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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Aufladen
eines Akkupacks, mit einer Steuerschaltung für ein elektromechanisches Relais, das
mindestens einen Relaiskontakt aufweist, wobei das Relais zum Schließen des
Relaiskontakts mit einer minimalen Anziehspannung zu beaufschlagen
ist und zum Geschlossenhalten des Relaiskontakts mit einer minimalen
Haltespannung zu beaufschlagen ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind derartige Ladevorrichtungen bekannt,
bei denen das Relais dazu ausgebildet ist, im geschlossenen Zustand
des Relaiskontakts eine elektrisch leitende Verbindung zwischen
einer zugeordneten Spannungsquelle und einem entsprechenden Akkupack
herzustellen. Diese Spannungsquelle muss zum Betrieb des Relais eine
Spannung bereitstellen, die in einem vorgegebenen Spannungsbereich
liegt, der in der Regel vom Hersteller vorgegeben wird. Da der bei
Ladevorrichtungen verfügbare
Spannungsbereich zum Aufladen des entsprechenden Akkupacks jedoch
häufig
größer ist
als dieser Spannungsbereich, ist eine Spannungsanpassungsschaltung
erforderlich, mit der der verfügbare
Spannungsbereich auf die Größe des vorgegebenen
Spannungsbereichs herab gesetzt wird, um einen Betrieb des Relais
zu ermöglichen.
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Nachteilig
am Stand der Technik ist, dass derartige Spannungsanpassungsschaltungen
verlustbehaftet sind und somit zu einem unerwünscht hohen Energieverbrauch
führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue, mit einem elektromechanischen
Relais versehene Ladevorrichtung zum Aufladen eines Akkupacks bereit
zu stellen, bei der durch eine geeignete Steuerschaltung für das Relais
zumindest eine Reduzierung des Energieverbrauchs ermöglicht wird.
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Dieses
Problem wird gelöst
durch eine Steuerschaltung für
ein elektromechanisches Relais, das mindestens einen Relaiskontakt
aufweist, wobei das Relais zum Schließen des Relaiskontakts mit
einer minimalen Anziehspannung zu beaufschlagen ist und zum Geschlossenhalten
des Relaiskontakts mit einer minimalen Haltespannung zu beaufschlagen ist.
Das Relais ist mit einer ersten und einer zweiten Spannungsquelle
verbunden. Die erste Spannungsquelle ist zur Bereitstellung einer
ersten elektrischen Spannung ausgebildet, die größer als die minimale Haltespannung
ist. Die zweite Spannungsquelle ist zur Bereitstellung einer zweiten
elektrischen Spannung ausgebildet, die größer als die erste Spannung und
größer als
die minimale Anziehspannung ist. Die zweite Spannung ist zum Schließen des
Relaiskontakts an das Relais anlegbar und die erste Spannung ist
zum Geschlossenhalten des Relaiskontakts an das Relais anlegbar.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit, durch Verwendung der ersten und zweiten Spannungsquelle, einen
dem Relais zugeordneten Spannungsbereich, in dem dieses betrieben
werden kann, zu erweitern, wobei der Energieverbrauch im Betrieb
des Relais reduziert wird.
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Die
erste Spannung ist bevorzugt kleiner als die Anziehspannung.
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Somit
kann eine vergleichsweise gering belastbare erste Spannungsquelle
zum Geschlossenhalten des Relaiskontakts Anwendung finden, während eine
entsprechend höher
belastbare zweite Spannungsquelle nur zum Schließen des Relaiskontakts Anwendung
findet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist das Relais eine Relaisspule und einen Anker auf, der durch
Anlegen von mindestens der minimalen Anziehspannung an die Relaisspule
in einen angezogenen Zustand zum Schließen des Relaiskontakts versetzbar
ist und durch Anlegen von mindestens der minimalen Haltespannung
in dem angezogenen Zustand haltbar ist.
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Somit
kann die Steuerschaltung mit einem einfachen und kostengünstigen
Relais realisiert werden.
