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Die vorliegende Anmeldung ist eine teilweise Fortsetzung der US-Patentanmeldung 12/465,678, die am 14.5.2009 registriert wurde. Die US-Patentanmeldung 12/465,678 beansprucht den Nutzen der
deutschen Patentanmeldung 10 2008 023 626.8 , die am 15.5.2008 registriert wurde. Der gesamte Inhalt der zuvor registrierten Anmeldungen wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Relaissteuerung zum Ansteuern einer Erregungswicklung eines Relais und eine Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten.
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Bei der Verwendung von Relais werden Hoch-Seiten-(High-Side-) oder Niedrig-Seiten-(Low-Side-)Schalter verwendet, die eine Erregungswicklung des Relais mit der Betriebsspannung verbinden. In diesem Fall identifiziert der Ausdruck High-Side oder Low-Side die Position des Schalters relativ zu der Last, die in diesem Fall die Erregungswicklung des Relais ist. Ein High-Side-Schalter ist mit einem Anschluss mit einer Batterie verbunden und ein Low-Side-Schalter ist mit einem Anschluss mit einem Bezugspotential, gewöhnlich Erde, verbunden. Ein Relais mit einem High-Side-Schalter ist in 1 dargestellt. Der Strom durch die Erregungswicklung wird zum Beispiel in Automotive-Anwendungen durch den Spulenwiderstand der Erregungswicklung begrenzt. Die Nachteile solcher Anordnungen sind hoher Stromverbrauch nach dem Einschalten, die hohen Kosten der Erregungswicklung und die hohe Induktivität der Erregungswicklung. Die hohe Induktivität der Erregungswicklung, die als Ergebnis der vielen Windungen mit einem dünnen Draht mit einer hohen Impedanz entsteht, erschwert die Bewirkung der Kommutation des Relais und ein langsames Abfallen der Relaisbetriebskontakte des Relais ist die Folge. Das langsame Abfallen der Sekundärseite des Relais kann das Auftreten von Funkenbildung an den Relaisbetriebskontakten des Relais ermöglichen. Diese Funkenbildung beeinträchtigt die Lebensdauer des Relais beträchtlich.
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Ein stromsparendes Relaisansteuersystem verringert den Strom nach dem Anzug der Relaisarmatur, das heißt kurz nach dem Einschalten, um somit den Stromverbrauch des eingeschalteten Relais zu verringern. Eine solche Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Relais wird in
DE4410819 offenbart. In
DE4410819 überbrückt ein Schalter t1 einen Haltewiderstand R4, der den Haltestrom der Erregungswicklung des Relais setzt. Als Folge der Überbrückung des Widerstands R4 ist ein höherer Anzugsstrom im ersten Moment des Schaltens an der Erregungswicklung verfügbar.
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Für Kommutationszwecke muss eine Kommutationsspannung gegen die Stromrichtung über die Erregungswicklung angelegt werden; je höher die Kommutationsspannung ist, desto schneller wird die Energie der Erregungswicklung verringert und desto schneller wird die Kommutation. Eine in Gegenrichtung an die Erregungswicklung angeschlossene Diode kann für Kommutationszwecke verwendet werden, so dass der Kommutationsstrom durch die dann leitende Diode fließen kann, wie in 2 dargestellt. Die Diode hat den Nachteil, dass eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode nur eine niedrige Kommutationsspannung an der Erregungswicklung gestattet, mit dem Ergebnis, dass die Kommutation langsam stattfindet. Wie in 3 gezeigt, kann auch eine Zenerdiode für Kommutationszwecke verwendet werden, wobei die Zenerdiode dergestalt mit der Erregungswicklung des Relais verbunden wird, dass der Kommutationsstrom durch die Zenerdiode fließen kann, die Durchbruch erfährt. Eine Zenerdiode hat den Nachteil sehr hoher Leistungsverluste. Darüber hinaus wird ein hoher Energieanteil der Batterie entnommen und zusätzlich zu der Energie in der Wicklung in dem Schalter umgesetzt.
