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Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der am 14. Mai 2009 eingereichten US-Patentanmeldung 12/465,678. Die US-Patentanmeldung 12/465,678 beanspruchte den Vorzug der am 15. Mai 2008 eingereichten
deutschen Patentanmeldung 10 2008 023 626.8 . Der gesamte Inhalt der zuvor eingereichten Anmeldungen wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Relaiscontroller zum Ansteuern einer Erregungswicklung eines Relais und eine Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten.
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Wenn Relais verwendet werden, werden Hochspannungs- oder Niederspannungsschalter, die eine Erregungswicklung des Relais mit der Arbeitsspannung verbinden, verwendet. In diesem Fall identifiziert der Ausdruck Hochspannung oder Niederspannung die Position des Schalters relativ zu der Last, die in diesem Fall die Erregungswicklung des Relais ist. Ein Hochspannungsschalter ist durch einen Anschluss an eine Batterie angeschlossen, und ein Niederspannungsschalter ist durch einen Anschluss an ein Referenzpotential, üblicherweise Erde, angeschlossen. Ein Relais mit einem Hochspannungsschalter ist in 1 gezeigt. Der Strom durch die Erregungswicklung wird durch den Spulenwiderstand der Erregungswicklung beispielsweise in automotiven Anwendungen begrenzt. Die Nachteile solcher Anordnungen sind der hohe Stromverbrauch nach dem Einschalten, die hohen Kosten der Erregungswicklung und die hohe Induktanz der Erregungswicklung. Die hohe Induktanz der Erregungswicklung, die als ein Ergebnis der vielen Wicklungen mit einem dünnen Draht mit einer hohen Impedanz entsteht, erschwert das Bewirken eines Kommutierens des Relais, und ein langsames Abfallen der Relaisarbeitskontakte des Relais ist die Konsequenz. Das langsame Abfallen der Sekundärseite des Relais kann zu Funkenbildung an den Relaisarbeitskontakten des Relais führen. Diese Funkenbildung beeinträchtigt die Lebensdauer des Relais erheblich.
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Ein stromsparendes Relaisansteuersystem reduziert den Strom nach dem Anziehen des Relaisankers, das heißt kurz nach dem Einschalten, um somit den Stromverbrauch des eingeschalteten Relais zu reduzieren. Eine derartige Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Relais ist aus
DE4410819 bekannt. Bei
DE4410819 überbrückt ein Schalter T1 einen Haltewiderstand R4, der den Haltestrom der Erregungswicklung des Relais einstellt. Infolge der Überbrückung des Widerstands R4 steht ein höherer Anzugsstrom im ersten Augenblick des Einschaltens der Erregungswicklung zur Verfügung.
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Zu Kommutierungszwecken muss eine Kommutierungsspannung entgegen der Stromrichtung über die Erregungswicklung angelegt werden; je höher die Kommutierungsspannung, umso schneller wird die Energie der Erregungswicklung reduziert und umso schneller wird die Kommutierung. Eine anti-parallel über die Erregungswicklung geschaltete Diode kann zu Kommutierungszwecken verwendet werden, so dass der Kommutierungsstrom durch die dann leitende Diode fließen kann, wie in 2 gezeigt. Die Diode besitzt den Nachteil, dass eine in Durchlasspannung vorgespannte Diode nur eine niedrige Kommutierungsspannung quer über die Erregungswicklung gestattet, mit dem Ergebnis, dass die Kommutierung langsam stattfindet. Wie in 3 gezeigt, kann eine Zener-Diode ebenfalls zu Kommutierungszwecken verwendet werden, wobei die Zener-Diode derart an die Erregungswicklung des Relais angeschlossen ist, dass der Kommutierungsstrom durch die einen Durchschlag erfahrende Zener-Diode fließen kann. Eine Zener-Diode besitzt den Nachteil eines sehr hohen Leistungsverlustes. Zudem wird ein sehr hoher Anteil an Energie aus der Batterie abgezogen und zusätzlich zu der Energie in der Wicklung in dem Schalter umgewandelt.