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Vorzugsweise
ist die erste Spannungsquelle über
mindestens eine Diode mit dem Relais verbunden. Die Diode ist zwischen
der ersten und zweiten Spannungsquelle angeordnet.
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Somit
kann auf einfache Art und Weise ein Stromfluss von der zweiten zur
ersten Spannungsquelle unterbunden werden, sodass die von der zweiten
Spannungsquelle bereitgestellte zweite Spannung beim Anlegen an
das Relais mindestens der minimalen Anziehspannung entspricht und
somit ein Schließen
des Relaiskontakts sicher und zuverlässig ermöglicht wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die zweite Spannungsquelle über
einen Kondensator mit dem Relais verbunden.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit die Bereitstellung eines kostengünstigen Sperrglieds, das nach
Schließen
des Relaiskontakts einen Stromfluss von der zweiten Spannungsquelle
zum Relais sicher und zuverlässig
sperrt.
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Zwischen
dem Kondensator und der ersten Diode ist bevorzugt eine zweite Diode
angeordnet, die zur ersten Diode entgegengesetzt gepolt ist.
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Somit
kann auf einfache Art und Weise verhindert werden, dass ein ungewünschter
Entladestrom des Kondensators das Relais im Betrieb der Steuerschaltung
ausschaltet.
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Die
zweite Spannungsquelle ist bevorzugt über einen ohmschen Widerstand
mit dem Relais verbunden.
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Somit
kann der Kondensator beim Ausschalten des Relais zuverlässig und
effizient entladen werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist zwischen dem Widerstand und dem Relais ein Halbleiterschalter
angeordnet.
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Somit
kann der Energieverbrauch der Steuerschaltung weiter reduziert werden.
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Das
Relais ist bevorzugt mit einer Freilaufdiode verbunden.
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Somit
kann die dem Relais zugeordnete Relaisspule nach dem Ausschalten
effizient entmagnetisiert werden.
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Vorzugsweise
ist das Relais mit einem Überspannungsschutz
verbunden.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit, eine zweite Spannungsquelle mit einem vergleichsweise hohen Spannungsbereich
und einer entsprechend großen maximalen
zweiten Spannung zu verwenden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist das Relais dazu ausgebildet, im geschlossenen Zustand des Relaiskontakts
eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Spannungsquelle
und einer zugeordneten Last herzustellen.
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Somit
kann die Steuerschaltung in einer Vielzahl unterschiedlicher Vorrichtungen
Anwendung finden, in der eine zweite Spannungsquelle mit einem variablen
Spannungsbereich zum Betreiben einer zugeordneten Last vorgesehen
ist.
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Das
Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Ladevorrichtung
zum Aufladen eines Akkupacks, mit einer Steuerschaltung für ein elektromechanisches
Relais, das mindestens einen Relaiskontakt aufweist. Das Relais
ist zum Schließen des
Relaiskontakts mit einer minimalen Anziehspannung zu beaufschlagen
und zum Geschlossenhalten des Relaiskontakts mit einer minimalen
Haltespannung zu beaufschlagen. Das Relais ist mit einer ersten
und einer zweiten Spannungsquelle verbunden. Die erste Spannungsquelle
ist zur Bereitstellung einer ersten elektrischen Spannung ausgebildet,
die größer als
die minimale Haltespannung ist. Die zweite Spannungsquelle ist zur
Bereitstellung einer zweiten elektrischen Spannung ausgebildet,
die größer als
die erste Spannung und größer als
die minimale Anziehspannung ist. Die zweite Spannung ist zum Schließen des
Relaiskontakts an das Relais anlegbar und die erste Spannung ist
zum Geschlossenhalten des Relaiskontakts an das Relais anlegbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Schaltbild einer Ladevorrichtung mit einer Steuerschaltung
gemäß einer ersten
Ausführungsform,
und
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2 ein
vereinfachtes Schaltbild einer Steuerschaltung für ein elektromechanisches Relais gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
schematisch eine Ladevorrichtung 10 zum Aufladen eines
Akkupacks 195, die eine Steuerschaltung 100 gemäß einer
ersten Ausführungsform
aufweist. Diese ist zum Ein- und Ausschalten eines elektromechanischen
Relais 150 ausgebildet, das im eingeschalteten Zustand
beispielhaft eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer
Spannungsquelle 120 und einem Akkupack 195 herstellt. Die
Funktionsweise und der detaillierte Aufbau einer geeigneten Ladevorrichtung
sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, sodass hier
zwecks Knappheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung
verzichtet wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Beschreibung
der Verwendung der Steuerschaltung 100 bei einer Ladevorrichtung 10 lediglich
beispielhaften Charakter hat und nicht zur Einschränkung der
Erfindung dient. Vielmehr kann die Steuerschaltung 100 mit
dem Relais 150 z. B. in jeglicher Art von Netzgerät bzw. Netzteil Anwendung
finden, in dem ein Relais zum Herstellen einer elektrisch leitenden
Verbindung zwischen einer Spannungsquelle und einer zugeordneten
Last verwendet wird.