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Wie in 4 dargestellt, kann auch ein Widerstand für Kommutationszwecke verwendet werden, so dass der Kommutationsstrom durch den mit der Erregungsspule parallel geschalteten Widerstand fließen kann. Ein Widerstand gestattet eine hohe Spannung an der Erregungswicklung. Je höher die Spannung an der Erregungswicklung gewählt wird, desto schneller nimmt der Erregungsstrom ab. Die Relaiskontakte öffnen sich im Fall einer hohen Kommutationsspannung an der Erregungsspule schneller als im Fall einer niedrigen Kommutationsspannung. Schnelles Öffnen der Relaiskontakte verringert Erosion der Relaiskontakte. Ein Widerstand hat den Nachteil, dass kurz nach dem Ausschalten ein hoher Spannungsimpuls entsteht, wobei dieser Impuls nur mit kostspieligen Hochspannungs-Halbleiterschaltern kontrolliert werden kann. Ein Widerstand hat den weiteren Nachteil, dass Strom durch den Widerstand fließt, wenn ein Relais eingeschaltet ist.
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Insbesondere in Automobilen, bei denen der Benzinverbrauch direkt von der Stromanforderung der verwendeten Elektronik abhängt, sind Lösungen, die den Stromverbrauch der Elektronik und daher die CO2-Emissionen des Automobils verringern, billig herzustellen und haben eine lange Lebensdauer und gewinnen an Bedeutung.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Relaissteuerung und eine Relaiseinrichtung bereit, wobei der Erregungsstrom eines Relais auf stromsparende Art auf einfache Weise gesteuert wird.
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Die Relaissteuerung zum Steuern eines Erregungsstroms eines Relais weist auf einen ersten Anschluss, der mit einer Erregungswicklung des Relais verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit einer Kommutationseinrichtung des Relais verbunden ist, wobei die Relaissteuerung, wenn das Relais eingeschaltet ist, den Erregungsstrom durch die Erregungswicklung des Relais dergestalt steuert, dass durch die Erregungswicklung zuerst ein Anzugsstrom fließt und nachdem eine Anzugszeit vergangen ist, durch die Erregungswicklung ein Haltestrom fließt, der kleiner als der Anzugsstrom ist, und wobei die Relaissteuerung, wenn das Relais ausgeschaltet ist, einen Kommutationsstrom liefert, der durch den ersten Anschluss und durch den zweiten Anschluss der Relaissteuerung durch die Erregungswicklung zu der Kommutationseinrichtung fließt.
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Die Relaissteuerung liegt vorzugsweise in dem Freilaufpfad des Relais. Die Relaissteuerung steuert die zeitliche Sequenz des Anzugbetriebs des Relais. Wenn der High-Side-Schalter oder der Low-Side-Schalter die Relaisschaltung ausschaltet, leitet die Relaissteuerung den Freilaufstrom oder den Kommutationsstrom zu der Kommutationseinrichtung. Die Spannungen an den Anschlüssen der Relaissteuerung bleiben auf niedrige Werte begrenzt. Im Gegensatz dazu kann der schalterseitige Anschluss der Erregungswicklung frei oszillieren, wobei seine Spannungsauslenkung vorzugsweise durch die Durchbruchspannung des Schalters begrenzt wird. Es ist auch möglich, mechanische oder andere kostengünstige Schalter zu verwenden.
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Die Relaissteuerung kann dafür eingerichtet werden, den Erregungsstrom erst zu steuern, nachdem ein Strom, der nach dem Einschalten des Schalters durch die Kommutationseinrichtung in den zweiten Anschluss fließt, die Relaissteuerung bestromt. Für diesen Zweck muss die Kommutationseinrichtung den Fluss des durch den Schalter geschalteten Stroms zu der Relaissteuerung freigeben. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Kommutationseinrichtung als ein Widerstand realisiert werden. Nachdem der Schalter eingeschaltet wurde, fließt Strom zuerst über die Kommutationseinrichtung durch den zweiten Anschluss in die Relaissteuerung und startet diese dadurch. In diesem Moment kann durch die Relaissteuerung kein Erregungsstrom bereitgestellt werden. Nachdem die Relaissteuerung betriebsbereit ist, kann auch der Erregungsstrom bereitgestellt werden.
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Die Relaissteuerung kann dafür eingerichtet werden, den Strom zu detektieren, der nach der Bestromung des Relais durch den Schalter durch die Kommunikationseinrichtung in den zweiten Anschluss fließt, um somit einen Einschaltmoment zu bestimmen, wobei dieser Einschaltmoment den Anfang der Anzugszeit bestimmt. Dieser Zustand kann zum Beispiel durch eine Einschaltrücksetzschaltung (Einschaltresetschaltung) detektiert werden, die die interne Versorgungsspannung überwacht. Eine Einschaltresetschaltung überwacht eine interne Versorgungsspannung und erzeugt ein Signal, sobald die interne Versorgungsspannung eine spezifische Schwelle übersteigt. Nach der Detektion kann ein Kondensator oder eine Zähleinrichtung rückgesetzt werden. Der Start der Relaissteuerung bestimmt dann den Start der Anzugszeit.
