CN111602219A - 电路组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将电信号施加到电气负载(101)的电路组件(100)，该电路组件包括信号连接端(102)，可将电信号施加到其上；第一信号支路(103)，其中设置有半导体开关(105)，该半导体开关配置为在闭合状态下电性闭合第一信号支路(103)，以在闭合状态下通过第一信号支路将电气负载(101)电连接至信号连接端(102)，并在打开状态下断开所述第一信号支路(103)；第二信号支路(107)，其中设置有继电器(109)，该继电器(109)配置为电性闭合第二信号支路(107)以通过所述第二信号支路(107)将所述电气负载(101)电连接至所述信号连接端(102)；传感器(111)电连接至信号连接端(102)并配置为在一测试时间间隔内检测所述电信号的极性改变；以及控制器(113)，配置为在检测到极性改变的情况下确定用于致动所述半导体开关(105)的第一信号时刻以及用于致动所述继电器(109)的第二信号时刻，其中，所述第一信号时刻和所述第二信号时刻在一时间间隔内，所述时间间隔由所述电信号的两个连续且相反的极性改变确定，其中，所述控制器(113)还配置为在所述第一信号时刻闭合所述半导体开关(105)，以闭合所述第一信号支路(103)，以向所述电气负载(101)供应电能，以及所述控制器(113)还配置为在所述半导体开关(105)闭合之后的所述第二信号时刻致动所述继电器(109)，从而在后闭合所述继电器(109)，所述控制器(113)还配置为在所述继电器(109)闭合之后另外打开所述半导体开关(105)，以仅通过所述第二信号支路(107)将电能供应到所述电气负载(101)。

Description

电路组件
技术领域
本发明涉及一种用于向电气负载供应电信号的电路组件。
背景技术
机电开关或半导体开关可用于切换电信号，特别是电压或电流。与半导体开关相比，机电开关在以高电流切换电流时通常具有较低的功率损耗的优点。但是，机电式开关的寿命会因开关时的接触腐蚀而缩短。另一方面，半导体开关通常几乎不依赖于电流。半导体开关与机电开关的组合可以弥补各自的缺点。但是，半导体开关并不能同时适用于直流电和交流电。
发明内容
本发明所解决的问题在于提供一种用于切换电信号的有效电路组件。
上述问题可由本发明独立权利要求的技术方案解决。此外，本发明的优选实施方式见于从属权利要求的技术方案、说明书及附图。
本发明基于以下发现：上述目的可以通过一种电路组件来解决，该电路组件既适用于交流电压的切换又适用于直流电压的切换，该电路组件的电流强度可在例如1mA至10A的宽范围内切换。该电路组件包括并联连接的半导体开关和继电器以及传感器，该传感器被配置为检测施加到电路组件的电压和流过电路组件的电流的特性。此外，电路组件包括控制器，该控制器配置为分别在信号特定的切换时间切换半导体开关和继电器，从而根据施加的电压或流动的电流，减少电路组件中的功率损耗和继电器的损耗。
根据第一方面，本发明涉及一种用于向电气负载供应电信号的电路组件。该电路组件包括可以对其施加电信号的信号连接端，设置有半导体开关的第一信号支路，其中该半导体开关被配置为在闭合状态下将第一信号支路电性闭合以经由第一信号支路将电气负载电连接至信号连接端，并在打开状态下断开第一信号支路，第二信号支路中设置有继电器，其中继电器被配置为电性闭合第二信号支路以通过第二信号支路将电气负载电连接至信号连接端。
此外，电路组件包括传感器和控制器，该传感器电连接至信号连接端并被配置为在测试时间间隔内检测电信号的极性改变，该控制器被配置为在检测到极性改变的情况下，确定用于致动半导体开关的第一信号时刻以及致动继电器的第二信号时刻。其中第一信号时刻和第二信号时刻处于由电信号的两个连续且相反的极性改变确定的时间间隔中。
控制器还被配置为在第一信号时刻闭合半导体开关，在闭合第一信号支路之后以向电气负载供应电能，控制器还被配置为在半导体开关闭合后的第二信号时刻致动继电器，从而在后闭合继电器。控制器还被配置为在继电器闭合之后打开半导体开关，以仅经由第二信号支路将电能供应到电气负载。
半导体开关可以是三端双向可控硅开关元件，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，二极管桥电路或晶体管，特别是具有绝缘栅电极(IGBT)的双极晶体管。半导体开关可以配置为以有效或最大电压范围为100mV至24V且电流范围为1mA至2A，或者以高于60V的电压且高于6A的电流来有效地传导直流电。半导体开关也可以配置为用于交流电压，其中配置为用于交流电压的半导体开关不能关断直流电压负载。半导体开关优选是具有直流电能力的IGBT，该IGBT能够由电流阻挡元件，尤其是二极管保护，以防止反向电流流过IGBT。
借助IGBT和与IGBT并联设置的继电器的合适信号时刻，电路组件可以配置为(尤其无需任何修改)有效地在宽范围内切换电气负载，例如具有250V的DC或AC电压和6A的电流的电气负载，或具有24V的直流电压和1mA电流的另一种电气负载。
可以通过以下方式确定电路组件的效率：延长电路组件的使用寿命，在传导和/或切换电流或电压切换时没有损耗，在传导电流时降低功率损耗，在切换低电压(例如低于25V)和/或低电流(例如低于500mA)时提高可靠性。
在半导体开关被切换之后，继电器可以被断开和/或断电，从而在后在半导体开关断开时从半导体开关接管电气负载。结果，继电器可以有利地具有接触间距，该接触间距可以小于如果在电流流过继电器时或者如果向继电器施加电压时切换继电器的接触间距。因此，继电器可以更小并且制造成本更低。如果继电器的开关没有施加任何电压或流经电流，则可以防止形成电弧和/或弹动。
利用传感器可以记录电流和/或电压的时间曲线，以便确定用于半导体开关和/或继电器的有利的接通时间。
通过在不改变电信号的极性的时间间隔内闭合继电器，可以防止提供给电气负载的电功率的改变和/或减少。
