Schutzantriebs blockiert beziehungsweise bei Erreichen dieses Bereiches aktiviert.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsversorgung eines spannungs- oder stromauslösenden Schaltgerätes mit einer Spule eines Spannungs- oder Strömauslösers vorzusehen, wobei auf den Aufbau eines getrennten

Schaltnetzteils verzichtet werden kann und insbesondere auf das Vorsehen eines Linearreglers, und bei der ein einfacherer Aufbau als im Stand der Technik insbesondere der EP 1 009 003 B1 vorgesehen ist.

Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine Einrichtung zur Pulsweitenmodulation vorgesehen ist, zum Halten eines Anzugsstroms und eines Haltestroms der den Spannungs- oder Stromauslöser betätigenden Spule und die Spule als Impedanz der als Netzteil wirkenden Vorrichtung dient, wobei eine messwiderstandsfreie Stromregelung vorgesehen ist. Die Aufgabe wird durch ein spannungs- oder stromauslösendes Schaltgerät mit einer solchen Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 dadurch gelöst, dass eine Spule des Spannungs- oder Stromauslösers als Impedanz der als Netzteil wirkenden Vorrichtung und eine Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zum Halten eines Anzugs- oder Haltestroms der Spule vorgesehen sind. Für ein Verfahren zur Spannungsversorgung eines solchen spannungs- oder stromauslösenden Schaltgeräts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Spule als Impedanz einer als Netzteil wirkenden Spannungsversorgungsvorrichtung verwendet wird und der durch die Spule fließende Strom zum Aufbau der Versorgungsspannung des Schaltgerätes verwendet und über den Versorgungsspannungsbereich durch Pulsweitenmodulation aufrecht erhalten wird. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Dadurch werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsversorgung bzw. ein Schaltgerät mit einer solchen Vorrichtung zur Spannungsversorgung geschaffen, bei denen kein gesondertes Netzteil mehr aufgebaut zu werden braucht, um die Spannungsversorgung für eine Steuereinheit sicherzustellen. Im Bereich des zumindest einen Spannungs- oder Stromauslösers wird nach Anlegen einer Versorgungsspannung ein Stößel angezogen und in dieser neuen Position gehalten. Bei einem Spannungsauslöser kann das Schaltgerät, das insbesondere ein Leistungsschalter ist, nachfolgend weiter eingeschaltet werden. Der Stößel in der angezogenen Position führt hier zu keiner Blockierung. Hingegen wird bei einem Stromauslöser das Schaltgerät, insbesondere der Leistungsschalter, bei Anlegen der Versorgungsspannung ausgelöst und ein

erneutes Einschalten verhindert. Zur Versorgung der die Ansteuerung hier vornehmenden Steuereinheit wird kein gesondertes Netzteil vorgesehen, sondern die Vorrichtung zur Spannungsversorgung, die die Spule, die zur Betätigung des Spannungs- oder Stromauslösers dient, als Impedanz nutzt. Es kann nur eine Spule vorgesehen sein, die als Anzugs- oder Haltespule dient. Ferner können zumindest zwei Spulen vorgesehen werden, von denen eine eine Anzugsspule und eine andere eine Haltespule ist. Im Folgenden wird lediglich der Begriff der „Spule" verwendet, von dem jedoch beide vorstehenden Varianten umfasst sein sollen.

Der durch die Spule fließende Strom wird zur Spannungsversorgung für die Steuereinheit genutzt. Innerhalb der Vorrichtung zur Spannungsversorgung kann sich durch diesen Strom eine Spannung aufbauen, die bei überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes vorteilhaft zur Spannungsversorgung für die Steuereinheit bzw. die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation genutzt werden kann. Die Steuereinheit kann die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation umfassen oder dieser vor- oder nachgeschaltet sein.

Bekanntermaßen fließt im Anzugsvorgang durch die Spule eines Spannungs- oder Stromauslösers ein größerer Strom als im Haltezustand. Durch Vorsehen der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation können jedoch der Anzugsstrom und der Haltestrom auf einem konstanten Wert gehalten werden, unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung. Somit kann auch die Einrichtung zur Spannungsversorgung mit einem über den gesamten Versorgungsspannungsbereich konstanten Strom versorgt werden.