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Die Relaissteuerung kann dafür eingerichtet werden, den Erregungsstrom zu detektieren. Wenn der Erregungsstrom eine Schwelle übersteigt, kann der Kondensator oder die Zähleinrichtung rückgesetzt werden. Die Übersteigung der Erregungsstromschwelle bestimmt dann den Start der Anzugszeit.
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Die Relaissteuerung kann einen fünften Anschluss aufweisen, wobei ein Einschalten und ein Ausschalten der Relaissteuerung mittels einer mit dem fünften Anschluss verbundenen Schaltung bestimmt werden kann. Der Erregungsstrom des Relais kann mit einem Signal über den fünften Anschluss ein- oder ausgeschaltet werden oder kann mittels einer mit dem fünften Anschluss verbundenen Schaltung bestimmt werden. Die Relaissteuerung kann mit einem Signal über den fünften Anschluss ein- oder ausgeschaltet werden.
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Die Relaissteuerung kann dafür eingerichtet werden, den Haltestrom zu ermitteln. Nachdem die Anzugszeit vergangen ist, kann der Anzugsstrom auf einen niedrigeren Haltestrom verringert werden. Der Haltestrom muss groß genug sein, um das Relais eingeschaltet zu halten. Für effizienten Betrieb des Relais ist es nützlich, den Haltestrom so weit wie möglich zu verringern. Die Relaissteuerung kann einen sechsten Anschluss aufweisen, wobei der Erregungsstrom durch die Erregungswicklung, der Haltestrom, mittels einer mit dem sechsten Anschluss verbundenen Schaltung oder mit einem Signal über den sechsten Anschluss bestimmt werden kann.
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Die Einrichtung kann eine Temperatursensorschaltung aufweisen, die einen Temperatursensor zum Detektieren der Temperatur der Relaissteuerung aufweist. Die Temperatursensorschaltung kann dafür eingerichtet werden, Maßnahmen zum Verringern des Stromverbrauchs der Relaissteuerung zu implementieren, wenn eine Maximaltemperatur überschritten wird. Eine Maßnahme zum Verringern des Stromverbrauchs der Relaissteuerung kann darin bestehen, den Strom durch die Erregungswicklung auszuschalten.
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Bei einer Ausführungsform entnimmt die Relaissteuerung dem zweiten Anschluss während des Betriebs Strom. Die Relaissteuerung benutzt somit den durch die Kommutationseinrichtung fließenden Strom für ihre eigene Versorgung, mit dem Ergebnis, dass kein weiterer Anschluss zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung notwendig ist. Der Strom, der durch die Kommutationseinrichtung fließt, wird durch die Relaissteuerung begrenzt, da nur der zum Versorgen der Relaissteuerung erforderliche Strom fließt.
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Die Relaissteuerung kann einen dritten Anschluss aufweisen, der mit dem zweiten Bezugspotential, zum Beispiel Erde, verbunden ist. Die Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss kann mittels einer Spannungsbegrenzungseinrichtung begrenzt werden. Die Relaissteuerung kann somit die Spannung bei Reduktion des Stroms nach dem Anzug der Armatur begrenzen. Wenn die Relaissteuerung zum Beispiel durch eine erhöhte Temperatur gefährdet wird, schützt die Spannungsbegrenzungseinrichtung die Relaissteuerung vor hohen Spannungen.
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Der dritte Anschluss kann vorzugsweise mit dem Bezugspotential verbunden werden. Zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss kann eine interne Versorgungsspannung hergestellt werden. Zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss kann die Relaissteuerung eine Stromquelle und einen zweiten Schalter zum Bereitstellen eines Erregungsstroms aufweisen.
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Zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss kann die Relaissteuerung einen ersten Schauer zum Steuern des Kommutationsstroms aufweisen.
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Der erste Schalter der Relaissteuerung kann eine Diode sein. Bei einer Ausführungsform ist die Kathode der Diode des ersten Schalters mit dem zweiten Anschluss der Relaissteuerung verbunden. Der erste Schauer der Relaissteuerung kann ein MOS-Transistor oder ein Bipolartransistor sein.