此外，第一信号切换时刻可以形成半导体开关的致动时刻，而第二信号切换时刻可以形成继电器的致动时刻。在信号切换时间之后，尤其是在切换延迟之后，可以通过半导体开关或继电器来闭合和/或打开相应的信号支路。半导体开关的接通延迟可以在5ns至500ns或更高的范围内，并且继电器的另一接通延迟可以在1μs至20ms或更高的范围内。此外，半导体开关和/或继电器分别可以具有断开延迟，该断开延迟处于相应接通延迟的可比较的时间范围内。
在一个实施例中，控制器被配置为确定第二信号切换时刻，使得在极性改变之后第二信号支路闭合。例如，半导体开关可以在第一半周期期间闭合第一信号支路，并且继电器可以在第二半周期期间闭合第二信号支路，第二半周期随第一半周期之后的电信号的极性改变。为此，还可以使用继电器的接通延迟，例如在极性改变之前控制继电器，以便继电器在下半个周期的开始闭合第二信号支路。
在一个实施例中，控制器被配置为在测试时间间隔内没有极性改变的情况下，确定用于闭合第一信号支路的第三信号时刻和用于闭合第二信号支路的第四信号时刻，其中第二信号支路在第一信号支路之后闭合。
这实现了以下优点：施加到信号连接端的直流电压也可以通过控制器检测到，并可以通过半导体开关和继电器有效地连接到电气负载。如果在测试时间间隔内未检测到极性改变，则将信号连接端处存在的电信号标识为直流电压。半导体开关和/或继电器可以独立于电信号切换。例如，可以在测试时间间隔之后没有时间延迟地进行半导体开关的切换和继电器的后续切换。电信号可以为零，但仍可以记录为直流电压。
在一个实施例中，控制器被配置为首先闭合半导体开关以闭合第一信号支路，以便断开电气负载和信号连接端之间的电连接，其中，控制器还被配置为在半导体开关之后断开继电器。并且其中控制器还被配置为在继电器断开后断开半导体开关，以防止经由第一信号支路和第二信号支路向电气负载供应电能。
半导体开关和/或继电器的断开顺序可以根据在信号连接端处检测到的极性改变来实现。在打开序列的开始，可以断开第一信号支路，而可以断开第二信号支路。AC电压信号的打开顺序可以从在第一打开时间对半导体开关进行切换开始，从而闭合第一信号支路。然后，可以在第二断开时间处切换继电器，该第二断开时间可以由电信号的电压和/或电流的相位角确定，从而断开第二信号支路。半导体开关和继电器可以在交流电压信号的正半波中切换。正半波可以是电信号的信号部分，该信号部分被两个相反且连续的极性改变包围。
有利地，第二断开时间具有从电流或电压的下一次极性改变起的时间间隔，其中该时间间隔可以对应于继电器的至少一个断开延迟。最后，可以将半导体开关切换为打开第一信号支路，以便断开信号连接端和电气负载之间的电流。半导体开关的最终开关也可以在正半波内进行。
在电压或电流没有过零的情况下，直流电压信号的打开顺序可以从半导体开关的开关开始，从而闭合第一信号支路。然后可以在第二打开时间切换继电器。最后，可以将半导体开关切换为打开第一信号支路，以便断开信号连接端和电气负载之间的电流。
在一个实施例中，控制器被配置为根据继电器的反应延迟来确定第二信号时刻和/或第四信号时刻，以便在电信号的极性不变的时间间隔内切换继电器并闭合第二信号支路。这实现了以下优点：第二信号支路可以在预定的时间点闭合，特别是防止第一信号支路和第二信号支路由于电信号的极性改变而闭合。
在一个实施例中，控制器被配置为在极性改变之后经过预定时间间隔之后或者在极性改变之后以电信号的预定相位角在时间延迟之后切换半导体开关和/或继电器。这样做的优点是，可以根据电路组件的负载状态来切换半导体开关和/或继电器。特别地，取决于半导体开关和/或继电器的规格，将半导体开关和/或继电器切换到电信号的预定信号电平可以是有利的。例如，继电器可以以比半导体开关更低的电流和/或更低的电压进行开关。
在一个实施例中，传感器被配置为检测电信号的信号参数，并且控制器被配置为在信号参数达到预定极限值时切换半导体开关，以便闭合第一信号支路和/或切换继电器以闭合第二信号支路。
这样做的优点是，电路组件可以以有效的操作模式进行操作，以减少能量损失。信号参数尤其可以是电信号的电流或电压。例如，当达到电流上限时，可以通过切换半导体开关来打开第一电流路径，并且可以通过切换继电器来闭合第二电流路径，以便以高于或等于通过第二信号支路的电流极限。当电流以极限的电流流动时，与继电器相比，半导体开关可以具有增加的功率损耗，从而以极限的电流引导电流通过第二信号支路可以有利地提高电路组件的能量效率。
此外，当达到最小电流值时，可以通过切换半导体开关来闭合第一电流路径，并且可以通过切换继电器来打开第二电流路径，以便通过第一信号支路传导低于或等于最小电流值的电流。当具有低电流强度的电流流动时，与半导体开关相比，继电器可以具有减小的电导率，从而通过第一信号支路传导具有低电流强度的电流可以有利地提高电路的能量效率。
预定极限值也可以是电压和/或电流的零点或极性改变，尤其是半导体开关和继电器能够在不同的时间进行开关，以使电流能够流过或防止流过电路组件。特别地，可以在两个极性改变之间的时间间隔中或者在电压和/或电流的零点处进行半导体开关和/或继电器的切换。
在一个实施例中，电路组件包括设置在第一信号支路中的二极管，该二极管被配置为防止电流沿预定的电流流动方向流过第一信号支路。这样做的优点是，可以防止电流沿预定方向流过半导体开关。半导体开关，特别是IGBT，可以被配置用于直流电压，从而可以有利地防止交流电压被施加到IGBT。通过将交流电压施加到电路组件，二极管可以例如防止交流电压的各个负半波施加到IGBT。
半导体开关和继电器可以例如在交流电压的正半波之内切换，使得在正半波之后的电压和/或电流过零时，电流可以流过完全通过第二信号支路。半导体开关可以在继电器之前切换并闭合第一信号支路，继而可以在没有任何电流或电压的情况下切换继电器，以便闭合第二信号支路。然后可以再次切换半导体开关以断开第一信号支路。第一信号支路的打开也可以在正半波内发生。
二极管可以由整流元件代替，该整流元件将交流电压转换成直流电压，以保护半导体开关免受反向电流的流动和/或施加负电压。
