Beschreibung

Die Erfindung geht aus von einem System zum Schutz einer elektrischen Quelle oder einer elektrischen Last, aufweisend eine, einen Eingang und einen

Ausgang besitzende Baugruppe mit einer elektronischen Sicherung für d ie an die Quelle anschließbare Last sowie einer Spannungsüberwachungseinheit, einer Stromüberwachungseinheit und Halbleiterschalteinheiten und diesen zugehörigen Steuerungen, wobei nach dem Ansprechen der Sicherung aufgrund eines Überspannungsereignisses d iese rücksetzbar ist, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Elektronische Sicherungen gehören in verschiedensten Ausführungsformen zum Stand der Technik. Typische Arbeitsbereiche dieser Sicherungen liegen im Bereich bis 200 A bei Spannungsklassen zwischen 12 und 100 Volt

Gleichspannung .

Zum Schutz von Gleichspannungsnetzen und an Gleichspannungsnetzen angeschlossenen Verbrauchern sind darüber hinaus Überspannungsschutz einrichtungen auf der Basis von Varistoren, Gasableitern, Funkenstrecken oder dergleichen bekannt.

Werden Überspannungsschutzeinrichtungen der bekannten Art und

elektronische Sicherungen nicht koordiniert eingesetzt, entstehen nicht beherrschbare Probleme, die zu einem ungewollten Auslösen der Sicherung bzw. einem unbeabsichtigten Ansprechen der Überspannungsschutzgeräte und damit unzulässig langen Ausfallzeiten führen. Insbesondere für industrielle Applikationen sind derartige Ausfallzeiten zu vermeiden. Auch ist es wichtig, ein bisher übliches, hündisches Wiederinbetriebnehmen von

Schutzeinrichtungen auszuschließen. Die US 5 875 087 A zeigt eine Schutzeinrichtung mit integrierter Steuerung zum Schutz von elektrischen Systemen, wobei dort eine Kombination aus Überspannungs- und Überstromschutz für Wechselstromnetze mit

automatischem Rücksetzen offenbart ist.

Aus der DE 10 2015 105 426 Al ist eine Sicherheitsvorrichtung für einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher vorbekannt. Diesbezügli ch soll eine schnelle Unterbindung oder Unterbrechung eines elektrischen

Stromflusses ermöglicht werden, wenn abnormale Parameter vorliegen. Nach der dortigen Lehre kommen mehrere Halbleiterschalteinheiten zur primären, reversiblen Unterbindung des Stromflusses in Abhängigkeit von der

Überwachung des Stromflusses und/oder der Spannung zum Einsatz. Für eine irreversible Unterbindung des Stromflusses ist eine pyrotechnisch auslösbare Schalteinheit vorhanden.

Aus der WO 2011/070235 Al ist ein gesteuertes Längsglied vorbekannt, welches abhängig vom Strom und der Spannung zu- oder abgeschalten wird . Eine Unterscheidung zwischen temporären Überspannungen und transienten Überspannungen findet dort nicht statt. Ebenso liegt keine galvanische

Trennung bei temporären Überspa nnungen vor, die über der Sperrfähigkeit der Halbleiter im Längszweig liegen. Ein Überspannungsschutz ist dort nur bedingt möglich, da kein Grobschutzelement vor einem Längselement angebracht ist.

Die DE 10 2004 036 164 Al offenbart ein gesteuertes Längs- und ein

gesteuertes Querglied . Dort geht es nicht um den Schutz von leistungsstarken transienten Überspannungen, da die vorgeschlagenen Anordnungen des Längs und Quergliedes selbiges nicht zulassen.

Die US 2006/0120000 Al betrifft eine reine elektronische Sicherung mit der Eigenschaft, dass die Sicherung bei einem Überschreiten der Eingangs spannung das Längsglied öffnet. Es findet dort allerdings kein transienter Überspannungsschutz am Eingang statt.

Die DE 10 2017 109 378 Al bezieht sich auf eine elektronische Sicherung für eine, an einem Niedervolt-Gleichspannungsnetz anschließbare Last und bildet einen Ausgangspunkt der vorliegenden Anmeldungslehre. Diese elektronische Sicherung für eine, an ein Niedervolt-Gleichspannungsnetz anschließbare Last besteht aus zwischen Eingangsklemmen und der Last angeordneten Baugruppen. Diese umfassen eine Spannungsüberwachungs einheit, eine Stromüberwachungseinheit sowie Halbleiterschalteinheiten und diesen zugeordneten Steuerungen. Die eingesetzten Baugruppen sind aufgrund der Eigenschaften der Halbleiterschalter gepolt und elektrisch betrachtet nur stromrichtungsabhängig zu betreiben.

