CN108693467A - 用于检查开关元件的开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述用于电设备的开关装置，其中电设备具有负载，其能够为了能量供应经由安全开关元件和工作开关元件构成的串联电路与工作电压耦合。开关装置包括辅助开关元件，其设计成将工作开关元件一侧与辅助电压耦合。开关装置还包括：第一测量路径，其设计成将工作开关元件第一侧与计算单元的第一测量输入端耦合；和第二测量路径，其设计成将工作开关元件第二侧与计算单元的第二测量输入端耦合。开关装置还包括计算单元，其设计成推动辅助开关元件将工作开关元件一侧与辅助电压耦合。计算单元还设计成，检测第一测量输入端上的第一测量数据和第二测量输入端上的第二测量数据。计算单元还设计成基于第一测量数据和第二测量数据确定工作开关元件的状态。

Description

用于检查开关元件的开关装置

技术领域

本发明涉及一种用于检查电设备的开关元件、尤其继电器的开关装置。

背景技术

电设备能够出于安全因素具有多个串联连接的开关元件，尤其继电器。尤其地，电设备的负载（例如加热元件）能够经由工作开关元件与工作电压脱耦，以便终止负载的运行。此外，安全开关元件能够用于，将工作电压（尤其供应电网的电网电压）在工作开关元件上提供或与工作开关元件分离。

发明内容

本文致力于如下技术目的：提供一种开关装置，借助所述开关装置能够以可靠的并且安全的方式检查电设备的开关元件。

所述目的通过独立专利权利要求的主题来实现。有利的实施方式尤其在从属专利权利要求中限定，在下面的说明书中描述或者在附图中示出。

根据本发明的一个方面，描述一种用于电设备、尤其用于家用设备或家用电器、例如灶台、炉子、洗衣机、洗碗机、干衣机等的开关装置。电设备具有电负载（例如加热元件），所述电负载能够为了能量供应经由由安全开关元件和工作开关元件构成的串联电路与工作电压耦合。工作电压例如能够对应于供应电网的电网电压。工作电压此外能够是交流电压，例如电网频率为50Hz的230V的交流电压，或者电网频率为60Hz的130V的交流电压。

工作电压例如能够经由电设备的电网插头的第一导体（例如L导体）和经由第二导体（例如N导体）提供。安全开关元件、工作开关元件和负载于是能够形成串联电路，所述串联电路布置在第一导体和第二导体之间。换言之，电设备能够具有负载路径，所述负载路径将负载经由工作开关元件和经由安全开关元件与工作电压耦合。工作开关元件在此能够构造为，提供或禁止负载的能量供应。此外，安全开关元件能够构造为，将工作电压在工作开关元件上提供或与工作开关元件脱耦。安全开关元件和/或工作开关元件在此能够分别包括至少一个继电器或分别是继电器。

开关装置包括辅助开关元件，所述辅助开关元件设计成，将工作开关元件的一侧与辅助电压耦合。在此，辅助电压能够具有与工作电压的最大值相比降低的电压水平。优选地，辅助电压是直流电压。辅助电压例如能够借助于转换器（尤其AC/DC转换器）从工作电压生成。尤其优选地，辅助电压为60V或更少，例如为12V。辅助电压例如能够用于，运行电设备之内的电子元件。

此外，开关装置包括第一测量路径，所述第一测量路径设计成，将工作开关元件的第一侧与计算单元的第一测量输入端耦合。计算单元能够包括微控制器或者是微控制器。第一测量输入端能够包括模数转换器，以便将位于第一测量输入端上的第一电压转换成第一测量数据。第一测量路径在此设计成，使得第一测量输入端上的第一电压与工作开关元件的第一侧上的电势（相对于参考电势，诸如接地）相关。

开关装置还包括第二测量路径，所述第二测量路径设计成，将工作开关元件的第二侧与计算单元的第二测量输入端耦合。第二测量输入端能够包括模数转换器，以便将位于第二测量输入端上的第二电压转换成第二测量数据。第二测量路径在此设计成，使得第二测量输入端上的第二电压与工作开关元件的第二侧上的电势（相对于参考电势，诸如接地）相关。