在一个实施例中，传感器被配置为检测电压频率和/或电流频率，并且控制器被配置为基于电压频率和/或电流频率确定第一信号时刻和第二信号时刻，以在取决于电流频率和/或电压频率的时间间隔内，特别是半个周期内闭合第一信号支路和第二信号支路。
这样做的优点是：电路组件可以确定相对于电压频率和/或电流频率的周期的等效信号时刻。例如，可以基于正弦电压或电流曲线将半导体开关和/或继电器切换到预定电压或电流幅度值，直到预定电压或电流幅度值的时间间隔可以取决于电压或电流频率。
在一个实施例中，传感器被配置为检测电压幅度和/或电流幅度，并且控制器被配置为基于电压幅度和/或电流幅度确定相位角，以便基于相位角确定第一信号时刻和/或第二信号时刻。
成功的频率确定可以取决于传感器的测试速率。如果在传感器上出现的电压和/或电流信号的频率大于由控制器可以毫无疑问地确定的最大频率，则控制器可以例如根据电压和/或电流幅度值的波动来检测到该信号，以防止半导体开关和/或继电器的切换。相位角还可以用于将半导体开关和/或继电器切换到预定的电流幅度值和/或预定的电压幅度值。
在一个实施例中，传感器被配置为周期性地或连续地检测电信号的电压和/或电流的过零，电源电压的类型，电压幅度，电流幅度和/或弹动，并将其作为信号参数提供给控制器，其中控制器被配置为适配用于检测信号参数的测试间隔。
这实现了以下优点：可以相对于电压和/或电流过零来切换半导体开关和/或继电器。例如，半导体开关可以在电压和/或电流过零的同时打开或闭合第一信号支路。然后，继电器可以断开或闭合半导体开关处的第二信号支路，特别是在距半导体开关一定时间间隔处。控制器可以被配置为根据电压和/或电流过零的时间顺序来确定施加到电路组件的电压的频率和/或流过电路组件的电流的频率。控制器可以被配置为基于频率来适配第一信号时刻和第二信号时刻。
特别地，可以在检测到的电压和/或电流过零之后以预定的时间间隔分别确定第一信号时刻和/或第二信号时刻。在确定第二信号时刻时，控制器可以考虑继电器的接通延迟，以便在电压和/或电流过零之后在第一半波内将继电器完全导通。接通延迟可能是由以有限的速度克服继电器的两个开关触点之间的距离引起的。此外，接通延迟还可以通过继电器的开关触点之间的弹动和/或电弧来延长。
第一信号时刻和第二信号时刻可以在时间上相同或连续，其中第一信号时刻可以在第二信号时刻之前，反之亦然。此外，第二信号时刻和第一信号时刻之间的时间间隔可以小于继电器的接通延迟。例如，继电器可以在第二信号时刻切换，然后半导体开关可以在第一信号时刻切换，以便电流可以流过第一信号支路，最后在接通延迟之后，继电器可以闭合第二电流路径，以便电流可以流过第二信号支路。最后，可以将半导体开关切换为分离第一电流路径。
通过调整测试间隔，特别是减小测试间隔，可以实现以下优点：信号参数的检测不会被欠测试。例如，检测频率可以至少是信号参数的变化频率的两倍，以便无误地检测信号参数。此外，检测频率可以对应于电压和/或电流过零的至少一个频率。该检测间隔可以是例如15ms，使得仍然可以通过两个电压过零来检测包括10ms的50Hz电源电压的一半周期。
在一个实施例中，控制器被配置为记录信号参数的时间曲线并在信号参数达到信号参数极限值时和/或当信号参数的变化率达到变化率极限值时输出警告信号。
这实现了以下优点：控制器可以基于信号参数的变化来有效地切换半导体开关和/或继电器。例如，可以为半导体开关和/或继电器指定一个预定的电压和/或电流值，从而当达到预定的电压和/或电流值时，控制器可以通过断开相应的开关来防止电流流过半导体开关和/或继电器，以防止过电流流过半导体开关和/或继电器。
信号参数的变化率可以例如用于检测快速增加的电压和/或快速增加的电流，特别是在达到电压极限和/或电流极限之前。在交流电压的情况下，可以通过交流电压的频率变化和/或通过相移来产生电压和/或电流强度的瞬时值变化率的变化，因此控制器可以检测到该信号，以调节第一信号时刻，第二信号时刻，第一打开时刻和/或第二打开时刻。
在一个实施例中，控制器被配置为将在切换半导体开关和/或继电器之前记录的第一信号参数值与在切换半导体开关和/或继电器之后记录的第二信号参数值进行比较，以便基于第一信号参数值和第二信号参数值确定电路组件的功能并产生功能状态信号。
这样做的优点是，可以通过控制器来检测半导体开关和/或继电器的正确接通或断开。控制器可以例如在切换各个开关之前和之后检测并比较流经半导体开关和/或继电器的电流或在半导体开关或继电器上下降的电压。然后，控制器可以将这些记录的变量与存储在控制器中或可供控制器使用的参考值进行比较。参考值可以是描述各个检测变量的极限值或的包括各个变量的期望值与期望值的允许偏差的期望值。
功能状态信号可以是电信号，其可以由设置在远处和/或在电路组件上级的控制器评估。此外，功能信号可以是本地输出的声音和/或光学信号。
在一个实施例中，控制器被配置为如果信号参数，特别是电流未达到信号参数极限值，则防止继电器切换。
这样做的优点是，尤其是小电流，可以通过半导体开关流过1μA至1A的小电流。半导体开关可以被配置为能够永久地承受这些小功率。继电器不被切换，因此，没有电流流过第二信号支路，以便通过半导体开关更有效地传导较小的电气负载。继电器可以在继电器的开关触点上具有沉积物，该沉积物不能被较小的电气负载击穿，因此半导体开关可以比继电器更有效地传导较小的电气负载。
控制器可以被配置为根据流过第一信号支路和/或第二信号支路的电流来传导电流通过第一信号支路，第二信号支路或部分地通过第一信号支路和第二信号支路。为此，控制器可以防止半导体开关和/或继电器的开关。结果，可以有利地提高电路组件的能量效率。
在一个实施例中，传感器包括第一电压测量装置和第二电压测量装置，第一电压测量装置被配置为检测在信号连接端处存在的输入电压并确定输入电压是直流电压还是交流电压。并且第二电压测量装置被配置为检测跨第一信号支路和/或跨第二信号支路的差分电压，以便检测半导体开关和/或继电器的切换错误。