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Wie in 4 gezeigt, kann ein Widerstand ebenfalls zu Kommutierungszwecken verwendet werden, so dass der Kommutierungsstrom durch den parallel zu der Erregungsspule geschalteten Widerstand fließen kann. Ein Widerstand gestattet eine Hochspannung auf der Erregungswicklung. Je höher die Spannung auf der Erregungswicklung gewählt wird, umso schneller nimmt der Erregungsstrom ab. Die Relaiskontakte öffnen sich im Fall einer hohen Kommutierungsspannung an der Erregungsspule schneller als im Fall einer niedrigen Kommutierungsspannung. Das schnelle Öffnen der Relaiskontakte reduziert die Erosion der Relaiskontakte. Ein Widerstand hat den Nachteil, dass kurz nach dem Abschalten ein Hochspannungsimpuls entsteht, der nur mit teuren Hochspannungshalbleiterschaltern gesteuert werden kann. Ein Widerstand hat den weiteren Nachteil, dass Strom durch den widerstand fließt, wenn ein Relais eingeschaltet wird.
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Insbesondere bei Kraftfahrzeugen, bei denen der Benzinverbrauch direkt von der Stromanforderung der verwendeten Elektronik abhängt, sind Lösungen, die den Stromverbrauch der Elektronik und somit die CO2-Emissionen des Kraftfahrzeugs reduzieren, preiswert herzustellen und weisen eine lange Lebensdauer auf und werden wichtig.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Relaiscontroller und eine Relaiseinrichtung bereit, bei der der Erregungsstrom eines Relais auf stromsparende Weise auf einfache Art gesteuert wird.
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Der Relaiscontroller zum Steuern eines Erregungsstroms eines Relais weist auf einen ersten Anschluss, der an eine Erregungswicklung des Relais angeschlossen ist, einen zweiten Anschluss, der an eine Kommutierungseinrichtung des Relais angeschlossen ist, wobei der Relaiscontroller, wenn das Relais eingeschaltet ist, den Erregungsstrom durch die Erregungswicklung des Relais derart steuert, dass durch die Erregungswicklung zuerst ein Anzugsstrom fließt und nach dem Verstreichen einer Anzugszeit durch die Erregungswicklung ein Haltestrom fließt, der niedriger ist als der Anzugsstrom, und wobei der Relaiscontroller, wenn das Relais ausgeschaltet ist, einen Kommutierungsstrom, der durch die Erregungswicklung zu der Kommutierungseinrichtung fließt, durch den ersten Anschluss und durch den zweiten Anschluss des Relaiscontrollers speist.
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Der Relaiscontroller liegt bevorzugt in dem Freilaufpfad des Relais. Der Relaiscontroller steuert die zeitliche Sequenz der Anzugsoperation des Relais. Falls der Hochspannungsschalter oder der Niederspannungsschalter den Relaiskreis ausschaltet, leitet der Relaiscontroller den Freilaufstrom oder den Kommutierungsstrom zu der Kommutierungseinrichtung. Die Spannungen an den Anschlüssen des Relaiscontrollers bleiben auf niedrige Werte begrenzt. Im Gegensatz dazu kann der schalterseitige Anschluss der Erregungswicklung frei schwingen, wobei sein Spannungsschub bevorzugt durch die Durchschlagspannung des Schalters begrenzt ist. Es ist auch möglich, mechanische oder andere preiswerte Schalter zu verwenden.
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Der Relaiscontroller kann so eingerichtet sein, dass er den Erregungsstrom erst dann steuert, nachdem ein Strom, der nach dem Einschalten des Schalters durch die Kommutierungseinrichtung in den zweiten Anschluss fließt, den Relaiscontroller bestromt. Dazu muss die Kommutierungseinrichtung den Fluss des von dem Schalter geschalteten Stroms zum dem Relaiscontroller freigeben. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Kommutierungseinrichtung als ein Widerstand ausgeführt werden. Nachdem der Schalter eingeschaltet worden ist, fließt Strom zuerst über die Kommutierungseinrichtung durch den zweiten Anschluss in den Relaiscontroller und startet dadurch Letzteren. In diesem Augenblick kann kein Erregungsstrom von dem Relaiscontroller geliefert werden. Nachdem der Relaiscontroller für den Betrieb bereit ist, kann auch der Erregungsstrom geliefert werden.