此外，开关装置包括计算单元。计算单元在此设计成，推动辅助开关元件将工作开关元件的一侧（例如第一侧或第二侧）与辅助电压耦合。尤其地，工作开关元件的一侧能够在时间有限的测量时间段内与辅助电压耦合。工作开关元件的与辅助电压耦合的一侧上的电势于是实质上对应于辅助电压。

计算单元此外设计成，检测第一测量输入端上的第一测量数据和第二测量输入端上的第二测量数据。在此，第一测量数据示出工作开关元件的第一侧上的电势，并且第二测量数据示出工作开关元件的第二侧上的电势。此外，计算单元设计成，基于第一测量数据和第二测量数据来确定工作开关元件的状态。

尤其地，基于第一测量数据和第二测量数据能够确定在工作开关元件之上的电压降。此外能够确定，电压降是否大于或小于确定的电压阈值。基于此能够确定，工作开关元件是处于断开状态还是闭合状态。尤其能够确定，工作开关元件是否处于断开状态，尽管所述工作开关元件应闭合，或者工作开关元件是否处于闭合状态，尽管所述工作开关元件应断开。因此能够确定，工作开关元件是否夹住或粘住。

提供辅助电压能够实现可靠地并且安全地确定工作开关元件的状态。尤其地，在闭合安全开关元件之前和/或在工作开关元件上提供工作电压之前还能够确定工作开关元件的状态。此外，开关装置基于确定工作开关元件上的电压差而关于更换电设备的电网插头的导体是鲁棒的。

计算单元能够设计用于确定，安全开关元件是断开的和/或工作开关元件不与工作电压耦合。计算单元于是能够响应于地推动辅助开关元件将工作开关元件的一侧与辅助电压耦合。计算单元因此能够推动，仅在如下情况下基于辅助电压确定工作开关元件的状态：在工作开关元件上不存在工作电压。

此外，计算单元能够设计用于确定，工作开关元件与工作电压是耦合的。辅助开关元件能够被推动和/或构造为，只要工作开关元件与工作电压耦合，就将工作开关元件与辅助电压脱耦。因此能够确保，负载的能量供应不受辅助电压影响。此外能够确保，用于提供辅助电压的电压源不受工作电压影响。

第一测量路径能够具有第一分压器（例如具有第一高边电阻和第一低边电阻），所述第一分压器具有第一中点（在第一高边电阻和第一低边电阻之间）。第一分压器在此能够将工作开关元件的第一侧与参考电势（例如与接地或地面）耦合。此外，第一分压器的第一中点能够与第一测量输入端耦合。以相应的方式，第二测量路径能够具有第二分压器（例如具有第二高边电阻和第二低边电阻），所述第二分压器具有第二中点（在第二高边电阻和第二低边电阻之间）。第二分压器在此能够将工作开关元件的第二侧与参考电势耦合。此外，第二分压器的第二中点能够与第二测量输入端耦合。因此，能够以精确的方式将工作开关元件的第一侧和第二侧上的电势输送到计算单元的输入端上。

第一分压器的第一中点能够经由第一低通滤波器、尤其经由第一RC元件与第一测量输入端耦合。以相应的方式，第二中点能够经由第二低通滤波器、尤其经由第二RC元件与第二测量输入端耦合。因此，工作开关元件的第一和第二侧上的电势能够以精确的方式通过计算单元来检测。

如已经在上文中解释的，第一分压器能够具有第一高边电阻并且第二分压器能够具有第二高边电阻，其中第一高边电阻与工作开关元件的第一侧耦合，并且第二高边电阻与工作开关元件的第二侧耦合。第一高边电阻和第二高边电阻在此能够设计用于以工作电压运行。此外，第一高边电阻和第二高边电阻在以工作电压运行时能够限制经过第一或第二分压器的电流，使得在第一或第二中点上的电压不超过计算单元的逻辑电压（例如5V）。