这样做的优点是，检测到半导体开关和/或继电器的成功开关。第一电压测量装置可以连接在第一信号支路和/或第二信号支路的上游，并且第二电压测量装置可以平行于第一信号支路和/或第二信号支路设置。如果在切换半导体开关以闭合第一信号支路之后和/或在切换继电器以闭合第二信号支路之后，则半导体开关处或继电器处的差分电压下降到高于半导体开关或继电器的接通状态的电压极限，半导体开关和/或继电器的开关可能不完整或不正确，这可以通过差分电压检测到。
在一个实施例中，电路组件包括通信接口，控制器被配置为经由通信接口提供半导体开关的操作状态，继电器的另一操作状态和/或信号参数。
这实现了以下优点：电路组件是可以具有通信接口的多个设备的通信网络的一部分。通信接口可以是例如根据ISO/IEC 14443或ISO/IEC 18000-3标准的无线射频识别RFID接口。此外，通信接口可以是根据ISO/IEC 14443或ISO/IEC 18092标准的近场通信NFC接口。可用于与通信接口进行通信的其他无线通信技术包括蓝牙，ZigBee IEEE 802.15.4，无线局域网IEEE 802.11，WiMAX IEEE 802.16、5G，UMTS，超宽带UWB，DECT和IrDA。通信接口可以被配置为与另一设备的另一通信接口建立直接连接，或者经由通信网络与另一设备通信。此外，通信接口可以是有线接口，尤其是根据以下标准之一的以太网接口：PROFINET，Modbus-TCP，POWERLINK，EtherCAT或EtherNet/IP。
在一个实施例中，电路组件包括能量存储装置，该能量存储装置被配置为向控制器提供电能并且在电路组件的操作期间连续地存储来自能量源的电能，并且控制器被配置为根据能量存储装置中电能存储的断开来检测对电路组件提供能量的断开，并在检测到电源断开的情况下，依次闭合电路组件并在第一断开时间闭合半导体开关，然后在第二断开时间断开继电器，在第三断开时间断开半导体开关。
这实现了以下优点：如果断开对电路组件的供电，则可以暂时从能量存储中向控制器提供电能，和/或如果断开对控制器的供电，则可以实现半导体开关和继电器的确定的开关状态。尤其是可以在断开通过能量存储装置向控制器的供电之前达到规定的开关状态。
能量存储装置可以配置为在通过对电路组件的连续的，特别是有时间限制的能量供应断开的情况下，在电路组件的能量供应断开的情况下保持电路组件的功能。能量存储装置可以是可充电电池，其尤其提供直流电压。
根据第二方面，本发明涉及一种用于向电气负载提供电信号的方法，其用于包括信号连接端的开关装置，第一信号支路，在该第一信号支路中设置有半导体开关，该半导体开关被配置为通过第一信号支路，第二信号支路将电气负载电连接至信号连接端，第二信号支路中设置有继电器，该继电器被配置为通过第二信号支路，将电气负载电连接至信号连接端；传感器，电连接至信号连接端；以及控制器，其被配置为切换半导体开关和继电器。
该方法包括将电信号提供给信号连接端；以及在传感器的测试间隔内检测电信号的极性改变；在检测到极性改变的情况下，由控制器确定用于闭合第一信号支路的第一信号时刻，并确定用于闭合第二信号支路的第二信号时刻；控制器在第一信号时刻闭合半导体开关，以便闭合第一信号支路并将电能提供给电气负载；控制器在第二个信号时刻闭合半导体开关后，闭合继电器；在继电器闭合之后打开半导体开关，以便仅通过第二信号支路向电气负载提供电能。
附图说明
对本发明例示实施方式进行附图图示。附图中：
图1示出了一个实施例中的电路组件。
图2示出了一个实施例中的电路组件。
图3示出了一个实施例中的电路组件。
图4示出了一个实施例中的电路组件的接通序列。
图5示出了一个实施例中的电路组件的闭合顺序。
图6示出了一个实施例中的多个扫描结果。
附图标记
100 电路组件
101 电气负载
102 信号连接端
103 第一信号支路
105 半导体开关
107 第二信号支路
109 继电器
111 传感器
113 控制器
115 二极管
201 第一电压测量装置
203 第二电压测量装置
205 安培计
207 能量存储装置
209 能量源
211 数据存储器
213 信号输入端
215 信号输出端
217 输入耦合元件
219 输出耦合元件
301 通信接口
303 网络连接
305 通信服务器
400 接通序列
401 极性改变
403 控制信号
405 控制信号
500 关断序列
600 测试结果
601-1 电信号
601-2 电信号
601-3 电信号
601-4 电信号
601-5 电信号
601-6 电信号
602-1 布尔状态信号
602-2 布尔状态信号
602-3 布尔状态信号
602-4 布尔状态信号
t1 第一时刻
t2 第二时刻
t3 第三时刻
t4 第四时刻
t5 第五时刻
t6 第六时刻
t7 第七时刻
t8 第八时刻
t9 第九时刻
t10 第十时刻
t11 第十一时刻
Δt1 第一时间间隔
Δt2 第一时间间隔
Δt3 第一时间间隔
Δt4 第一时间间隔
Δt5 第一时间间隔
Δt6 第一时间间隔
Δt7 第一时间间隔
Δt8 第一时间间隔
Δu1 第一差分电压值
Δu2 第二差分电压值
Δu3 第三差分电压值
Δu4 第四差分电压值
Δu5 第五差分电压值
Δu6 第六差分电压值
具体实施方式
图1示出了用于将电信号提供给电气负载101的电路组件100的示意图。该电路组件包括可以对其施加电信号的信号连接端102，设置有半导体开关105的第一信号支路103以及设置有继电器109的第二信号支路107。半导体开关105被配置为在闭合状态下电性闭合第一信号支路103，以便经由第一信号支路103将电气负载101电连接至信号连接端102，并且在打开状态下断开第一信号支路103。继电器109被配置为电性闭合第二信号支路107，以便经由第二信号支路107将电气负载101电连接至信号连接端102。电路组件100还包括传感器111，该传感器111电连接至信号连接端102，并且被配置为在测试时间间隔内检测电信号的极性改变。