Daher wird für die Messung des durch die zumindest eine Spule fließenden Stroms kein Shunt bzw. Messwiderstand benötigt, so dass der Schaltungsaufwand hier erheblich gegenüber dem Stand der Technik minimiert werden kann. Da durch die Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der anliegenden Versorgungsspannung der Anzugs- und/oder Haltestrom durch die Spule des Spannungs- oder Stromauslösers gehalten bzw. auf einem konstanten Wert gehalten wird, kann eine solche Strommessung unter Verwendung eines Shunts entfallen. Die Spannung über der Halte- bzw. Anzugsspule wird also

konstant gehalten, so dass der Halte- bzw. Anzugsstrom konstant ist. Im Gegensatz zur EP 1 009 003 B1 werden also keine Messeinrichtungen zum Bestimmen des Stroms benötigt.

Bei der EP 1 009 003 B1 erfolgt eine Zu- bzw. Abschaltung des getakteten Transistors in Abhängigkeit vom gemessenen Strom. Zur Regelung des Anzugsbzw. Haltestroms wird ein erhöhter Schaltungsaufwand erforderlich, aufgrund des Messwiderstands.

Vorteilhaft ist erfindungsgemäß lediglich eine Schalteinrichtung zwischen einer Quelle für die Versorgungseingangsspannung und der Vorrichtung zur Spannungsversorgung vorgesehen. Insbesondere ist eine solche Schalteinrichtung als Schalttransistor ausgebildet, insbesondere als selbstsperrender Feldeffekttransistor, z. B. als n-Kanal MOSFET. Dieser ist vorteilhaft gateseitig mit der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation, drainseitig mit der oder den Spule(n), die den Spannungs- oder Stromauslöser betätigt/betätigen und zugleich als Impedanz der als Netzteil wirkenden Vorrichtung zur Spannungsversorgung dient/dienen, und sourceseitig mit den weiteren Komponenten der Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere der einen rückwärts gerichteten Stromfluss abblockenden Diode verbunden.

Vorteilhaft umfasst die Vorrichtung zur Spannungsversorgung zumindest eine in Sperrrichtung betriebene Zenerdiode. Eine solche in Sperrrichtung betriebene Zenerdiode ist zum Erzeugen eines Maximalwertes der Versorgungsspannung vorgesehen, so dass die erste Versorgungsspannung sich über die Gleichrichterdiode an einem Kondensator der Vorrichtung zur Spannungsversorgung aufbauen kann. Diese erste Versorgungsspannung kann der Steuereinheit und/oder der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zugeleitet werden.

Neben der einen Speicherkapazität der Vorrichtung zur Spannungsversorgung, die vorteilhaft der Zenerdiode parallel geschaltet ist, und die zusammen mit der Gleichrichterdiode zum Bereitstellen einer Gleichspannung als erster Versorgungsspannung dient, kann zumindest eine weitere Speicherkapazität

vorgesehen sein. Diese ist vorteilhaft der Spannungsregelungseinrichtung zum Bereitstellen einer weiteren Versorgungsspannung parallel- bzw. nachgeschaltet. Hierdurch lässt sich die zumindest eine weitere Versorgungsspannung als gleichgerichtete Spannung bereitstellen, deren Höhe durch die Spannungsregelungseinrichtung eingestellt werden kann. Auch diese zumindest eine weitere Versorgungsspannung kann der Steuereinheit des Schaltgerätes bzw. der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zugeleitet werden. Die Höhe der ersten und weiteren Versorgungsspannung wird vorteilhaft in Abhängigkeit von der erforderlichen Höhe der Versorgungsspannung insbesondere für die Steuereinheit des Schaltgeräts bzw. die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation gewählt. Insbesondere über die Spannungsregelungseinrichtung kann eine der beiden Versorgungsspannungen anwendungsspezifisch veränderlich eingestellt und an die anwendungsspezifischen Erfordernisse angepasst werden.

Zunächst wird die Versorgungseingangsspannung auf die Vorrichtung zur Spannungsversorgung bzw. den diese Vorrichtung umfassenden Teil des Schaltgeräts aufgeschaltet. Hierdurch wird die Schalteinrichtung, insbesondere der vorstehend bereits erwähnte Schalttransistor, in Richtung der Vorrichtung durchgeschaltet. In dieser Vorrichtung können sich nun zumindest zwei Versorgungsspannungen zum Versorgen des Schaltgerätes aufbauen. Vorteilhaft wird die sich in der Vorrichtung aufbauende Versorgungsspannung mit einem vorgebbaren oder vorbestimmten Schwellwert verglichen und bei Erreichen des Schwellwerts eine die Pulsweitenmodulation ansteuernde Steuereinheit und/oder die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation durch diese Versorgungsspannung aktiviert. Erreicht also die Spannung innerhalb der Vorrichtung einen ersten vorgebbaren Schwellwert der Versorgungsspannung, wird diese Versorgungsspannung der Steuereinheit bzw. der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zugeleitet, die nachfolgend zu arbeiten beginnen. Hierbei wird im Bereich der Steuereinheit bzw. der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation in einem vorgebbaren oder vorbestimmten Zeitintervall die zugeführte