因此，分压器也能够设计用于以工作电压运行。此外，分压器能够设计成，使得即使在工作开关元件上存在工作电压时，分压器的中点上的电势也能够通过计算单元的测量输入端检测（其中测量输入端的可检测的范围典型地限于计算单元的逻辑电压）。因此，借助于开关装置能够以有效的方式在负载运行之前和在负载运行期间监控工作开关元件。

第一测量路径能够包括第一二极管，第一分压器的第一中点经由所述第一二极管与计算单元的逻辑电压耦合。相应地，第二测量路径能够包括第二二极管，第二分压器的第二中点经由所述第二二极管与计算单元的逻辑电压耦合。因此，能够限制测量输入端上的电势，以便避免在以工作电压运行时损坏计算单元。

辅助开关元件能够包括由辅助晶体管、尤其金属氧化物半导体、MOS晶体管和辅助二极管构成的串联电路，其中辅助二极管朝向辅助电压的方向截止。因此，能够以可靠的方式引起工作开关元件和辅助电压的耦合和脱耦。

根据另一方面，描述一种电设备、尤其家用设备或家用电器，所述电设备包括在本文中描述的开关装置。

要注意的是，在本文中描述的开关装置的每个方面能够以多种方式彼此组合。尤其地，专利权利要求的特征能够以多种方式彼此组合。

附图说明

此外，本发明根据在附图中示出的实施例详细描述。在此：

图1示出电设备的示例性的负载路径；和

图2示出用于检查开关元件的示例性的开关装置。

具体实施方式

如开始解释的，本文致力于可靠地并且安全地检查电设备的负载路径上的开关元件。在该上下文中，图1示出用于电设备（例如灶台或炉子）的负载103（例如电加热元件）的能量供应的示例性的负载路径100。负载路径100在此将负载103与工作电压（例如与通过供应电网提供的电网电压）连接。尤其地，负载103能够与第一导体111（例如相导体L）和第二导体112（例如中性导体N）连接。

在图1中示出的负载路径100包括工作开关元件102（例如继电器）和安全开关元件101（例如继电器），所述工作开关元件和安全开关元件与负载103串联地布置在导体111、112之间。借助安全开关元件101能够提供工作电压，并且借助工作开关元件102能够激活负载。

能够发生，工作开关元件102具有故障，尤其是导通的，尽管负载103不应用电能供应。例如，在使用工作继电器时，继电器可能粘住了，使得负载103错误地用电能供应。为了避免这种情形，可以检查工作开关元件102。为了所述目的，能够在工作开关元件102的两侧上分别布置一个测量路径123、124，以便探测在工作开关元件102之上的电压降。

例如，为了检查工作开关元件102的状态，能够将安全开关元件101闭合，使得工作开关元件102不仅与第一导体111（经由闭合的安全开关元件101）而且与第二导体112（经由负载103）耦合。于是经由测量路径123、124能够确定在工作开关元件102之上的电压。此外，基于确定的在工作开关元件102之上的电压能够确定，工作开关元件102是闭合的还是断开的。

通过闭合安全开关元件101，在工作开关元件102上提供工作电压。这在工作开关元件102错误闭合时引起激活负载103。为了避免这，能够经由辅助开关元件122（例如经由晶体管）将辅助电压121施加到工作开关元件102上，尤其当安全开关元件101断开时如此。辅助电压121在此能够是低压电压（例如为60V DC或更小，尤其为12V）。尤其地，在电设备中可用的例如用于运行电设备的电子元件的电压能够用作为辅助电压121。通过辅助电压121能够在测量路径123、124之间产生电压降，以便检查工作开关元件102的状态。在此，辅助电压121典型地实质上小于工作电压的峰值，使得（实质上）不激活负载103。因此，能够实现工作开关元件102的安全的检查。

图2示出用于确定电设备的负载路径100的工作开关元件的状态的开关装置200。工作开关元件102的一侧能够为了确定状态经由辅助开关元件122（例如经由MOS晶体管201与二极管202组合）与辅助电压121耦合。在此，辅助电压121能够是直流电压。此外，辅助电压121能够具有相对于工作电压（实质上）降低的电压水平（例如小5倍、10倍或更低的电压水平）。