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Der Relaiscontroller kann so eingerichtet sein, dass er den Strom, der nach der Bestromung des Relais durch den Schalter durch die Kommutierungseinrichtung in den zweiten Anschluss fließt, detektiert, um somit einen Einschaltzeitpunkt zu bestimmen, wobei dieser Einschaltzeitpunkt den Start der Anzugszeit bestimmt. Dieser Zustand kann beispielsweise durch eine Strom-an-Rücksetzschaltung detektiert werden, die die interne Versorgungsspannung überwacht. Eine Strom-an-Rücksetzschaltung überwacht eine interne Versorgungsspannung und generiert ein Signal, sobald die interne Versorgungsspannung einen spezifischen Schwellwert übersteigt. Nach der Detektion kann ein Kondensator oder eine Zähleinrichtung zurückgesetzt werden. Der Start des Relaiscontrollers bestimmt dann den Start der Anzugszeit.
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Der Relaiscontroller kann so eingerichtet sein, dass er den Erregungsstrom detektiert. Falls der Erregungsstrom einen Schwellwert übersteigt, kann der Kondensator oder die Zähleinrichtung zurückgesetzt werden. Das Überschreiten des Erregungsstromschwellwerts bestimmt dann den Start der Anzugszeit.
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Der Relaiscontroller kann einen fünften Anschluss aufweisen, wobei ein Einschalten und ein Ausschalten des Relaiscontrollers mit Hilfe einer Schaltung bestimmt werden kann, die mit dem fünften Anschluss verbunden ist. Der Erregungsstrom des Relais kann mit einem Signal über den fünften Anschluss ein- oder ausgeschaltet werden oder kann mit Hilfe einer Schaltung bestimmt werden, die mit dem fünften Anschluss verbunden ist. Der Relaiscontroller kann mit einem Signal über den fünften Anschluss ein- oder ausgeschaltet werden.
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Der Relaiscontroller kann so eingerichtet sein, dass der Haltestrom bestimmt wird. Nachdem die Anzugszeit verstrichen ist, kann der Anzugsstrom auf einen niedrigeren Haltestrom reduziert werden. Der Haltestrom muss groß genug sein, um das Relais eingeschaltet zu halten. Für einen effizienten Betrieb des Relais ist es nützlich, den Haltestrom soweit wie möglich zu reduzieren. Der Relaiscontroller kann einen sechsten Anschluss aufweisen, wobei der Erregungsstrom durch die Erregungswicklung, der Haltestrom mit Hilfe einer Schaltung bestimmt werden kann, die mit dem sechsten Anschluss verbunden ist, oder mit einem Signal über den sechsten Anschluss.
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Die Einrichtung kann eine Temperatursensorschaltung aufweisen, aufweisend einen Temperatursensor zum Detektieren der Temperatur des Relaiscontrollers. Die Temperatursensorschaltung kann so eingerichtet sein, dass Maßnahmen zum Reduzieren des Leistungsverbrauchs des Relaiscontrollers implementiert werden, falls eine Höchsttemperatur überschritten wird. Eine Maßnahme zum Reduzieren des Leistungsverbrauchs des Relaiscontrollers kann aus dem Abschalten des Stroms durch die Erregungswicklung bestehen.
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Bei einer Ausführungsform zieht der Relaiscontroller während des Betriebs einen Strom von dem zweiten Anschluss. Der Relaiscontroller nutzt somit den durch die Kommutierungseinrichtung fließenden Strom für seine eigene Versorgung mit dem Ergebnis, dass keine Notwendigkeit für einen weiteren Anschluss zum Liefern einer Versorgungsspannung besteht. Der Strom, der durch die Kommutierungseinrichtung fließt, wird durch den Relaiscontroller begrenzt, da nur der zum Versorgen des Relaiscontrollers erforderliche Strom fließt.
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Der Relaiscontroller kann einen dritten Anschluss aufweisen, der an das zweite Referenzpotential, beispielsweise Erde, angeschlossen ist. Die Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss kann mit Hilfe einer Spannungsbegrenzungseinrichtung begrenzt werden. Der Relaiscontroller kann somit die Spannung bei Reduktion des Stroms nach dem Anziehen des Ankers begrenzen. Falls der Relaiscontroller beispielsweise durch eine erhöhte Temperatur gefährdet wird, schützt die Spannungsbegrenzungseinrichtung den Relaiscontroller vor hohen Spannungen.