Aufgabe der DE 10 2017 109 378 Al ist es, eine weiterentwickelte

elektronische Sicherung für eine, an ein Niedervolt-Gleichspannungsnetz anschließbare Last anzugeben, welche auf mechanische Schaltelemente oder Schalteinrichtungen vollständig verzichtet und die in der Lage ist, Reaktions zeiten im Nanosekundenbereich zu gewährleisten. Die elektronische Sicherung soll in kombinierter Weise ei nen Schutz gegen Überspannungen, aber auch Überströme gewährleisten. Bei Fortfall eines Überspannungsereignisses soll die elektronische Sicherung automatisch in den normalen Betriebszustand übergehen, ohne dass ein hündisches Eingreifen notwendig wird .

Mit der dort erläuterten Sicherung erfolgt eine Bewertung der jeweiligen Ereignisse von einer integrierten Logik unter Anwendung eines

Mikrocontrollers. Somit können Lastkurzschlüsse von Überspannungs

ereignissen getrennt bewertet werden. Kommt es aufgrund eines

Überspannungsereignisses zu einem Ansprechen der Sicherung, kann diese nach der Überspannung von dem Mikrocontroller wieder zurückgesetzt werden, so dass es nicht zu einem Ausfall des zu schützenden Systems, respektive der Last kommt.

Es ist mit der dortigen Lösung nicht mehr notwendig, Überspannungsschutz und Überstromschutz durch zwei Schaltungseinheiten oder Geräte zu

realisieren. Eine externe Systembeurteilung nach Auslösen der Sicherung ist nicht mehr notwendig . Ebenso wenig ist es erforderlich, eine angesprochene Sicherung wieder extern freizuschalten. Bezüglich der Einzelheiten der realisierten elektronischen Sicherung wird auf die Beschreibung gemäß der DE 10 2017 109 378 Al verwiesen und hierauf Bezug genommen.

Grundsätzlich ist der Stand der Technik beim Aufbau von Schutzsystemen mit einem kombinierten Überstrom - und Überspannungsschutz anhand der Figur 1 und den dortigen Darstellungen realisiert. Es ergibt sich aus diesen figürlichen Darstellungen, dass bei einem Schutz einer Last eingangsseitig ein

Überspannungsschutz und ausgangsseitig der Überstromschutz entsprechend lastnah realisiert ist. Wenn es um den Schutz einer Quelle geht, liegt eingangsseitig der Schutzbaugruppe der Überstromschutz und ausgangsseitig der Überspannungsschutz an. Wenn ein beidseitiger Schutz, das heißt ein Schutz von Quelle und Last, realisiert werden soll, sind zwei entsprechende Schutzeinheiten erforderlich .

Mithin ergibt sich die Notwendigkeit, für den Lastschutz, aber auch für den Quellenschutz, unterschiedliche Gerätetypen bereitzustellen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein System zum Schutz einer elektrischen Quelle oder einer elektrischen Last anzugeben, das mit Hilfe eines einzigen Gerätes realisierbar ist, wobei die Möglichkeit besteht, ein solches Gerät herstellerseitig zu vorkonfektionieren, aber auch dem Anwender die

Möglichkeit geschaffen wird, eine Konfektionierung je nach gewünschtem Einsatzfall vorzunehmen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem System zum Schutz einer elektrischen Quelle oder einer elektrischen Last, insbesondere in

Niedervolt-Gleichspannungsnetzen gemäß der Merkmalskombination

nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige

Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Das Grundprinzip der Erfindung geht auf den Gedanken zurück, die

Richtungsabhängigkeit eingesetzter Halbleiterschalteinheiten dadurch aufzulösen, dass ein solcher richtungsabhängiger Schalter durch Veränderung seiner schaltungstechnischen relativen Lage umgepolt und die diesbezügliche Schaltung gespiegelt wird.

Es wird also hier die grundsätzliche Spiegelsymmetrie bezüglich Strom - und Spannungsschutz ausgenutzt und durch eine elektrische Spiegelung sichergestellt, dass ein und dasselbe Gerät in opti maler Weise sowohl zum Schutz einer Quelle als auch zum Schutz einer Last nutzbar ist. Hierdurch kann eine weitgehende Standardisierung entsprechender Geräte erfolgen und die Lager- und Vorratshaltung reduziert werden. Ein Sockelteil des Systems nimmt den eigentlichen Uberspannungs- und

Überstromschutz in einem separaten Gehäuse auf. Die elektrische Spiegelung bzw. Umpolungsmöglichkeit wird mit Hilfe eines Konfiguratorteiles, bevorzugt in Form eines Aufsteckmoduls, realisiert.