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Die Relaissteuerung kann einen Unterspannungssensor zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss zum Detektieren einer Unterspannung aufweisen.
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Wenn der Unterspannungssensor eine Unterspannung detektiert, kann die Relaissteuerung die Anzugszeit auf einen vorbestimmten Wert zurücksetzen. Die Relaissteuerung kann somit indirekt zu einem höheren Strom oder zu einem maximal möglichen Strom überwechseln, damit die Relaisbetriebskontakte auch dann geschlossen bleiben, wenn eine niedrige Spannung zwischen dem ersten und zweiten Bezugspotential besteht.
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Die Relaissteuerung kann einen parallel mit der Stromquelle, die Erregungsstrom bereitstellt, geschalteten zweiten Schauer aufweisen, wobei der zweite Schalter die Stromquelle überbrückt, wenn der Unterspannungssensor eine Unterspannung detektiert, Die Relaissteuerung stellt somit einen maximal möglichen Strom bereit, damit die Relaisbetriebskontakte auch im Fall einer niedrigen Spannung geschlossen bleiben.
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Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liefert die Stromquelle nur den Haltestrom, und zum Anzug des Relais überbrückt der zweite Schalter die Stromquelle während der Anzugszeit.
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Die Relaissteuerung kann einen vierten Anschluss aufweisen, wobei die Anzugszeit mittels einer mit dem vierten Anschluss verbundenen Schaltung bestimmt werden kann.
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Eine Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten weist Folgendes auf: ein Relais, eine Relaissteuerung, die mindestens zwei Anschlüsse zum Steuern des Relais aufweist, eine Kommutationseinrichtung, wobei die Kommutationseinrichtung über einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss der Relaissteuerung mit der Erregungswicklung des Relais parallel geschaltet ist, einen Schalter, wobei die Erregungswicklung des Relais, die Relaissteuerung und der Schalter in Reihe geschaltet sind.
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In einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann die Relaissteuerung mit dem Relais in einem Gehäuse integriert sein. Die Integration der Relaissteuerung in das Relais hat den Vorteil, dass zum Beispiel die Handhabung und die Inventur stark vereinfacht werden können. Im Fall von Integration kann die Steuerung präzise mit dem Relais koordiniert werden, mit dem Ergebnis, dass eine Vereinfachung der Relaissteuerung gewährleistet werden kann.
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In einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann der Schalter ein Hoch-Seiten-Schalter (High-Side-Schalter) sein.
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In einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann der Schalter ein Niedrig-Seiten-Schalter (Low-Side-Schalter) sein.
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In einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann die Kommutationseinrichtung mindestens einen Widerstand enthalten.
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In einer Relaiseinrichtung zum Schauen von Lasten kann die Kommutationseinrichtung mindestens eine Zenerdiode aufweisen.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen ausführlicher erläutert.
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1 zeigt ein Relais mit einem High-Side-Schalter.
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2 zeigt ein Relais mit einem Low-Side-Schalter und einer Freilaufdiode.
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3 zeigt ein Relais mit einem Low-Side-Schalter und einer Zenerdiode.
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4 zeigt ein Relais mit einem Low-Side-Schalter und einem Widerstand.
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5 zeigt ein Relais mit einem High-Side-Schalter, einer Kommutationsschaltung und einer Relaissteuerung.
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6 zeigt ein Relais mit einem Low-Side-Schalter, einer Kommutationsschaltung und einer Relaissteuerung.
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7 zeigt eine Relaissteuerung.
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8 zeigt Signalprofile.
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9 zeigt ein Relais mit einer Kommutationsschaltung und einer Relaissteuerung.
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10 zeigt ein Relais mit einer Kommutationsschaltung und einer Relaissteuerung.
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1 zeigt ein Relais 300 und einen High-Side-Schalter 210, die zwischen den Bezugspotentialen 110 und 120 auf bekannte Weise in Reihe geschaltet sind. Die Spannung zwischen den Bezugspotentialen 110 und 120, die Versorgungsspannung Vs, kann eine Batteriespannung zum Beispiel in einem Automobil sein. Der High-Side-Schalter 210 oder der Low-Side-Schalter schaltet die Versorgungsspannung auf die Erregungswicklung 310 des Relais 300. Der Strom durch die Erregungswicklung 310 kann durch den Spulenwiderstand der Erregungswicklung 310 begrenzt werden.