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Die
Spannungsquelle 120 ist beispielhaft als Gleichspannungsquelle
ausgebildet und zwischen Masse 105 und einem ersten Knotenpunkt 122 angeordnet.
Zwischen Masse 105 und der Anode einer Diode 140 ist
eine weitere Spannungsquelle 110 angeordnet, die beispielhaft
ebenfalls als Gleichspannungsquelle ausgebildet ist. Die Kathode
der Diode 140 ist mit einem zweiten Knotenpunkt 112 verbunden.
Die Spannungsquelle 110 ist zur Bereitstellung einer ersten
elektrischen Spannung U1 ausgebildet und die Spannungsquelle 120 zur
Bereitstellung einer zweiten elektrischen Spannung U2, die größer als
die Spannung U1 ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Spannungsquelle 110 eine vergleichsweise gering
belastbare Spannungsquelle, die z. B. zum Standby-Betrieb der Ladevorrichtung 10 vorgesehen
ist, während
die Spannungsquelle 120 eine entsprechend höher belastbare
Spannungsquelle ist, die wie oben beschrieben zum Aufladen des Akkupacks 195 ausgebildet
ist. Hierbei kann die zweite Spannungsquelle auch eine variable
Spannung bereitstellen bzw. einen Spannungsbereich abdecken, die
bzw. der größer als
die Spannung U1 bzw. ein der Spannungsquelle 110 zugeordneter
Spannungsbereich ist. Deshalb wird die Spannungsquelle 120 zur
Vereinfachung der Beschreibung nachfolgend als „große Spannungsquelle” bezeichnet
und die Spannungsquelle 110 als „kleine Spannungsquelle”.
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Zwischen
dem ersten Knotenpunkt 122 und einem dritten Knotenpunkt 124 ist
eine Parallelschaltung aus einem beispielhaft als Kondensator ausgebildeten
Sperrglied 180 und einem ohmschen Widerstand 190 angeordnet.
Darüber
hinaus ist der erste Knotenpunkt 122 mit einer Eingangsseite 153 eines dem
Relais 150 zugeordneten Arbeits- bzw. Relaiskontakts 154 verbunden,
dessen Ausgangsseite 155 mit dem ebenfalls mit Masse 105 verbundenen
Akkupack 195 verbunden ist. Der dritte Knotenpunkt 124 ist
mit der Anode einer optionalen Diode 182 verbunden, deren
Kathode mit dem zweiten Knotenpunkt 112 verbunden ist.
Somit sind die Spannungsquellen 110, 120 über die
zueinander entgegengesetzt gepolten Dioden 140, 182 miteinander
verbunden.