Versorgungseingangsspannung abgetastet und hieraus eine aktuelle Einschaltzeit der Pulsweitenmodulation bestimmt. Somit wird basierend auf dem abgetasteten Wert der der Steuereinheit bzw. der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zugeführten Versorgungseingangsspannung die aktuelle Einschaltzeit der

Pulsweitenmodulation so bestimmt, dass die Spulenspannung konstant gehalten wird und somit auch der durch die Spule fließende Strom konstant gehalten wird. Der durch die Spule bzw. Spulen fließende Strom wird somit über den kompletten Versorgungseingangsspannungsbereich konstant gehalten. Dieser konstante Strom wird wiederum von der als Netzteil wirkenden Vorrichtung zur

Spannungsversorgung genutzt, d.h. die Vorrichtung zur Spannungsversorgung wird wiederum mit diesem über den kompletten

Versorgungseingangsspannungsbereich konstanten Strom versorgt und erzeugt hieraus weiter konstante Versorgungsspannungen vorgebbarer Höhe.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel von dieser näher anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:

Figur 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur

Spannungsversorgung, in Kombination mit einer Steuereinheit, einer Einrichtung zur Pulsweitenmodulation sowie einer Spule zur Betätigung eines Spannungs- oder Stromauslösers eines Schaltgerätes, und

Figur 2 eine Prinzipskizze des Details der Vorrichtung zur

Spannungsversorgung, der Spule und der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation gemäß Figur 1.

In Figur 1 ist eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung eines Teils eines Schaltgeräts gezeigt, das eine Vorrichtung 1 zur Spannungsversorgung, eine Steuereinheit 2 mit drei Spannungsanschlüssen 20, 21 , 22, eine Spannungsmesseinrichtung 3 sowie eine Filterungs- und Gleichrichteinrichtung 4 umfasst. Ausgangsseitig ist die Steuereinheit mit einer Schalteinrichtung in Form eines selbstsperrenden Feldeffekttransistors 5 verbunden. Dieser ist in Figur 1 und Figur 2 als n-Kanal MOSFET ausgebildet.

Drainseitig ist der Feldeffekttransistor 5 mit einer Spule 6 verbunden. Die Spule ebenso wie die Spannungsmesseinrichtung 3 ist ferner mit der Filterungs- und

Gleichrichteinrichtung 4 verbunden. Die Filterungs- und Gleichrichteinrichtung 4 liegt an einer Versorgungseingangsspannung U. Sowohl der Spannungsmesseinrichtung 3 als auch der Spule 6, die eine Anzugs- oder Haltespule sein kann oder als zwei Spulen, nämlich als eine Anzugs- und eine Haltespule ausgebildet sein kann oder zweiteilig als Anzugs- und Haltespule ausgebildet sein kann, wird eine gefilterte und gleichgerichtete pulsierende (AC-) Versorgungseingangsspannung zur Verfügung gestellt. Die Spannungsmesseinrichtung 3 misst diese gefilterte und gleichgerichtete Versorgungseingangsspannung, bevor diese der Steuereinheit 2 über den ersten Spannungsanschluss 20 zugeführt wird. über den zweiten und dritten Spannungsanschluss 21 , 22 können andere Versorgungsspannungen, wie beispielsweise eine 15V-Spannung und eine 3,3 V-Spannung als Versorgungsspannungen der Steuereinheit 2 zur Verfügung gestellt werden.

Innerhalb der Steuereinheit ist in dieser Ausführungsform eine Einrichtung 7 zur Pulsweitenmodulation vorgesehen. Ferner ist eine Einrichtung 8 zum Abtasten der Versorgungseingangsspannung U vorgesehen. Mit Hilfe des jeweils aktuell abgetasteten Versorgungseingangsspannungswerts wird eine neue Einschaltzeit der Pulsweitenmodulation errechnet. Hierfür umfasst die Steuereinheit beispielsweise einen Mikrocontroller, der die Einrichtung zur

Pulsweitenmodulation entsprechend ansteuert bzw. die Pulsweitenmodulation vornimmt. Die Durchführung einer solchen Pulsweitenmodulation ist in der DE 10 2007 031 995 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.