工作开关元件102的第一侧上的第一测量路径123具有第一分压器203并且在工作开关元件102的第二侧上的第二测量路径124具有第二分压器204。分压器203、204能够将工作开关元件102的相应的侧与参考电势（尤其接地或地面）耦合。分压器203、204的中点205、206于是能够分别与计算单元（例如微控制器）的测量输入端211、212耦合。耦合在此能够分别经由低通滤波器213、214（例如经由RC元件）进行，以便降低干扰和/或噪声。测量输入端211、212能够分别具有模数转换器，以便将分压器203、204的中点205、206上的电势值转换成数字的测量数据。计算单元于是能够基于测量数据确定，工作开关元件102是闭合的还是断开的，或者工作开关元件102是否是故障的。

此外，开关装置200在每个测量路径123、124中能够具有二极管222，借助所述二极管将分压器205、206的中点205、206与逻辑电压221（例如5V）耦合。逻辑电压221在此能够对应于计算单元的运行电压（和必要时借助于转换器从工作电压生成）。测量输入端211、212上的电压因此能够限于逻辑电压221（尤其当安全开关元件101闭合时如此）。

借助在图2中示出的开关装置200，也能够在没有工作电压的情况下（即即使在安全开关元件101断开的情况下）检查工作开关元件102的状态。为了所述目的，辅助电压121能够经由辅助开关元件122接入（例如通过计算单元控制）。通过测量在工作开关元件102上的电压差，能够识别工作开关元件102的状态。如果工作开关元件102是闭合的，那么电压差实质上为零。在其他情况下，测量到在工作开关元件102之上的电压降。因此在激活负载103之前就已经能够检查工作开关元件102的状态。

在正在运行时（即在安全开关元件101闭合的情况下），工作开关元件102的开关状态能够经由测量路径123、124的电压差来监控。辅助开关元件122在该情况下保持断开并且能够为了测量工作开关元件102之上的电压差而使用工作电压。

通过测量工作开关元件102之上的电压差，开关装置200相对于更换导体111、112（例如经由电网插头）是鲁棒的。

如在图2中示出的，作为辅助电压121能够使用电设备的电子元件的运行电压。该运行电压例如能够经由电压转换器从电网电压生成。辅助开关元件122能够经由PMOS晶体管201结合辅助二极管202来实现。工作开关元件102的接触部上的电压（即测量路径123、124上的电压）能够经由分压器203、204和低通滤波器213、214引导到计算单元的测量输入端211、212上。

在以电网电压的工作运行时（即在安全开关元件101闭合的情况下），测量输入端211、212上的电压能够钳制到计算单元的逻辑或运行电压221。分压器203、204的高边电阻能够设计用于借助电网电压的工作运行，使得流经测量路径123、124的电流限于确定的最大值（例如限于逻辑电压221）。此外，高边电阻应针对工作运行时的电压和损耗功率来设计。这例如能够通过将电阻的串联电路用作为高边电阻来实现。

借助在图2中示出的开关装置200，能够检查工作开关元件102，在此之前还能够经由安全开关元件101接入工作电压。因此，能够实现工作开关元件102的安全的和可靠的检查。尤其地，能够可靠地避免如下故障情况：电设备的负载路径100的两个开关元件101、102粘住并且引起安全临界的情形。此外，也能够在电设备运行时监控工作开关元件102。

本发明不局限于示出的实施例。尤其要注意的是，说明书和附图仅应说明所提出的开关装置的原理。

Claims (10)

1.一种用于电设备的开关装置（200），其中所述电设备具有负载（103），所述负载能够为了能量供应经由由安全开关元件（101）和工作开关元件（102）构成的串联电路与工作电压耦合，其中所述开关装置（200）包括：

- 辅助开关元件（122），所述辅助开关元件设计成，将所述工作开关元件（102）的一侧与辅助电压（21）耦合，其中所述辅助电压（121）具有相对于所述工作电压的最大值降低的电压水平；