此外，电路组件100包括控制器113，其被配置为在检测到极性改变的情况下确定用于致动半导体开关105的第一信号时刻和用于致动继电器109的第二信号时刻，其中第一信号时刻和第二信号时刻位于一时间间隔内，该时间间隔由电信号的两个连续且相反的极性改变确定。控制器113还被配置为在第一信号时刻闭合半导体开关105以闭合第一信号支路103，以便向电气负载101供应电能，并且在半导体开关105闭合之后的第二信号时刻致动继电器109，从而在后闭合继电器109。控制器113还被配置为在继电器109闭合之后打开半导体开关105，以便仅经由第二信号支路107向电气负载101供应电能。
二极管115连接在半导体开关105的上游，二极管115被配置为防止电流沿预定电流方向流过第一信号支路103。二极管115可以由整流元件形成，该整流元件被配置为将AC电压信号转换为DC电压信号。
此外，控制器113被配置为在测试时间间隔内没有极性改变的情况下，确定用于闭合第一信号支路103的第三信号时刻和用于闭合第二信号支路107的第四信号时刻，第二信号支路107在第一信号支路103之后闭合。
传感器111被配置为检测电信号的信号参数，并且控制器113被配置为在信号参数达到预定极限值时切换半导体开关105，以便闭合第一信号支路103和/或切换继电器109以闭合第二信号支路107。
传感器111可以检测电压频率，电流频率，电压和/或电流的过零，电源电压的类型，电压幅度和/或电流幅度并将它们提供为信号参数。控制器113可以被配置为使用信号参数或者上述信号参数的组合或者信号参数的时间过程来确定相位角，以便使用相位角来确定第一信号时刻和/或第二信号时刻。控制器113可以被配置为通过周期性地记录信号参数来确定信号参数的时间分布。
控制器113还被配置为如果信号参数，特别是电流未达到信号参数极限值，则防止继电器109切换。当信号参数达到信号参数极限值时和/或信号参数的变化率达到信号参数变化率极限值时，控制器113可以输出警告信号。
半导体开关105被配置为断开第一信号支路103，并且继电器109被配置为断开第二信号支路107，控制器113被配置为在第一断开时间对半导体开关105进行开关以断开第一信号支路103，并在第二断开时间切换继电器109，以便断开第二信号支路107，并根据信号参数确定第一断开时间和第二断开时间。
半导体开关105被配置为打开第一信号支路103，并且继电器109被配置为打开第二信号支路107。因此，控制器113被配置为在第一打开时间切换半导体开关105以便打开第一信号支路103，并且在第二打开时间切换继电器109以打开第二信号支路107并基于信号参数确定第一打开时间和第二打开时间。
电路组件100配置为将电能从信号连接端102传输到电气负载101。取决于信号连接端102提供的电流信号和/或电压信号，电流可以临时通过第一信号支路103和/或临时通过第二信号支路107流动。
图2示出了用于将电信号提供给电气负载101的电路组件100的示意图。该电路组件包括可以对其施加电信号的信号连接端102，在其中设置有半导体开关105的第一信号支路103以及在其中设置有继电器109的第二信号支路107。半导体开关105被配置为在闭合状态下电性闭合第一信号支路103，以便经由第一信号支路103将电气负载101电连接至信号连接端102，并且在打开状态下断开第一信号支路103。继电器109被配置为电性闭合第二信号支路107，以便经由第二信号支路107将电气负载101电连接至信号连接端102。电路组件100还包括传感器111，该传感器111电连接至信号连接端102，并且被配置为在测试时间间隔内检测电信号的极性改变。
此外，电路组件100包括控制器113，其被配置为在检测到极性改变的情况下确定用于致动半导体开关105的第一信号时刻和用于致动继电器109的第二信号时刻，其中第一信号时刻和第二信号时刻位于一时间间隔内，该时间间隔由电信号的两个连续且相反的极性改变确定。控制器113还被配置为在第一信号时刻闭合半导体开关105以闭合第一信号支路103，以便向电气负载101供应电能，并在半导体开关105闭合之后的第二信号时刻致动继电器109，从而在后闭合继电器109。控制器113还被配置为在继电器109闭合之后打开半导体开关105，以便仅经由第二信号支路107向电气负载101供应电能。
电路组件100还包括能量存储装置207，其被配置为向控制器113供应电能，并且在电路组件100的操作期间，连续存储能量源的电能，并且控制器113被配置为基于能量存储装置中电能存储的断开来检测对电路组件100的能量供应的断开，并在检测到能量供应断开的情况下，通过在第一断开时间断开半导体开关105并在第二断开时间断开继电器109来顺序闭合电路组件100。
能量源209连接在能量存储装置207的上游，并为能量存储装置207提供预定的电压和/或预定的充电电流。能量源209尤其可以是将电源网络电压转换成预定电压的电源，其中电源网络电压可以是交流电压，而电源电压可以是直流电压。
传感器111被配置为定期或连续地检测电信号的电压和/或电流的过零，电源电压的类型，电压幅度，电流幅度和/或弹动，并将其提供给控制器作为信号参数。
电路组件100可以具有数据存储器211，该数据存储器被配置为存储所检测的信号参数并且尤其是存储信号参数的时间曲线。信号参数可以包括电压，电流，电流频率，电压频率，相位角，电压瞬时值，电流瞬时值，最大或最小电压幅度，最大或最小电流幅度，电源电压类型或上述变量的组合。控制器113连接到数据存储器211，以便将数据写入数据存储器211和/或从数据存储器211读取数据。
电路组件100还包括信号输入端213，该信号输入端通过输入耦合元件217以电气隔离的方式连接到控制器113。控制器113可以经由信号输入端213检测开关信号，以便借助于半导体开关105闭合和/或打开第一信号支路103和/或借助继电器109闭合和/或打开第二信号支路107。
电路组件100还包括信号输出端215，该信号输出端经由输出耦合元件219以电隔离的方式连接至控制器113。当信号参数达到信号参数极限值时和/或信号参数的变化率达到信号参数变化率极限值时，控制器113可以经由信号输出端215输出警告信号。