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2 bis 4 zeigen verschiedene bekannte Ausführungsformen einer Kommutationseinrichtung. Die gezeigten Kommutationseinrichtungen 410, 420, 430 können auch mit High-Side-Schaltern verwendet werden. In 2 ist die Kommutationseinrichtung 400 als eine Diode 410 realisiert. Wenn der Low-Side-Schalter, der hier als ein NMOS-Transistor 221 realisiert ist, eingeschaltet wird, fließt ein Erregungsstrom durch die Erregungswicklung 310. Aufgrund der induktiven Eigenschaften der Erregungsspule fließt der Erregungsstrom weiter, bis die in der Erregungswicklung gespeicherte Energie abgeführt wurde. Nachdem der NMOS-Transistor 221 ausgeschaltet wurde, fließt der Erregungsstrom durch einen Freilaufpfad oder durch die Kommutationseinrichtung 400, die so konfiguriert ist, dass die Energie in der Erregungswicklung abgeführt wird. Nachdem der NMOS-Transistor 221 ausgeschaltet wurde, fließt der Erregungsstrom durch die nun leitende Diode. Das Potential des zweiten Anschlusses der Erregungswicklung beträgt ungefähr 0,7 bis 1,3 Volt über dem ersten Bezugspotential 110. Aufgrund der niedrigen Diodenspannung an der Erregungswicklung wird die Energie der Erregungswicklung nur langsam abgeführt, mit dem Ergebnis, dass die Kommutationsoperation eine lange Zeit dauert und das Öffnen der Relaisbetriebskontakte eine lange Zeit dauert, wodurch viel Erosion an den Relaisbetriebskontakten produziert werden kann. Ein schnelleres Öffnen der Relaiskontakte kann mittels Kommutationseinrichtungen erzielt werden, die eine höhere Spannung an der Erregungswicklung gestatten. Ausführungsformen solcher Kommutationseinrichtungen sind in 3 und 4 gezeigt. Die Zenerdiode 420 von 3 gestattet höhere Spannung an der Erregungswicklung 310, so dass die Energie der Erregungswicklung 310 schneller abgeführt werden kann und sich als Folge hiervon die Relaisbetriebskontakte schnell öffnen. Ein weiterer Vorteil der Zenerdiode 420 besteht darin, dass sie leicht in den NMOS-Transistor integriert werden kann. Während der Kommutation kann weiter Strom aus der Versorgungsspannung Vs entnommen werden, wobei dieser Strom zu zusätzlichen Verlusten führt.
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Ein Widerstand 430 als Kommutationseinrichtung 400 gemäß 4 hat die Vorteile, dass während der Kommutation kein Kommutationsstrom aus der Versorgungsspannung Vs entnommen wird und dass er eine hohe Spannung für die Kommutation der Erregungswicklung 310 gestattet. Die Dimensionierung des Widerstands 430 ist jedoch kostspielig, da die Spannung für Kommutation den NMOS-Transistor nicht beschädigen darf. Da der Preis von NMOS-Transistoren mit der Fähigkeit der Transistoren, hohen Spannungen zu widerstehen, zunimmt, wird der Dimensionierung des Widerstands 430 eine wirtschaftliche Grenze auferlegt. Der zusätzliche Strom, der über den Widerstand fließt, wenn das Relais eingeschaltet wird, ist ähnlich nachteilig.
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5 zeigt eine Anordnung mit einem Relais 300, einer Kommutationseinrichtung 400, einem NMOS-Transistor 211 als High-Side-Schalter und einer Relaissteuerung 500. Ein erster Anschluss des NMOS-Transistors 211 ist mit dem ersten Bezugspotential 110 verbunden, und ein zweiter Anschluss des NMOS-Transistors 211 ist mit dem ersten Anschluss 311 der Erregungswicklung 310 des Relais 300 und mit einem ersten Anschluss der Kommutationseinrichtung 400 verbunden. Der zweite Anschluss 312 der Erregungswicklung 310 ist mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Kommutationseinrichtung 400 ist mit dem zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 verbunden. Der dritte Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 ist mit dem zweiten Bezugspotential 120 verbunden. Wenn diese Anordnung in einem Automobil verwendet wird, kann das erste Bezugspotential 110 durch die Batterie und das zweite Bezugspotential 120 durch den Erdanschluss des Automobils bereitgestellt werden. Der NMOS-Transistor 211 ist nur eine beispielhafte Ausführungsform eines High-Side-Schalters 210; der High-Side-Schalter 210 kann auch als ein PMOS-Transistor, ein PNP- oder NPN-Transistor oder als ein Relaisbetriebskontakt eines Relais realisiert werden. Der High-Side-Schalter 210 kann auch mit mehreren Anordnungen, die das Relais 300 und die Relaissteuerung 500 aufweisen, verbunden sein.
