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Die
Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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In
Kraftfahrzeugen werden Schaltvorrichtungen zum Schalten von elektrischen
Verbrauchern, wie Fahrzeugbeleuchtung, Heizelemente zur Heckscheibenbeheizung
und dergleichen, eingesetzt. Zum Schalten werden Relais mit Schaltkontakten eingesetzt,
da sie einerseits kostengünstig
sind und andererseits geringe Schaltverluste aufweisen, da an den
Schaltkontakten eine geringe Verlustleistung anfällt. Jedoch fällt an der
Relaisspule, wenn der Verbraucher eingeschaltet ist, eine relativ
hohe Verlustleistung an. Diese kann für jedes Relais über 1 Watt betragen.
Sind viele Relais in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht und werden
viele Verbraucher eingeschaltet, so dass Ströme zum Beispiel von insgesamt
150 A fließen,
können
hohe Verluste entstehen. Hierbei können in dem Gehäuse unvertretbar hohe
Temperaturen auftreten, weil ein Motorraum relativ dicht mit Komponenten
ausgefüllt
sein kann.
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Aus
der
EP 0 840 342 B1 ist
eine Schaltvorrichtung mit Relais für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der
die Relaisspulen kurz mit einer hohen Spannung zum Betätigen der
Schaltkontakte versehen und die Relaisspulen mit einer geringen
Haltespannung beaufschlagt werden, so dass die Schaltkontakte geschaltet
bleiben. Dadurch wird die Erwärmung
jeder Spule reduziert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsvorrichtung
der gattungsgemäßen Art
so zu verbessern, dass die Verlustleistung gesenkt wird und damit
hohe Schaltströme
möglich sind.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen
gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf den Gedanken, die Verlustleistung weiter zu senken anstatt
nur zu verschieben, beispielsweise von einer die Relais aufnehmenden
Box auf eine externe Spannungsversorgung zu verschieben. Verluste
der Spannungsquelle, die zum Auslösen und Halten der Relais vorgesehen
ist, werden dadurch gesenkt, dass alle Relaisspulen an einer für alle Relais
gemeinsamen Spannungsquelle angeschlossen sind und die Spannungsquelle
an einem Steuermittel angeschlossen ist. Jedes Relais ist erfindungsgemäß durch
das Steuermittel steuerbar, und zwar unabhängig von anderen Relais. An
jeder Relaisspule kann in vorteilhafter Weise kurz eine hohe Spannung
angelegt werden, die eine sichere Kontaktbetätigung und ein sicheres Schalten
erlaubt. Hat die Spule einen Magnetanker des Relais betätigt, so
ist nur eine geringere Spannung zum Halten des Schaltzustandes erforderlich.
Auch dies liefert die erfindungsgemäße Vorrichtung. Durch die geringere
Spannung, die von der Spannungsquelle geliefert wird, wird eine
Spulenerwärmung
erheblich reduziert.
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Die
Ausgangsspannung der Spannungsquelle kann also zwischen einer kleinen
Spannung und einer höheren
Spannung geschaltet werden, und zwar durch das Steuermittel.
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Die
erfindungsgemäße Ausführung benötigt nur
ein einziges Steuermittel für
eine Vielzahl von Relais.
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Durch
die Erfindung wird eine kostengünstige
Lösung
geschaffen, mit der eine Verlustleistung einer Schaltbox bzw. „Junction
Box" reduziert werden kann.
Die Spannungsquelle kann innerhalb der Box bzw. in einem geschlossenen
Schaltungsge häuse
integriert sein.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die Spannungsquelle als Schaltnetzteil ausgebildet. Das Schaltnetzteil
hat sehr geringe Verluste und kann relativ hohe Ströme liefern.
Da durch die Erfindung nur eine einzige Spannungsquelle erforderlich
ist, ist auch nur ein einziges Schaltnetzteil nötig. Das Schaltnetzteil kann
hohe Ströme
liefern, so dass auch mehrere Relais gleichzeitig bei geringen Schaltverlusten
aktiviert werden können.