经由信号输出端215，控制器113还可以输出与电路组件100的电流开关状态有关的状态信号，该状态信号包括关于半导体开关105和/或继电器109开关状态的信息和/或与电路组件100的能量供应有关的信息。
信号输入端213或信号输出端215与控制器113之间的电隔离可以通过各个电信号的无电势光耦合来实现。电路组件100可以通过信号输入端213和信号输出端215连接到两线总线系统，通过该两线总线系统可以控制电路组件100。
电路组件100配置为将电能从信号连接端102传输到电气负载101。取决于信号连接端102提供的电流信号和/或电压信号，电流可以临时通过第一信号支路103和/或临时通过第二信号支路107流动。
图3示出了用于向电气负载101供应电信号的电路组件100的示意图。该电路组件包括可以对其施加电信号的信号连接端102，在其中设置有半导体开关105的第一信号支路103以及在其中设置有继电器109的第二信号支路107。半导体开关105被配置为在闭合状态下电性闭合第一信号支路103，以便经由第一信号支路103将电气负载101电连接至信号连接端102，并且在打开状态下断开第一信号支路103。继电器109被配置为电性闭合第二信号支路107，以便经由第二信号支路107将电气负载101电连接至信号连接端102。电路组件100还包括传感器111，该传感器111电连接至信号连接端102，并且被配置为在测试时间间隔内检测电信号的极性改变。
此外，电路组件100包括控制器113，其被配置为在检测到极性改变的情况下确定用于致动半导体开关105的第一信号时刻和用于致动继电器109的第二信号时刻。
电路组件100还包括信号输入端213，该信号输入端通过输入耦合元件217以电气隔离的方式连接到控制器113。控制器113可以经由信号输入端213检测开关信号，以便借助于半导体开关105闭合和/或打开第一信号支路103和/或借助继电器109闭合和/或打开第二信号支路107。
电路组件100还包括通信接口301，控制器113被配置为经由通信接口301提供半导体开关105的操作状态，继电器109的另一操作状态和/或信号参数。根据图2所示实施例的信号输出端215可以由根据图3所示实施例的通信接口301代替。通信接口301可以双向配置，以便接收通信消息并将通信消息从控制器113发送到通信服务器305。
通信接口301经由网络连接303连接到通信网络，特别是连接到通信服务器305。网络连接303可以用于将电路组件100连接到通信网络，特别是连接到有线以太网或无线LAN或移动无线电网络。控制器113可以被配置为借助于通信接口301将与施加到第一信号支路103和/或第二信号支路107的电气负载有关的信息发送到通信服务器305。因此，通信服务器305可以评估该信息，例如以便发起维护措施或电路组件100的闭合。
图4示出了在交流电压信号的情况下电路组件的接通序列400的示意图。接通序列400在第一时刻t1以电压从负电压幅度到正电压幅度的极性改变401开始。在第一时刻t1，通过控制信号403接通半导体开关。半导体开关可以具有轻微的接通延迟，例如在5ns到500ns的范围内，以便第一信号支路大约在第一时刻t1闭合，并且可以通过第一信号支路将电信号施加到电气负载。
在经过第一时间间隔Δt1之后，在第二时刻t2用另一个控制信号405驱动继电器，以便在第三时刻t3切换继电器。在第一时间间隔Δt1期间，电压可以对应于，特别是恒定的第一差分电压值Δu1。在第一时间间隔Δt1期间，电流强度可以具有与施加到电路组件的交流电压的频率相对应的正弦曲线。
继电器可以具有机电式开关触点，其具有与第二时间间隔Δt2相对应的接通延迟，使得继电器在第三时刻t3闭合第二信号支路。在接通延迟期间，电压对应于第二差分电压值，特别是恒定的第二差分电压值Δu2。第二差分电压值Δu2小于第一差分电压值Δu1。在接通延迟期间，电流强度具有与施加到电路组件的交流电压的频率相对应的正弦曲线。
在第四时间间隔Δt4之后，第一信号支路通过半导体开关闭合并且第二信号支路通过继电器闭合。第四时间间隔Δt4可以对应于电路组件从驱动半导体开关直到继电器闭合并因此形成电路组件的总接通时间所需要的时间。后续，在第三时间间隔Δt3之后，半导体开关仍然断开，从而结束电路组件的接通序列400。
在第三时间间隔Δt3期间，第一信号支路通过半导体开关闭合，第二信号支路通过继电器闭合，从而可以通过两个信号支路将电信号传输到电气负载。
在第四时刻t4，控制信号403可被断开，从而半导体开关打开第一信号支路。此外，第四时刻t4处的电压具有从正电压幅度到负电压幅度的极性改变。在第四时刻t4之后，电压对应于第三差分电压值Δu3，尤其可以具有与第二差分电压值Δu2相同的值，但由于电压极性改变而为负。电路组件的接通序列400在第四时刻t4完成。
在第五时刻t5，根据施加到电路组件的AC电压的频率，存在新的极性改变。在进一步的过程中，第二信号支路通过继电器闭合，以便经由第二信号支路将电信号提供给电气负载。
图5示出了在交流电压信号的情况下电路组件的关断序列500的示意图。关断序列500在第六时刻t6以电压的极性改变501从负的第四电压差值Δu4到正的第五电压差值Δu5开始。在第六时刻t6，利用驱动控制信号403接通半导体开关。半导体开关可能会有很小的接通延迟，例如在5ns至500ns的范围内，因此第一信号支路大约在第六时刻t6闭合，电信号可以通过第一信号支路施加到电气负载。
在第五时间间隔Δt5之后，当激活信号405闭合以在第七时刻t7激活继电器时，防止了继电器的激活。在第五时间间隔Δt5期间，该电压对应于第五差分电压值，特别是恒定的第五差分电压值Δu5。在第五时间间隔Δt5期间，电流强度具有与施加到电路组件的AC电压的频率相对应的正弦曲线。
继电器可以具有与第六时间间隔Δt6相对应的闭合延迟，因此在控制信号405关断之后，继电器在第八时刻t8打开第二信号支路。在闭合延迟期间，电压对应于差分电压值Δu5。在关断延迟期间，电流具有与施加到电路组件的交流电压的频率相对应的正弦曲线。在第八时刻t8，第一信号支路闭合，并且可以通过第一信号支路向电气负载提供电信号。