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Eine Anordnung, die einen Low-Side-Schalter aufweist, ist analog hierzu möglich und ist in 6 gezeigt. Bei einer solchen Anordnung ist der dritte Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 mit dem ersten Bezugspotential 110 verbunden, um somit zu einer Anordnung zu führen, die aus der Spiegelung der High-Side-Anordnung um eine horizontale Achse entsteht. Die Beschreibung der Funktion eines Relais 300 mit einer Relaissteuerung 500 mit einem High-Side-Schalter 210, 211 ist analog auch auf die Anordnung anwendbar, die einen Low-Side-Schalter aufweist.
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Wenn der High-Side-Schalter 211 ausgeschaltet ist, ist die gesamte Anordnung ohne Strom und das Relais ist ausgeschaltet. Anders ausgedrückt ist der Schalter 320 des Relais 300 offen, mit dem Ergebnis, dass kein Strom durch die Anschlüsse 321, 322 des Relais 300 fließen kann. Dieser Zustand entspricht in 8 den Zuständen, bevor der Moment t1 erreicht ist.
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8a zeigt eine Schaltspannung Vsw zwischen dem Anschluss der Erregungswicklung 311 und dem dritten Anschluss 503 der Relaissteuerung.
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8b zeigt eine Ausgangsspannung Vro zwischen dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 und dem dritten Anschluss 503 der Relaissteuerung.
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8c zeigt einen Erregungsstrom Irel, der in den Anschluss 311 der Erregungswicklung durch die Erregungswicklung 310 fließt.
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8d zeigt einen Versorgungsstrom Irs der Relaissteuerung, der in den zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 fließt.
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9 zeigt eine Anordnung, die ein Relais 300, eine Kommutationseinrichtung 400 und eine Relaissteuerung 500 aufweist. Der erste Anschluss 311 der Erregungswicklung 310 des Relais 300 ist mit einer Bezugsspannung 110 verbunden. Der zweite Anschluss 312 der Erregungswicklung 310 ist mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Kommutationseinrichtung 400 ist mit dem zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 verbunden. Der dritte Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 ist mit dem zweiten Bezugspotential 120 verbunden. Wenn diese Anordnung in einem Automobil verwendet wird, kann das erste Bezugspotential 110 durch die Batterie und das zweite Bezugspotential 120 durch den Erdanschluss des Automobile bereitgestellt werden. 9 zeigt einen fünften Anschluss 505 zum Ein- oder Ausschalten der Relaissteuerung. 8 zeigt einen sechsten Anschluss zum Bestimmen des Haltestroms der Relaissteuerung.
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10 zeigt eine Anordnung, die eine Erregungswicklung aufweist, die mit dem zweiten Bezugspotential 120 verbunden ist, das durch den Erdanschluss bereitgestellt werden kann, und ist möglich analog zu der in 9 gezeigten Ausführungsform. Bei einer solchen Anordnung ist der dritte Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 mit dem ersten Bezugspotential 110 verbunden, um somit zu einer Anordnung zu führen, die aus der Spiegelung der Anordnung von 9 um eine horizontale Achse entsteht. Die Beschreibung der Funktion dieser Ausführungsform ist analog und auch auf die in 9 gezeigte Anordnung anwendbar.
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Die Momente t1 bis t5 in 8 beschreiben Momente, an denen sich der Zustand der Anordnung ändert, wobei der High-Side-Schalter 210, 211 bis t1 ausgeschaltet wird. Wenn der High-Side-Schalter 210, 211 im Moment t1 geschlossen wird, steigt die Schaltspannung Vsw fast bis zu einer Versorgungsspannung Vs an. Die Versorgungsspannung Vs ist die Spannung zwischen dem ersten 110 und zweiten 120 Bezugspotential. Unter der Annahme, dass der interne Widerstand des High-Side-Schalters 210, 211 niedrig ist, kann der Spannungsabfall an dem High-Side-Schalter 210, 211 außer Acht gelassen werden. Ein Versorgungsstrom Irs fließt dann über die Kommutationseinrichtung 400 in die Relaissteuerung 500. Mit Hilfe des Versorgungsstroms startet die Relaissteuerung 500 und liefert mit Hilfe eines Schalters oder einer Stromquelle den Erregungsstrom Irel an dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500.