Zweckmäßigerweise
umfasst das Schalnetzteil ein taktgesteuertes Halbleiterschaltelement, vorzugsweise
einen Schalttransistor.
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Vorteilhaft
ist es, wenn das Schaltnetzteil an eine Fahrzeug-Batteriespannung,
insbesondere von etwa 12–14
Volt angeschlossen ist. Dadurch kann das Schaltnetzteil eine Haltespannung
von z.B. etwa 5 Volt liefern und eine Auslösespannung in Höhe einer
ungeregelten Fahrzeugbatteriespannung von vorzugsweise etwa 12 bis
14 Volt liefern. Hierbei muss nur das Schaltnetzteil durchgeschaltet
werden. Dies kann durch Anlegen eines High-Pegels am Steueranschluss
eines Schaltelementes des Schaltnetzteiles erfolgen. Die Spannung
von 5 Volt zum Halten des Relais wird durch geregeltes Ein- und Ausschalten
des Schaltelementes erreicht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Relais an Relais-Treiberelemente, insbesondere Transistoren
angeschlossen sind, die durch das Steuermittel mit getrennten Steuerleitungen
steuerbar ausgebildet sind, so dass jedes Relais durch ein Relais-Treiberelement durch
die entsprechende Steuerleitung des Steuermittels ansteuerbar ist.
Das Steuermittel ist bevorzugterweise ein Mikroprozessor umfassendes
Mittel, insbesondere ein Mikrocontroller. Hierdurch ist nur ein
einziger Pin bzw. Anschluss des Mikrocontrollers für jedes
Relais erforderlich.
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Damit
einerseits jedes Relais sicher betätigbar ist und andererseits
ein Stromverbrauch der Schaltungsvorrichtung minimiert wird, ist
es günstig, wenn
eine die Auslösespannung
liefernde Ansteuerzeit von etwa 25 bis 150 ms, insbesondere etwa
50 ms, vorhanden ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn jedes Relais derart ausgeführt ist,
dass es bei einer Spannung von etwa 5 bis 6 Volt auslöst und bei
einer Spannung von etwa 2 bis 3 Volt gehalten wird. Bei einer geregelten
Spannung von 5V, die leicht durch Standardelemente geliefert werden
kann, können
ebenfalls für
einen Kraftfahrzeugeinsatz handelsübliche Relais eingesetzt werden.
Die geregelte 5 Volt – Spannung
hat den Vorteil, dass unabhängig
vom Ladungszustand der Batterie stets eine definierte gleichbleibende Spannung
vorhanden ist. Bei einer batterieabhängigen Haltespannung bestünde nämlich die
Gefahr, dass Fehlfunktionen durch zu geringe Batteriespannung möglich wären. Bei
höherer
Batteriespannung und einer proportional zur Batteriespannung erzeugten
Haltespannung würden
andererseits die Verluste der Schaltungsvorrichtung steigen. Dies
wird durch die bevorzugte Spannungsregelung vermieden. Außerdem muss
bei dieser Auslegung die 5 Volt Spannung nicht sehr genau geregelt
werden und kann zudem einen ungünstigen
Stromripple haben. Daher kann ein kostengünstiges Schaltnetzteil eingesetzt werden.
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Sehr
vorteilhaft ist die Erfindung in Verbindung mit einem geschlossenen
Schaltungsgehäuse (bzw.
einer Box), in dem die Spannungsquelle, die Relais und das Steuermittel
angeordnet sind. Dadurch wird eine kompakte Box mit geringen Leistungsverlusten
geschaffen, die hohe Ströme
schalten kann, ohne dass beispielsweise Halbleiterelemente der Box
aufgrund einer hohen Box-Temperatur in ihrer Funktion gestört oder
sogar beschädigt
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
wird anhand der Zeichnungen näher
erläutert,
wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile
derselben beschrieben sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
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2 ein
Spannungsdiagramm einer Spulenspannung der Schaltungsanordnung gemäß 1,
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3 ein
Spannungsdiagramm eines typischen Fahrzeugrelais,
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4 eine
Verlustleistungsdiagramm mit und ohne Schaltung gemäß 1,
und
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5 eine
Darstellung einer Fahrzeug-Schaltbox.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung zur Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
Diese wird in einem Kraftfahrzeug eingesetzt.