在第七时间间隔Δt7期间，第一信号支路被闭合，第二信号支路被打开，从而可以通过第一信号支路而不是通过第二信号支路将电信号施加到电气负载。此外，在第七时间间隔Δt7期间，电压对应于特别是恒定的第六差分电压值。第六差分电压值Δu6大于第五差分电压值Δu5。
在第八时间间隔Δt8后，第一信号支路通过半导体开关闭合，第二信号支路通过继电器打开。第八时间间隔Δt8可以对应于电路组件从致动半导体开关直到继电器打开所需的时间。
在第九时刻t9，存在与施加到电路组件的AC电压的频率相对应的新的极性改变。此外，半导体开关的激活在第九时刻t9结束，从而第一信号支路被打开。因此，防止了经由第一信号支路和/或第二信号支路向电气负载提供电信号。
图6示出了在一个实施例中传感器针对不同的电信号的多个扫描结果600的示意图。传感器配置为在测试间隔内检测极性的变化。测试间隔受第十时间t10和第十一时间t11的限制。
电信号601-1在测试间隔中未发生极性改变。传感器可以配置为向控制器提供布尔状态信号602-1(DC-OK)，该状态信号指示是否已将电信号601-1检测为直流电压。通过状态信号602-1，传感器指示电信号601-1是直流电压。
另一个电信号601-2在测试间隔中没有极性改变。传感器可以配置为向控制器提供另一个布尔状态信号602-2(DC-Not-OK)，该信号指示是否已将电信号601-2检测为直流电压。利用布尔状态信号602-2，传感器指示电信号601-2是DC电压。
另一个电信号601-3在测试间隔中为零，但极性不变。因此，传感器通过布尔状态信号602-2指示电信号601-3是DC电压。
另一个电信号601-4在测试间隔中为零，但极性不变。因此，传感器通过布尔状态信号602-2指示电信号601-4是DC电压。
另一电信号601-5示出了测试间隔中的极性改变。特别地，电信号601-5是具有恒定频率的正弦AC电压。传感器可以配置为向控制器提供另一个布尔状态信号602-3(AC-OK)，该布尔状态信号指示是否已将电信号601-5检测为交流电压。因此，传感器以布尔状态信号602-3指示电信号601-5是AC电压。
另一电信号601-6在测试间隔中表现出极性改变。特别地，电信号601-6是具有恒定频率的正弦AC电压。传感器可以配置为向控制器提供另一个布尔状态信号602-4(AC-Not-OK)，它指示是否已将电信号601-6检测为交流电压。因此，传感器通过布尔状态信号602-4指示电信号601-6是交流电压。
在一实施例中，电路组件被配置为使用电信号601-1至601-6之一来处理电气负载，控制器被配置为处理布尔状态信号602-1至602-4并使用布尔状态信号602-1至602-4中的至少一个，以允许或防止电气负载暴露于电信号中。

Claims (17)

1.一种用于向电气负载(101)提供电信号的电路组件(100)，其特征在于，包括：
信号连接端(102)，可将所述电信号施加到所述信号连接端；
第一信号支路(103)，其中设置有半导体开关(105)，所述半导体开关(105)配置为在闭合状态下将所述第一信号支路(103)电性闭合，以通过所述第一信号支路(103)将所述电气负载(101)电连接至所述信号连接端(102)，并在打开状态下断开所述第一信号支路(103)；
第二信号支路(107)，其中设置有继电器(109)，所述继电器(109)配置为将所述第二信号支路(107)电性闭合，以通过所述第二信号支路(107)将所述电气负载(101)电连接至所述信号连接端(102)；
传感器(111)，电连接至所述信号连接端(102)并配置为在一测试时间间隔内检测所述电信号的极性改变；以及
控制器(113)，配置为在检测到极性改变的情况下确定用于致动所述半导体开关(105)的第一信号时刻以及用于致动所述继电器(109)的第二信号时刻，其中，所述第一信号时刻和所述第二信号时刻处于由所述电信号的两个连续且相反的极性改变所确定的一时间间隔内，
其中，所述控制器(113)还配置为在所述第一信号时刻闭合所述半导体开关(105)，以闭合所述第一信号支路(103)，进而向所述电气负载(101)供应电能，以及
所述控制器(113)还配置为在所述半导体开关(105)闭合之后、于所述第二信号时刻致动所述继电器(109)，从而在后闭合所述继电器(109)，其中，所述控制器(113)还配置为在所述继电器(109)闭合之后打开所述半导体开关(105)，以仅通过所述第二信号支路(107)向所述电气负载(101)提供电能。
2.根据权利要求1所述的电路组件(100)，其特征在于，所述控制器(113)配置为在所述测试时间间隔内没有检测到极性改变的情况下，确定用于闭合所述第一信号支路(103)的第三信号时刻以及用于闭合所述第二信号支路(107)的第四信号时刻，其中所述第二信号支路(107)在所述第一信号支路(103)之后闭合。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述控制器(113)配置为闭合所述半导体开关(105)以闭合所述第一信号支路(103)，从而断开所述电气负载(101)与所述信号连接端(102)之间的电连接，其中所述控制器(113)还配置为在所述半导体开关(105)闭合后断开所述继电器(109)，以防止同时通过所述第一信号支路(103)和所述第二信号支路(107)向所述电气负载(101)提供电能。