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Zwischen
dem zweiten Knotenpunkt 112 und einem vierten Knotenpunkt 132 ist
beispielhaft das Relais 150 angeordnet, wobei eine dem
Relais zugeordnete Relaisspule 152 mit diesen Knotenpunkten 112, 132 verbunden
ist. Darüber
hinaus ist zwischen diesen Knotenpunkten 112, 132 beispielhaft
eine Parallelschaltung aus einer Freilaufdiode 160 und
einem optionalen, z. B. mit einer Zenerdiode realisierbaren Überspannungsschutz 170 angeordnet.
Hierbei ist beispielhaft die Kathode der Freilaufdiode 160 mit
dem zweiten Knotenpunkt 112 und deren Anode mit dem vierten
Knotenpunkt 132 verbunden.
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Zwischen
dem vierten Knotenpunkt 132 und Masse 105 ist
ein Schaltelement 130 angeordnet. Dieses ist zum Ein- bzw.
Ausschalten des Relais 150 und somit zum Aktivieren bzw.
Deaktivieren der Ladevorrichtung 10 ausgebildet. Im einfachsten
Fall kann das Schaltelement 130 als ein mechanischer Schalter,
z. B. eine Drucktaste ausgebildet sein, die beispielsweise in einer
zugeordneten Ladeschale bei Einlegen des Akkupacks 195 betätigt wird.
Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich, wie z. B. elektronische
Schalter, beispielsweise ein von einem der Ladevorrichtung 10 zugeordneten
Mikroprozessor geschalteter Halbleiterschalter, z. B. ein Bipolar-
oder ein Feldeffekttransistor.
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Die
Relaisspule 152 steht in einer Wirkverbindung mit einem
Anker 156 zur Betätigung
des Relaiskontakts 154. Hierbei ist das Relais 150 bzw.
die Relaisspule 152 zum Schließen
des Relaiskontakts 154 mit einer minimalen Anziehspannung
zu beaufschlagen und zum Geschlossenhalten des Relaiskontakts 154 mit
einer minimalen Haltespannung zu beaufschlagen. Die Funktionsweise
und der detaillierte Aufbau eines geeigneten Relais sind aus dem Stand
der Technik hinreichend bekannt, sodass hier zwecks Knappheit der
Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung verzichtet wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die von der großen
Spannungsquelle 120 bereit gestellte elektrische Spannung
U2 größer als
die minimale Anziehspannung und die von der kleinen Spannungsquelle 110 bereit
gestellte elektrische Spannung U1 ist zumindest größer als
die minimale Haltespannung. Um einen störungsfreien Betrieb des Relais 150 zu
gewährleisten,
ist die elektrische Spannung U1 vorzugsweise größer als die minimale Haltespannung
zuzüglich
einer an der Diode 140 abfallenden Verlustspannung UD1.
Darüber
hinaus ist die elektrische Spannung U1 bevorzugt kleiner als die
minimale Anziehspannung, sodass die Spannung U1 nicht zum Einschalten
des Relais 150 verwendbar ist.
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Im
Betrieb der Ladevorrichtung 10 wird das Schaltelement 130 betätigt, um
einen Aufladevorgang zum Aufladen des Akkupacks 195 auszulösen. Hierdurch
liegt zunächst
die Spannung U2 der großen
Spannungsquelle 120 an der Relaisspule 152 an,
sodass ein Anziehimpuls erzeugt wird, der zum Anziehen des Ankers 156 und
somit zum Schließen des
Relaiskontakts 154 ausreichend ist. Gleichzeitig beginnt
eine Aufladung des Kondensators 180, sodass eine tatsächlich an
der Relaisspule 152 anliegende, nachfolgend als „Relaisspannung” bezeichnete Spannung
URS exponential abnimmt, bis der Kondensator 180 einen
Stromfluss von der großen Spannungsquelle 120 zur
Relaisspule 152 sperrt bzw. unterbindet. Hierbei ist der
Kondensator 180 derart ausgebildet, dass das Anziehen des
Ankers 156 dennoch gewährleistet
ist. Um darüber
hinaus sicherzustellen, dass der Kondensator 180 nicht
auf die kleine Spannungsquelle 110 umlädt und sich korrekt auflädt, ist
die Diode 140 zur Sperrung eines entsprechenden Reversstroms
vorgesehen.