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Schaltvorrichtung
bzw. die Schaltungsanordnung 1 umfasst mehrere eine Relaisspule 2 und Schaltkontakte
aufweisende Schaltrelais. Die Schaltkontakte sind nicht in 1 dargestellt.
Sie sind mit elektrischen Verbraucher, wie Fahrzeugbeleuchtung, einer
heizbaren Heckscheibe, einem Scheibenwischermotor und dergleichen
verbunden und dienen zum Ein- und Ausschalten der Verbraucher. Alle
Relaisspulen 2 sind erfindungsgemäß an einer für alle Relais
gemeinsamen Spannungsquelle 3 angeschlossen. Die Spannungsquelle 3 ist
bevorzugterweise als Schaltnetzteil 4 ausgeführt. Alle
Relaisspulen 2 sind erfindungsgemäß über ein Steuermittel 5, welches
vorzugsweise ein Mikrocontroller 6 ist, ansteuerbar.
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Das
Schaltnetzteil 4 ist durch eine Steuerleitung 7 zur
Spannungssteuerung verbunden, wie 1 veranschaulicht,
so dass das Schaltnetzteil 4 an dem Mikrocontroller angeschlossen
ist. Das Steuersignal der Steuerleitung steuert das Schaltnetzteil 4 so,
dass entweder eine Auslösespannung
von vorzugsweise 14 Volt bzw. eine Batteriespannung oder eine geringere,
geregelte Haltespannung von vorzugsweise 5 Volt am Ausgang des Schaltnetzteiles 4 vorhanden
ist. Die dadurch geschaffene Relaissteuerung hat daher eine Auslösespannung
von 14 Volt zum Betätigen
der Relaisspulen 2 sowie eine gegenüber der Auslösespannung
geringere Haltespannung von 5 Volt.
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Die
Schaltvorrichtung ist daher so ausgeführt, dass das als Spannungsquelle 3 dienende Schaltnetzteil 4 an
einem Steuermittel 5, bzw. dem Mikrocontroller 6 angeschlossen
ist, der einerseits ein Steuersignal liefert, damit die Spannungsquelle 3 entweder
eine Auslösespannung
(14 Volt) oder eine Haltespannung (5 Volt) für die Relais
liefert.
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Der
Mikrocontroller 6 ist aber auch erfindungsgemäß mit jedem
Relais verbunden, und zwar vorzugsweise über Steuerleitungen 8, 9 und 10 und Relaistreiberelemente 11, 12 und 13,
so dass jedes Relais einzeln ansteuerbar ist. Die Relais-Treiberelemente bzw.
Treiber 11–13 umfassen
insbesondere Transistoren, wobei jeder Treiber an einem Pin des Mikrocontrollers 6 angeschlossen
ist, so dass eine getrennte Relaissteuerung möglich ist.
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Die
Steuerleitungen 8 bis 10 können ein Low- oder ein Highpotential
führen.
Bei einem Lowpotential ist das entsprechende Relais ausgeschaltet,
und zwar unabhängig
von der Schaltnetzteilspannung. Liegt ein Highpotential vor, dann
liegt entweder eine ungeregelte Spannung von etwa 12 Volt oder eine
geregelte Spannung von 5 Volt an der entsprechenden Relaisspule
aber auch an alle Relaisspulen 2 an. Soll ein Verbraucher
eingeschaltet werden, z.B. ein Verbraucher, der an das Relais mit
dem Relaistreiber 8 verbunden ist, dann erfolgt ein Spannungsimpuls
mit einer Spannung von etwa 12 Volt mit einer Impulsdauer bzw. eine
Ansteuerzeit von 50 ms wie 2 veranschaulicht.