- 第一测量路径（123），所述第一测量路径设计成，将所述工作开关元件（102）的第一侧与计算单元的第一测量输入端（211）耦合；

- 第二测量路径（124），所述第二测量路径设计成，将所述工作开关元件（102）的第二侧与计算单元的第二测量输入端（212）耦合；和

- 计算单元，所述计算单元设计成，

-- 推动所述辅助开关元件（122）将所述工作开关元件（102）的一侧与所述辅助电压（121）耦合；

-- 检测所述第一测量输入端（211）上的第一测量数据和所述第二测量输入端（212）上的第二测量数据；和

-- 基于所述第一测量数据和基于所述第二测量数据来确定所述工作开关元件（102）的状态。

2. 根据权利要求1所述的开关装置（200），其中所述计算单元设计用于，

- 确定：所述安全开关元件（101）是断开的和/或所述工作开关元件（102）不与所述工作电压耦合；和

- 响应于此，推动所述辅助开关元件（122）将所述工作开关元件（102）的一侧与所述辅助电压（121）耦合。

3. 根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（200），其中所述计算单元设计用于，

- 确定：所述工作开关元件（102）与所述工作电压耦合；和

- 只要所述工作开关元件（102）与所述工作电压耦合，推动所述辅助开关元件（122）将所述工作开关元件（102）与所述辅助电压（121）脱耦。

4.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（200），其中

- 所述第一测量路径（123）具有带有第一中点（205）的第一分压器（203）；

- 所述第一分压器（203）将所述工作开关元件（102）的第一侧与参考电势耦合；

- 所述第一中点（205）与所述第一测量输入端（211）耦合；

- 所述第二测量路径（124）具有带有第二中点（206）的第二分压器（204）；

- 所述第二分压器（204）将所述工作开关元件（102）的第二侧与所述参考电势耦合；和

- 所述第二中点（206）与所述第二测量输入端（212）耦合。

5. 根据权利要求4所述的开关装置（200），其中：

- 所述第一中点（205）经由第一低通滤波器（213）、尤其经由第一RC元件与所述第一测量输入端（211）耦合，和

- 所述第二中点（206）经由第二低通滤波器（214）、尤其经由第二RC元件与所述第二测量输入端（212）耦合。

6.根据权利要求4或5所述的开关装置（200），其中

- 所述第一分压器（203）具有第一高边电阻，并且所述第二分压器（204）具有第二高边电阻；

- 所述第一高边电阻与所述工作开关元件（102）的第一侧耦合，并且所述第二高边电阻与所述工作开关元件（102）的第二侧耦合；和

- 所述第一高边电阻和所述第二高边电阻

-- 被设计用于以所述工作电压运行；和/或

-- 在以所述工作电压运行时，限制经过所述第一或第二发分压器（203，204）的电流，使得在所述第一或第二中点（205，206）上的电压不超过所述计算单元的逻辑电压（221）。

7. 根据权利要求4至6中任一项所述的开关装置（200），其中

- 所述第一测量路径（123）包括第一二极管（222），所述第一分压器（203）的第一中点（205）经由所述第一二极管与所述计算单元的逻辑电压（221）耦合；和

- 所述第二测量路径（124）包括第二二极管，所述第二分压器（204）的第二中点（206）经由所述第二二极管与所述计算单元的逻辑电压（221）耦合。

8.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（200），

其中所述辅助开关元件（122）包括由辅助晶体管（201）、尤其金属氧化物半导体、MOS晶体管和辅助二极管（202）构成的串联电路，所述二极管朝向所述辅助电压（121）的方向截止。

9. 根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（200），其中

- 所述工作电压是交流电压；和

- 所述辅助电压（121）是直流电压；和/或

- 所述开关装置（200）包括转换器，所述转换器设计成，从所述工作电压产生所述辅助电压（121）。

10.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（200），其中

- 所述安全开关元件（101）和/或所述工作开关元件（102）包括继电器；

- 所述工作开关元件（102）构造为，提供或禁止所述负载（103）的能量供应；和/或

- 所述安全开关元件（101）构造为，将所述工作电压在所述工作开关元件（102）上提供或与所述工作开关元件（102）脱耦。