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Falls
die von der großen
Spannungsquelle 120 bereit gestellte Spannung U2 größer ist
als eine maximal erlaubte Impulsspannung des Relais 150, kann
dieses beim Einschalten beschädigt
oder sogar zerstört
werden. Beispielsweise könnte
eine zu große
Spannung zu einer Entmagnetisierung der Relaisspule 152 führen. Um
dies zu verhindern kann die Relaisspannung URS durch den Überspannungsschutz 170 während des
Einschaltens des Relais 150 begrenzt werden.
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An
der Relaisspule 152 liegt nun eine Spannung URS an, die
der von der kleinen Spannungsquelle 110 bereit gestellten
Spannung U1 abzüglich der
an der Diode 140 abfallenden Spannung UD1 entspricht, d.
h. URS = U1 – UD1.
Damit nun im angezogenen Zustand des Relais 150 die an
der Relaisspule 152 anliegende Spannung URS diesen Wert
U1 – UD1
nicht überschreitet
und sichergestellt werden kann, dass immer ein Strom durch die Diode 140 fließt, ist
der Widerstand 190 derart ausgebildet, dass ein durch diesen
fließender
Strom kleiner als ein zugeordneter Haltestrom des Relais 150 ist,
d. h. einem Strom, der bei Anlegen der minimalen Haltespannung an
die Relaisspule 152 durch diese fließt.
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Da
der Relaiskontakt 154 somit geschlossen ist und das Relais 150 zuverlässig und
sicher im angezogenen Zustand gehalten wird, besteht über den Relaiskontakt 154 wie
oben beschrieben eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der
großen Spannungsquelle 120 und
dem Akkupack 195, das somit aufgeladen wird. Falls nun
ein Kurzschluss im Akkupack 195 auftritt, wird ein ungewolltes
Ausschalten des Relais 150 durch die Diode 182 verhindert, die
in diesem Fall einen Stromfluss eines Entladestroms vom Kondensator 180 durch
die Relaisspule 152 sperrt. Für den Fall, dass ein derartiger
Kurzschluss z. B. lastbedingt ausgeschlossen werden kann, könnte auch
auf die Verwendung der Diode 182 verzichtet werden.
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Wird
der Schalter 130 geöffnet,
z. B. am Ende eines Aufladevorgangs des Akkupacks 195, wird
dadurch der Stromfluss durch die Relaisspule 152 unterbrochen
und das Relais 150 somit ausgeschaltet, sodass der Relaiskontakt 154 sich öffnet. Der
Kondensator 180 entlädt
sich nun über
den Widerstand 190 und die Freilaufdiode 160 entmagnetisiert
die Relaisspule 152. Sobald der Kondensator 180 entladen
ist, kann das Relais 150 durch Betätigen des Schaltelements 130 erneut
eingeschaltet werden.
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Bei
einer versuchsweise realisierten Steuerschaltung 100 wurde
als Relaisspule 152 beispielsweise eine Spule mit einer
Nennspannung von 12 V, einem Nennstrom von 30 mA, einer Nennleistung
von 360 mW und einem Innenwiderstand von 400 Ω verwendet. Die von der kleinen
Spannungsquelle 110 bereitgestellte Spannung U1 betrug
5 V, die von der großen
Spannungsquelle 120 bereitgestellte Spannung U2 lag in
einem Spannungsbereich zwischen 10 V und 42 V, der Kondensator 180 wurde
mit einer Kapazität
von 100 μF
ausgebildet und der ohmsche Widerstand 190 mit einem Widerstand
von 10 KΩ. Mit
dieser Ausgestaltung konnte im Betrieb der Steuerschaltung 100 eine
Relaisspannung URS = 4 V zur Aufrechterhaltung des angezogenen Zustands
des Relais 150 mit einem durch die Relaisspule 152 fließenden Haltestrom
und somit einer Strombelastung der kleinen Stromquelle 110 von
10 mA realisiert werden. Der Verlust am Widerstand 190 betrug
3,6 mW bei einer von der großen
Spannungsquelle 120 bereitgestellten Spannung U2 = 10 V,
wobei an dem Widerstand 190 eine Spannung von 6 V anlag.