Es wird also von einem System zum Schutz einer elektrischen Quelle oder einer elektrischen Last ausgegangen, welches eine Baugruppe mit einem

Eingang und einem Ausgang aufweist. Die Baugruppe enthält eine

elektronische Sicherung für die an die Quel le anschließbare Last sowie eine Spannungsüberwachungseinheit, eine Stromüberwachungseinheit und Halbleiterschalteinheiten und diesen zugeordneten Steuerungen. Eine derartige Schutzvorrichtung ist aus dem Stand der Technik wie eingangs geschildert grundsätzlich vorbekannt.

Zum wahlweisen Einsatz des Schutzes der Quelle oder des Schutzes der Last ist eine Einheit zur schaltungsseitigen, elektrischen Spiegelung vorgesehen, derart, dass im Falle eines Quellenschutzes die Stromüberwachungseinheit eingangsseitig und die Spannungsüberwachungseinheit ausgangsseitig anliegt.

Im Falle eines Lastschutzes liegt die Spannungsüberwachungseinheit

eingangsseitig und die Stromüberwachungseinheit ausgangsseitig vor.

Diesbezüglich umfasst ausgestaltend das System eine Steck- oder Schalteinheit zur elektrischen Spiegelung mit Mitteln zum wahlweisen Verbinden der

Stromüberwachungseinheit mit dem Eingang oder dem Ausgang der

Baugruppe.

Die Baugruppe des Systems weist also einen Eingang und einen Ausgang auf und besteht aus einer elektronischen Sicherung für die an die Quelle anschließbare Last sowie einer Spannungsüberwachungseinheit, einer

Stromüberwachungseinheit und Halbleiterschalteinheiten und diesen

zugeordneten Steuerungen. Bei einem Ansprechen der Sicherung aufgrund eines Überspannungsereignisses ist diese rücksetzbar. Die vorgenannte

Baugruppe befindet sich in einem Sockelteil. Die Steck- oder Schalteinheit ist in einem separaten Konfiguratorteil befindlich, wobei am Sockelteil Mittel zum wahlweisen Fixieren des Konfiguratorteiles ausgebildet sind. Das Konfiguratorteil kann als ein Steckteil mit Steckkontakt oder Steckbuchsen ausgeführt werden und eine entsprechende elektrische Verdrahtung im Sinne der gewünschten elektrischen Spiegelung besitzen.

Die Steckkontakte oder die Steckbuchsen sind zu Gegenkontakten oder

Gegenkontaktbuchsen im Sockelteil komplementär.

Durch Abziehen und zum Beispiel um 180° verdrehtes Wiederanbringen des Konfiguratorteiles am Sockelteil ist die gewünschte elektrische Spiegelung in einfacher Weise durchführbar.

Das Konfiguratorteil kann aber auch Schalter bzw. Umschalter zur

schaltungsseitigen Spiegelung aufweisen. Diesbezüglich kann es um

Tastschalter, Druckknöpfe, Hebelschalter oder dergleichen gehen.

Weiterhin kann das Konfiguratorteil Mittel zur Anzeige der gewählten

Verschaltung bzw. Spiegelung, zur Abtrennung und/oder zum Datenlogging besitzen. Es können also weitere Funktionen im Konfiguratorteil vorgesehen werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind am Sockelteil mehrere

Konfiguratorteile fixierbar, um die gewünschte schaltungsseitige Auslegung für den entsprechenden Anwendungsfall zu realisieren.

Ebenso besteht die Möglichkeit, mehrere Sockelteile mechanisch

aneinanderreihbar auszubilden, wobei diese über ein als Mehrfachstecker realisiertes Konfiguratorteil verschaltbar, insbesondere in Reihe schaltbar sind .

Mittels des Konfiguratorteiles können darüber hinaus elektrische Eigenschaften oder Parameter der Strom- und/oder Spannungsüberwachungseinheit jeweils veränderbar oder vorgebbar sein. In diesem Sinne kann eine Parametrierung erfolgen.