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述控制器(113)配置为根据所述继电器(109)的反应延迟来确定所述第二信号时刻和/或第四信号时刻，以切换所述继电器(109)，并在没有极性改变的一时间间隔内闭合所述第二信号支路(107)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述控制器(113)配置为在极性改变后的一预定时间间隔之后或在所述极性改变后的所述电信号的预定相位角以带时间延迟的方式来切换所述半导体开关(105)和/或所述继电器(109)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述传感器(111)配置为检测所述电信号的信号参数，其中，所述控制器(113)配置为：当所述信号参数达到一预定极限值时，切换所述半导体开关(105)以闭合所述第一信号支路(103)和/或切换所述继电器(109)以闭合所述第二信号支路(107)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，包括设置在所述第一信号支路(103)中的二极管(115)，所述二极管(115)用于防止电流沿一预定电流方向流过所述第一信号支路(103)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述传感器(111)配置为检测电压频率和/或电流频率，所述控制器(113)配置为基于所述电压频率和/或所述电流频率确定所述第一信号时刻和所述第二信号时刻，以在取决于所述电流频率和/或所述电压频率的一时间间隔内，特别是半个周期内，闭合所述第一信号支路(103)和所述第二信号支路(107)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述传感器(111)配置为检测电压幅度和/或电流幅度，所述控制器(113)配置为基于所述电压幅度和/或所述电流幅度确定相位角，从而基于所述相位角确定所述第一信号时刻和/或所述第二信号时刻。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述传感器(111)配置为连续地或周期性地检测所述电信号的电压过零和/或电流过零，电源电压的类型，电压幅度，电流幅度和/或弹动，并将其作为信号参数提供给所述控制器，其中，所述控制器配置为对所述信号参数测试的测试间隔进行适配。
11.根据权利要求10所述的电路组件(100)，其特征在于，所述控制器(113)配置为记录所述信号参数的时间曲线并且在所述信号参数达到信号参数极限值时和/或所述信号参数的变化率达到所述信号参数的变化率极限值时，输出警告信号。
12.根据权利要求10或11所述的电路组件(100)，其特征在于，所述控制器(113)配置为将在所述半导体开关(105)被切换和/或所述继电器(109)被切换之前记录的第一信号参数值与在所述半导体开关(105)被切换和/或所述继电器(109)被切换之后记录的第二信号参数值进行比较，以基于所述第一信号参数值和所述第二信号参数值确定所述电路组件(100)的功能并产生功能状态信号。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述控制器(113)配置为：若所述信号参数，特别是电流，未达到所述信号参数极限值，则防止所述继电器(109)进行切换。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，所述传感器(111)包括第一电压测量装置(201)和第二电压测量装置(203)，其中，所述第一电压测量装置(203)被配置为检测在所述信号连接端(102)处的输入电压并确定所述输入电压是直流电压还是交流电压，所述第二电压测量装置(205)配置为检测所述第一信号支路(103)两端和/或所述第二信号支路(107)两端的差分电压，从而检测所述半导体开关(105)和/或所述继电器(109)的切换错误。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，包括通信接口(301)，所述控制器(113)配置为通过所述通信接口(301)提供所述半导体开关(105)的操作状态，所述继电器(109)的另一操作状态，和/或信号参数。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件(100)，其特征在于，包括：能量存储装置(207)，其中，所述能量存储装置(207)配置为在所述电路组件(100)的操作期间向所述控制器(113)供应电能并且连续地存储来自能量源(209)的电能，所述控制器(113)配置为基于所述能量存储装置(207)中的电能存储断开来检测对所述电路组件(100)的能量供应断开，并且在检测到所述能量供应断开的情况下，通过在第一断开时间断开所述半导体开关(105)并在第二断开时间断开所述继电器(109)来执行所述电路组件(100)的顺序断开。
17.一种通过开关装置(100)向电气负载(101)提供电信号的方法，其特征在于，所述开关装置包括信号连接端(102)；设置有半导体开关(105)的第一信号支路(103)，所述半导体开关配置为通过所述第一信号支路(103)将所述电气负载(101)电连接至所述信号连接端(102)；设置有继电器(109)的第二信号支路(107)，所述继电器配置为通过所述第二信号支路(107)将所述电气负载(101)电连接至所述信号连接端(102)；与所述信号连接端(102)电连接的传感器(111)；以及配置为切换所述半导体开关(105)和所述继电器(109)的控制器(113)，所述方法包括：
将所述电信号提供给所述信号连接端(102)；
通过所述传感器(111)在一测试时间间隔内检测所述电信号的极性改变；
在检测到所述极性改变的情况下，通过所述控制器(113)确定用于闭合所述第一信号支路(103)的第一信号时刻，以及确定用于闭合所述第二信号支路的第二信号时刻(107)；
所述控制器(113)在所述第一信号时刻闭合所述半导体开关(105)，以闭合所述第一信号支路(103)，以向所述电气负载(101)提供电能；
所述控制器(113)在闭合半导体开关(105)之后、在所述第二信号时刻闭合所述继电器(109)；以及
在所述继电器(109)闭合之后打开所述半导体开关(105)，以仅通过所述第二信号支路(107)向所述电气负载(101)提供电能。
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