Bei einer Spannung U2 = 42 V betrug der Verlust am Widerstand 190 144
mW, wobei an diesem eine Spannung von 38 V anlag. Am Relais 150 betrug
der Verlust jeweils 40 mW, sodass ein Gesamtverlust von 43,6 mW
bei U2 = 10 V und ein Gesamtverlust von 184 mW bei U2 = 42 V erreicht
wurde.
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2 zeigt
eine Steuerschaltung 200 für das Relais 150 von 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
Diese unterscheidet sich dahingehend von der Steuerschaltung 100 von 1,
dass einerseits zwecks Einfachheit und Klarheit der Darstellung auf
eine Abbildung des optionalen Überspannungsschutzes 170 von 1 verzichtet
wurde. Andererseits kann in der Steuerschaltung 200 auf
die Dioden 182 und 160 von 1 verzichtet
werden, um diese kostensparend auszugestalten. Es wird jedoch darauf
hingewiesen, dass die Dioden 182, 160 dennoch in
der Schaltung 200 Anwendung finden können.
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Ein
weiterer Unterschied liegt in der Schaltungsausgestaltung zwischen
den Knotenpunkten 122 und 124. Bei der Steuerschaltung 200 ist
der ohmsche Widerstand 190 beispielhaft mit dem Kollektor
eines NPN-Bipolartransistors 210 verbunden, dessen Emitter
mit dem Knotenpunkt 124 und dessen Basis mit dem Knotenpunkt 132 verbunden
ist. Des Weiteren ist zwischen den Knotenpunkten 122, 124 ein
weiterer ohmscher Widerstand 215 parallel zum Kondensator 180 und
der Serienschaltung aus Widerstand 190 und Transistor 210 verschaltet.
Dieser dient zum Ausgleichen eines Leckstroms der Diode 140 und
hat einen Widerstand, der wesentlich höher ist als der des Widerstands 190,
z. B. um einen Faktor 10 bis 100.
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Es
wird jedoch darauf hingewiesen, dass der NPN-Bipolartransistor 210 lediglich
beispielhaft dargestellt ist und nicht als Einschränkung der
Erfindung zu verstehen ist. Vielmehr können beliebige geeignete Schaltelemente
Anwendung finden. z. B. kann ein anderer Halbleiterschalter anstelle
des NPN-Bipolartransistors verwendet werden, beispielsweise ein
anderer Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor.
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Der
Transistor 210 dient dazu, im Betrieb der Steuerschaltung 200,
d. h. bei eingeschaltetem Relais 150, einen Stromfluss
durch den Widerstand 190 zu verhindern, sodass an diesem
kein Energieverlust entsteht. Gemäß einer Ausführungsform
wird beim Ausschalten des Relais 150, z. B. durch Öffnen des Schaltelements 130,
der Transistor 210 durch die in der Relaisspule 152 gespeicherte
Energie leitend geschaltet und ermöglicht somit einen Stromfluss über den
Widerstand 190 zum Entladen des Kondensators 180.
Dies ermöglicht
eine im Vergleich zur Steuerschaltung 100 von 1 beschleunigte
Entladung des Kondensators 180, sodass auch ein schnelleres Wiedereinschalten
des Relais 150 ermöglicht
wird. Der Verlust am Widerstand 215 ist auf weniger als
1 mW reduzierbar, sodass unabhängig
vom Wert der von der großen
Spannungsquelle 120 bereitgestellten Spannung U2 ein Gesamtverlust
von nicht mehr als 40 mW erreicht werden kann.