Über die Form, die Haptik und/oder die Farbgestaltung des Konfiguratorteiles sind dessen Eigenschaften und Parameter erkennbar, so dass eine

Fehlverschaltung durch den Anwender ausgeschlossen ist. In einer Weiterbildung der Erfindung ist mittels des Konfiguratorteiles ein richtungsabhängiger Schalter, insbesondere ein Halbleiterschalter, hier wiederum insbesondere ein MOSFET, im Sinne der gewünschten Spiegelung umpolbar, d. h. es wird schaltungstechnisch die Position des Halbleiterschalters bezogen auf den Überspannungsschutz geändert..

Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, im Konfiguratorteil nicht nur passive Bauteile wie Steckkontakte und Leiterbahnen anzuordnen, sondern dort ein aktives Bauelement zu integrieren, insbesondere kann es sich hier um einen Halbleiterschalter handeln.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter

Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 grundsätzliche Darstellungen des Standes der Technik beim

Aufbau von Schutzsystemen mit einem kombinierten Überstrom - und Überspannungsschutz, wobei mit E-Fuse der Überstrom schutz und mit ÜSS der Überspannungsschutz definiert und Quelle sowie Last dargestellt sind, mit einer Ausführung eines primären Quellenschutzes (obere Abbildung), eines primären Lastschutzes (mittlere Abbildung) und eines beidseitigen

Schutzes mit zwei Schutzbaugruppen (untere Abbildung);

Fig. 2a - 2c verschiedene Darstellungen der Ausbildung eines Sockelteiles mit dort integrierten notwendigen Strom - bzw. Spannungs überwachungseinheiten und Aussparung zur Aufnahme

entsprechender Konfiguratorteile, die gemäß Abbildung 2a und 2c eine Teilform bzw. Teilumhüllende der Gehäusekonfiguration des Sockelteiles aufnehmen oder in eine solche Form

übergehen;

Fig. 3a - 3c Darstellungen ähnlich derjenigen nach den Fig. 2a - 2c,

jedoch mit erkennbaren elektrischen Kontakten im jeweiligen Konfiguratorteil, die mit einer angedeuteten Leiterplatte im Sockelteil und dort vorhandenen Kontaktflächen komplementär sind, um je nach Position und Anordnung des Konfiguratorteiles eine elektrische Spiegelung der im Sockelteil befindlichen Baugruppe vorzunehmen;

Fig. 4 eine Darstellung eines Sockelteiles mit mehreren stirnseitig

vorhandenen Ausnehmungen zum mechanischen und

elektrischen Fixieren von verschiedenen Konfiguratorteil en und dort befindlichen Steckelementen zur Realisierung der elektrischen Spiegelung und zur Parametrierung der im

Sockelteil befindlichen Baugruppe; und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des mechanischen

Aneinanderreihens einer Vielzahl von (im gezeigten Beispiel zehn) Sockelteilen, die mechanisch und elektrisch durch ein kompaktes Konfiguratorteil verschalten, insbesondere in Reihe verschalten und durch Drehung des Konfiguratorteiles um beispielsweise 180° intern elektrisch verschaltungsseitig spiegelbar sind.

Wie in den Figuren 2a bis 2c dargestellt, besteht das erfindungsgemäße System zum Schutz einer elektrischen Quelle oder einer elektrischen Last a us einer elektrisch einen Eingang und einen Ausgang aufweisenden Baugruppe. Diese Baugruppe umfasst eine elektronische Sicherung für die an eine Quelle anschließbare Last sowie eine Spannungsüberwachungseinheit, eine

Stromüberwachungseinheit und Halbleiterschalteinheiten nebst diesen zugeordneten Steuerungen. Diese vorgenannten Baugruppen befinden sich in der Gehäuseanordnung, das heißt innerhalb des Sockelteiles 1.

Das Sockelteil 1 ist an seiner Bodenseite mit einer Ausnehmung 2 zur

Hutschienenmontage versehen.

Gemäß Figur 2a ist an einer linksseitigen Sch malseite des Sockelteiles 1 ein Rücksprungabschnitt 3 realisiert.

In diesem Rücksprungabschnitt 3 ist ein Konfiguratorteil 4 einsteckbar, das in seinem Abschnitt 41 nicht gezeigte Steckkontakte oder Steckbuchsen, Schalter oder Umschalter oder dergleichen Mittel zur elektrischen Spiegelung der Baugruppe innerhalb des Sockelteiles 1 besitzt.

Das Konfiguratorteil 4 kann eine Kontur aufweisen, die der Umhüllenden, das heißt der Grundform des Sockelteiles 1, entspricht und dieses insofern komplettiert.