Möglich
sind auch andere Zeiten, vorzugsweise 25–150 ms. Diese Spannung ist
die Auslösespannung.
Dieser Impuls ist ausreichend, um das Relais sicher zu betätigen. Anschließend gibt
der Mikrocontroller 6 über
die Steuerleitung 7 ein Signal aus, um die Schaltnetzteilspannung
auf etwa 5–6
Volt zu senken, wie 2 zeigt. Diese Spannung ist
die Haltespannung und ist ausreichend, um die Schaltkontakte des
Relais 8 geschlossen zu halten. Die Kurve 18 stellt
in 2 eine ungeregelte Batteriespannung und die Kurve 19 die
Spannung am Ausgang des Schaltnetzteiles 4 dar. Die Zeit t1
stellt den Aktivierungszeitpunkt des Relais dar.
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3 zeigt
ein typisches Relaisverhalten anhand eines Spannungsdiagramms. Jedes
Relais ist derart ausgeführt,
dass es bei einer Spannung von etwa 5 bis 6 Volt auslöst, wie
Kurve A zeigt, und bei einer Spannung von etwa 2 bis 3 Volt gehalten
wird, wie Kurve B zeigt. Die eingesetzten Spannungen von 2 bzw.
5 Volt liegen stets deutlich oberhalb dieser Kurvenwerte, so dass
eine sichere Relaisfunktion gegeben ist. Da jedoch überwiegend
eine geregelte Spannung von 5 Volt vorhanden ist, sind die Relaisverluste
relativ gering. Aber auch die Verluste der Spannungsquelle 3 sind
sehr gering, da das Schaltnetzteil einen Schalttransistor T umfasst,
der so ein- und ausgeschaltet ist, dass durch die Spuleninduktivität LS der Relaisspulen sowie einer internen Induktivität Li eine konstannte Spannung von 5 Volt vorhanden
ist. Das Schaltnetzteil 4 umfasst also ein taktgesteuertes
Halbleiterschaltelement.
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4 zeigt
die Verlustenergie in Watt in Abhängigkeit von der Spulenspannung
in Volt eines typischen 15 A Relais mit einer angeschlossenen Last von
1,2 Ohm.
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Die
Verluste setzen sich zusammen aus den Spulenverlusten und den Kontaktverlusten.
Kurve a stellt die Verlustleistung ohne die erfindungsgemäße Schaltung
und Kurve b mit der erfindungsgemäßen Schaltung dar. Bei einer
Batteriespannung von 14 Volt kann die Verlustleistung von 1,63 Watt
für ein
Relais auf 0,63 Watt gesenkt werden, wobei die Kontaktverlustleistung
von 0,4 Watt (beide Kurven a und b) vorhanden ist. In Kurve b sind
wegen der sehr kurzen Zeit von 50 ms die Verluste beim Einschalten
des Relais mit Batteriespannung vernachlässigbar.
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Weil
mehrere Relais oft auf einer in einem geschlossenen Schaltungsgehäuse 20 angeordneten
Schaltungsplatine 21 gelötet sind, wie 5 zeigt.
Das Gehäuse 20 besteht
aus einem Gehäuseunterteil 22 und
einem Gehäuseoberteil 23 und
ist z.B. in einem Motorraum angeordnet.
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Durch
die Erfindung wird die Temperatur im Gehäuse 20 erheblich reduziert.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Relaisspule
- 3
- Spannungsquelle
- 4
- Schaltnetzteil
- 5
- Steuermittel
- 6
- Mikrocontroller
- 7,
8, 9, 10
- Steuerleitung
- 11,
12, 13
- Relais-Treiberelemente
- 20
- Schaltungsgehäuse
- 21
- Schaltungsplatine
- 22
- Gehäuseunterteil
- 23
- Gehäuseoberteil