Nach Zuschaltung dieser Versorgungseingangsspannung U ist der

Feldeffekttransistor 5 durchgeschaltet, so dass sich innerhalb der Vorrichtung 1 zur Spannungsversorgung eine Spannung aufbauen kann. Dies kann besser der Detailansicht gemäß Figur 2 entnommen werden.

In dieser ist lediglich die Spule 6, der selbstsperrende Feldeffekttransistor 5, die Einrichtung 7 zur Pulsweitenmodulation sowie eine Zenerdiode 10, eine Gleichrichterdiode 11 , eine erste Speicherkapazität 12, eine Spannungsregelungseinrichtung 13 sowie eine zweite Speicherkapazität 14 gezeigt. Die letztgenannten Komponenten sind zueinander parallel geschaltet und

die Zenerdiode 10, die erste und zweite Speicherkapazität 12, 14 und die Spannungsregelungseinrichtung 13 auf Masse gelegt. Die Vorrichtung 1 zur Spannungsversorgung umfasst ferner zwei Ausgänge 15,16, an denen zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen Ui und U ₂ zur Verfügung gestellt werden.

Die Zenerdiode 10 wird in Sperrrichtung betrieben und dient dem Erzeugen eines Maximalwerts der Versorgungsspannung. über die Gleichrichtdiode 11 und die erste Speicherkapazität 12 wird die erste Versorgungsspannung Ui, die sich aus dem vorgebbaren Z-Wert, d.h. dem Wert der Z-Spannung bestimmt, zu einer Gleichspannung gleichgerichtet und am ersten Ausgang 15 zur Verfügung gestellt. über die Spannungsregelungseinrichtung 13 und die zweite Speicherkapazität 14 wird ebenfalls eine Gleichspannung als zweite Versorgungsspannung U ₂ am zweiten Ausgang 16 der Vorrichtung 1 zur Verfügung gestellt.

In einem festgelegten oder vorbestimmbaren Zeitintervall wird durch die Einrichtung 8 zum Abtasten der Versorgungseingangsspannung diese abgetastet und mit Hilfe des momentan abgetasteten Spannungswert U eine neue Einschaltzeit der Einrichtung 7 zur Pulsweitenmodulation errechnet. Hierbei wird der durch die Spule 6 (Anzugs- und/oder Haltespule) fließende Strom über den kompletten zugelassenen Versorgungsspannungsbereich konstant gehalten. Zugleich wird die Vorrichtung 1 zur Spannungsversorgung mit einen über den kompletten zugelassenen Versorgungseingangsspannungsbereich konstanten Strom versorgt, da der durch die Spule fließende Strom zugleich auch, wie bereits erläutert, für die Spannungsversorgung der Vorrichtung 1 zur Spannungsversorgung genutzt wird. Die Spule 6 fungiert hier somit als Impedanz für die Vorrichtung 1 zum Aufbau der Spannungsversorgung und für die Betätigung eines nicht gezeigten Spannungs- oder Stromauslösers des Schaltgeräts.

Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung lassen sich auch zahlreiche weitere realisieren, bei denen eine Pulsweitenmodulation zum

Aufrechterhalten eines Anzugs- und Haltestroms einer Anzugs- bzw. Haltespule unabhängig von einer anliegenden Versorgungsspannung vorgesehen ist und die Spule, durch die der Anzugs- bzw. Haltestrom fließt, zugleich als Impedanz für die Vorrichtung zur Spannungsversorgung innerhalb eines spannungs- oder stromauslösenden Schaltgeräts genutzt wird.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zur Spannungsversorgung

2 Steuereinheit 3 Spannungsmesseinrichtung

4 Filterungs- und Gleichrichteinrichtung

5 Selbstsperrender Feldeffekttransistor

6 Spule

7 Einrichtung zur Pulsweitenmodulation (PWM) 8 Einrichtung zum Abtasten der Versorgungsspannung

10 Zenerdiode

11 Gleichrichterdiode

12 Erste Speicherkapazität

13 Spannungsregelungseinrichtung 14 Zweite Speicherkapazität

15 Erster Ausgang

16 Zweiter Ausgang

20 Erster Spannungsanschluss

21 Zweiter Spannungsanschluss 22 Dritter Spannungsanschluss

U Versorgungseingangsspannung

U1 erste Versorgungsspannung

U2 zweite Versorgungsspannung