Eine diesbezüglich spiegelbildliche Ausbildung eines Sockelteiles 1 mit an der rechten Schmalseite ausgebildetem Rücksprungabschnitt und Konfiguratorteil 4 mit Abschnitt 41 zeigt Figur 2c. Figur 2c macht auch deutlich, wie das

Konfiguratorteil 4 in einen Öffnungsabschnitt 5 des Sockelteiles einbringbar ist.

Eine Ausführungsform mit einem Konfiguratorteil 4 als von oben in einen entsprechenden Abschnitt 5 des Sockelteiles 1 einbringbare Variante zeigt Figur 2b.

Die Figuren 3a bis 3c sind an die Darstellungen der Figuren 2a bis 2c angepasst und illustrieren einen möglichen Aufbau und eine mögliche

Anordnung eines Verdrahtungsträgers, das heißt einer beispielhaften

Leiterplatte 6, innerhalb des jeweiligen Sockelteiles 1.

Die Leiterplatte 6 weist nicht gezeigte Kontaktflächen auf, die mit

Kontaktklemmen oder Kontaktsteckern 7 im jeweiligen Konfiguratorteil 4 korrespondieren, um je nach Steckposition eine Verpolung der entsprechenden auf der Leiterplatte befindlichen und dort realisierten Baugruppe zu

ermöglichen.

Gemäß der Darstellung nach Figur 4 ist es möglich, ein Konfiguratorteil nicht nur an einer der im üblichen Betriebsfall zugänglichen Stirnseiten des Steckteiles 1, sondern an allen oder mehreren Seiten auszubilden, um unterschiedliche Funktionalitäten zu realisieren. Hierbei kann auch mit Hilfe eines entsprechend ausgeführten Konfiguratorteiles 4 eine Parametrierung der im Sockelteil 1 befindlichen Baugruppe erfolgen.

Ein mechanisches Aneinanderreihen von mehreren, im Beispiel nach Figur 5c, Sockelteilen kann mit Hilfe eines gemeinsamen, kompakten Konfiguratorteiles 42, ausgebildet als Mehrfachstecker, verschaltet werden. Hierbei ist mit Hilfe des einheitlichen Konfiguratorteiles 42 sowohl eine Reihenschaltung der entsprechenden Baugruppen innerhalb der Sockelteile 1 umsetzbar, als auch die gewünschte Spiegelung, indem das Konfiguratorteil 42 gezogen und um 180° gedreht wieder in Verbindung mit den entsprechenden Ausnehm ungen in den jeweiligen Sockelteilen 1 gebracht wird.

Die Erfindung stellt sich demnach als ein System zum kombinierten Überstrom - und Überspannungsschutz dar, der sowohl Quelle als auch Last absichert und insofern quellen- bzw. lastnah anordenbar ist, wobei allein durch ein einfaches, mechanisch lösbares Konfiguratorteil die jeweilige Funktionalität durch elektrische Spiegelung wählbar ist.

Der eigentliche Überspannungs- bzw. Überstromschutz befindet sich im

Sockelteil. Die Mittel zur elektrischen Spiegel ung hingegen sind in dem abnehmbaren Konfiguratorteil realisiert und dort untergebracht.

Ergänzend ist in den Konfiguratorteilen auch eine Anzeigefunktion

integrierbar. Diese Anzeige kann dazu dienen, darzustellen, ob das

Konfiguratorteil exakt eingesetzt ist und so eingesetzt wurde, dass die notwendige Lösung für Quellen- oder Lastschutz vorliegt.

Im Sinne der bereits erwähnten Parametrierung der Baugruppe im Sockelteil können die Konfiguratorteile zum Beispiel verschiedene Shunts besitzen, um die Selektivität oder Sensitivität des Überstromschutzes zu verändern. Auch besteht die Möglichkeit der Integration einer Sicherung in das Konfiguratorteil als galvanische Trennung für aktive Halbleiterbauelemente, die sich im

Sockelteil befinden und Bestandteile der Baugruppe sind. Es ließe sich hierdurch ein einfacher Wechsel einer solchen Sicherung realisieren, da kein Eingriff in das Sockelteil erfolgen muss.

Das Konfiguratorteil bildet also einen wesentlichen Bauteil einer elektrischen Spiegelungsbaugruppe, die dazu vorgesehen ist, die Reihenfolge von

Überspannungs- und Überstromschutz in der am Sockelteil befindlichen

Baugruppe zu tauschen, so dass das System für einen optimalen Quellenschutz oder einen optimalen Lastschutz entsprechend quellen - oder lastnah einsetzbar ist.