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Nachdem die Relaissteuerung 500 gestartet ist, kann der Startmoment der Anzugszeit bestimmt und definiert werden. Der Erregungsstrom Irel steigt kontinuierlich an und der Relaisbetriebskontakt 320 des Relais 300 schließt sich, bevor der Erregungsstrom Irel den Betrag des vorbestimmten Anzugsstroms des Relais 300 erreicht hat. Die Ausgangsspannung Vro bleibt genauso lang auf einem niedrigen Pegel, der einer minimalen Drainspannung eines MOS-Transistors oder einer minimalen Kollektorspannung eines Bipolartransistors entsprechen kann.
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Zusätzlich zu einer Stromquelle, die als Stromquellentransistor realisiert werden kann, ist auch ein zweiter Schalter möglich, der als Schalttransistor realisiert werden kann, um die Ausgangsspannung weiter zu minimieren. Der Erregungsstrom kann detektiert werden, wobei in diesem Fall das Übersteigen einer Schwelle einen Startmoment der Anzugszeit bestimmen kann. Wenn der vorbestimmte Anzugsstrom erreicht wurde, steigt der Erregungsstrom Irel weiter an, bis er durch die Summe der Widerstände begrenzt wird, wenn der Anzugsstrom durch einen Schalter geliefert wird. Wenn der Anzugsstrom durch eine Stromquelle geliefert wird, steigt der Erregungsstrom Irel nicht weiter an.
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Die Ausgangsspannung Vro schwingt auf einen Wert ein, der durch die Versorgungsspannung Vs, den Anzugsstrom und den internen Widerstand der Erregungswicklung 310 gegeben wird. Unabhängig hiervon nimmt das Potential an dem zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 einen Wert an, der durch den Innenwiderstand der Kommutationseinrichtung 400, die Versorgungsspannung Vs und den Versorgungsstrom Irs gegeben wird.
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Im Moment t2 schaltet die Relaissteuerung 500, nachdem die Anzugszeit vergangen ist, den Erregungsstrom von dem Wert des Anzugsstroms auf einen vorbestimmten Wert eines Haltestroms um. Der Haltestrom kann so gewählt werden, dass er niedriger als der Anzugsstrom ist, aber hoch genug, damit der Relaisbetriebskontakt 320 des Relais 300 geschlossen bleibt.
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Der Moment t2 kann durch eine vorbestimmte Anzugsszeit bestimmt werden. Der Moment t2 kann auch dadurch bestimmt werden, dass die Relaissteuerung 500 den Moment detektiert, an dem der Erregungsstrom den Wert des Anzugsstroms erreicht hat, und gestattet, dass eine vorbestimmte Anzugszeit nach diesem Moment vergeht.
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Die Energiedifferenz, die aus der Differenz des Anzugsstroms und des Haltestroms des Erregungsstroms entsteht, kann über die Kommutationseinrichtung 400 abgeführt werden, indem der überschüssige Erregungsstrom durch den ersten 501 zu dem zweiten 502 Anschluss der Relaissteuerung 500 zu der Kommutationseinrichtung 400 geleitet wird. Ein sich aus der Differenz des Versorgungsstroms Irs und des überschüssigen Erregungsstroms ergebender Strom fließt dann von dem zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500. Während der Erregungsstrom abnimmt, wird eine Spannung, die höher als die Versorgungsspannung Vs sein kann, durch die Kommutationseinrichtung an dem ersten Anschluss 501 und dem zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 hergestellt. Diese Spannung kann durch eine Spannungsbegrenzungsschaltung begrenzt werden, die sich innerhalb oder außerhalb der Relaissteuerung 500 befinden und z. B. eine Zenerdiode sein kann.
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Nachdem die aus der Differenz des Anzugsstroms und des Haltestroms des Erregungsstroms entstehende Energiedifferenz abgeführt wurde, wurde der Moment t3 erreicht. Die Ausgangsspannung Vro klingt auf einen Wert ab, der durch die Versorgungsspannung Vs, den Haltestrom und den Innenwiderstand der Erregungswicklung 310 gegeben wird.
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Abhängig von dem Betrag der Versorgungsspannung Vs können in diesem oder einem vorausgehenden Zustand Bedingungen entstehen, in denen die Relaissteuerung 500 keinen ausreichenden Erregungsstrom liefern kann. Eine Unterspannungssensorschaltung 570 detektiert, ob die Versorgungsspannung zu niedrig ist, um einen ausreichenden Erregungsstrom zu liefern, und leitet Maßnahmen zum Vergrößern des Erregungsstroms ein. Eine Maßnahme besteht darin, die Stromquelle mittels eines Schalters, der einen niedrigen Spannungsabfall aufweist, zu überbrücken.
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Abhängig von dem Betrag der Versorgungsspannung Vs können in diesem oder einem vorausgehenden Zustand Bedingungen entstehen, in denen der Stromverbrauch der Relaissteuerung 500 den zulässigen Stromverbrauch übersteigt. In der Stromquelle, die den Erregungsstrom liefert, kann ein erhöhter Stromverbrauch auftreten. Die Relaissteuerung 500 kann eine Temperatursensorschaltung 560 aufweisen, die Maßnahmen zum Verringern des Stromverbrauchs der Relaissteuerung 500 einleitet, wenn eine maximale Temperatur erreicht wird. Eine Maßnahme besteht darin, den Erregungsstrom zu verringern. Wenn diese Maßnahme nicht erfolgreich ist, kann der Erregungsstrom komplett abgeschaltet werden.
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Das Relais wird durch den High-Side-Schalter 210, 211, der ausgeschaltet ist, ausgeschaltet. In 8 wird der High-Side-Schalter im Moment t4 ausgeschaltet. Da kein Erregungsstrom durch den High-Side-Schalter 210, 211 fließen kann, fließt der Erregungsstrom durch die Kommutationseinrichtung 400. Als Folge des somit an der Kommutationseinrichtung 400 verursachten Spannungsabfalls wird die Schaltspannung Vsw negativ. Die negative Schaltspannung Vsw kann durch eine Zenerdiode des High-Side-Schalters 210, 211 begrenzt werden. Im Fall von mechanischen Schaltern kann die Spannung unbegrenzt bleiben. Die Spannung erreicht dann den Wert, der sich aus dem Produkt des Kommutationswiderstands und des Kommutationsstroms ergibt. Nachdem die Energie der Erregungsspule 310 abgeführt wurde, ist der Moment t5 erreicht worden, an dem die Einrichtung entstromt ist.
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7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Relaissteuerung 500. Eine Stromsteuerung 510 ist mit dem ersten Anschluss 501 und dem dritten Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 verbunden. Eine Spannungsbegrenzungsschaltung 530 ist mit dem ersten Anschluss 501 und dem dritten Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 verbunden. Eine Freilaufsteuerung 520 ist mit dem ersten 501 und dem zweiten 502 Anschluss der Relaissteuerung 500 verbunden. Eine Schaltung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung 550, eine Temperatursensorschaltung 560 und eine Unterspannungssensorschaltung 570 sind mit dem zweiten 502 und dem dritten 503 Anschluss der Relaissteuerung verbunden. Eine Zeitsteuerung 540 ist dafür eingerichtet, die Stromsteuerung 510 zu steuern. Ein vierter Anschluss 504 der Relaissteuerung 500 kann gebildet werden, an dem Mittel zum Beeinflussen der Zeitsteuerung 540 vorgesehen werden können. Ein Mittel zum Beeinflussen einer Zeitsteuerung 540 ist ein mit dem vierten Anschluss 504 der Relaissteuerung 500 verbundener Kondensator. Eine beispielhafte Ausführungsform einer Stromsteuerung 510 enthält einen NMOS-Transistor oder einen NPN-Transistor, von dem der Drain oder Kollektor mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 verbunden ist und der so gesteuert wird, dass er einen konstanten Strom liefert. Die Stromsteuerung 510 kann auch einen NMOS-Transistor oder einen NPN-Transistor enthalten, dessen Drain oder Kollektor mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 verbunden ist und der so geschaltet wird, dass die Ausgangsspannung Vro so niedrig wie möglich wird. Eine beispielhafte Ausführungsform einer Spannungsbegrenzungsschaltung 530 enthält eine Zenerdiode, deren Kathode mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung verbunden ist. Der Spannungsbegrenzungseffekt der Zenerdiode kann durch eine Schaltung verstärkt werden. Eine beispielhafte Ausführungsform einer Freilaufsteuerung 520 kann eine Diode enthalten, deren Kathode mit dem zweiten Anschluss 502 der Relaisschaltung verbunden ist. Anstelle einer Diode kann die Freilaufschaltung 520 einen Transistor enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008023626 [0001]
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