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Der dritte Anschluss kann bevorzugt mit dem Referenzpotential verbunden sein. Eine interne Versorgungsspannung kann zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss hergestellt werden. Zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss kann der Relaiscontroller eine Stromquelle und einen zweiten Schalter zum Liefern eines Erregungsstroms aufweisen.
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Zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss kann der Relaiscontroller einen ersten Schalter zum Steuern des Kommutierungsstroms aufweisen.
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Der erste Schalter des Relaiscontrollers kann eine Diode sein. Bei einer Ausführungsform ist die Kathode der Diode des ersten Schalters mit dem zweiten Anschluss des Relaiscontrollers verbunden. Der erste Schalter des Relaiscontrollers kann ein MOS-Transistor oder ein Bipolartransistor sein.
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Der Relaiscontroller kann einen Unterspannungssensor zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss zum Detektieren einer Unterspannung aufweisen.
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Falls der Unterspannungssensor eine Unterspannung detektiert, kann der Relaiscontroller die Anzugszeit auf einen vorbestimmten Wert zurücksetzen. Der Relaiscontroller kann somit indirekt zu einem höheren Strom oder zu einem höchstmöglichen Strom umwechseln, damit die Relaisarbeitskontakte selbst dann geschlossen bleiben, wenn zwischen dem ersten und dem zweiten Referenzpotential eine niedrige Spannung vorliegt.
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Der Relaiscontroller kann einen zweiten Schalter aufweisen, der parallel zu der Stromquelle vorgesehen ist, die einen Erregungsstrom liefert, wobei der zweite Schalter die Stromquelle überbrückt, falls der Unterspannungssensor eine Unterspannung detektiert. Der Relaiscontroller liefert somit einen höchstmöglichen Strom, damit die Relaisarbeitskontakte selbst im Fall einer niedrigen Spannung geschlossen bleiben.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel liefert die Stromquelle nur den Haltestrom, und für das Anziehen des Relais überbrückt der zweite Schalter die Stromquelle während der Anzugszeit.
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Der Relaiscontroller kann einen vierten Anschluss aufweisen, wobei die Anzugszeit mit Hilfe einer mit dem vierten Anschluss verbundenen Schaltung ermittelt werden kann.
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Eine Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten weist auf: ein Relais, einen Relaiscontroller aufweisend mindestens zwei Anschlüsse zum Steuern des Relais, eine Kommutierungseinrichtung, wobei die Kommutierungseinrichtung parallel zu der Erregungswicklung des Relais über einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss des Relaiscontrollers gekoppelt ist, einen Schalter, wobei die Erregungswicklung des Relais, der Relaiscontroller und der Schalter in Reihe gekoppelt sind.
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Bei einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann der Relaiscontroller mit dem Relais in einem Gehäuse integriert sein. Die Integration des Relaiscontrollers in das Relais hat den Vorteil, dass beispielsweise die Handhabung und die Lagerhaltung stark vereinfacht werden können. Im Fall der Integration kann der Relaiscontroller präzise mit dem Relais koordiniert werden, mit dem Ergebnis, dass sich eine Vereinfachung des Relaiscontrollers ergibt.
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Bei einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann der Schalter ein Hochspannungsschalter sein.
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Bei einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann der Schalter ein Niederspannungsschalter sein.
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Bei einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann die Kommutierungseinrichtung mindestens einen Widerstand enthalten.
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Bei einer Relaiseinrichtung zum Schalten von Lasten kann die Kommutierungseinrichtung mindestens eine Zener-Diode enthalten.
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Ausführungsformen werden unten unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen ausführlicher erläutert.
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1 zeigt ein Relais mit einem Hochspannungsschalter.
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2 zeigt ein Relais mit einem Niederspannungsschalter und einer Freilaufdiode.
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3 zeigt ein Relais mit einem Niederspannungsschalter und einer Zener-Diode.
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4 zeigt ein Relais mit einem Niederspannungsschalter und einem Widerstand.
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5 zeigt ein Relais mit einem Hochspannungsschalter, einer Kommutierungsschaltung und einem Relaiscontroller.
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6 zeigt ein Relais mit einem Niederspannungsschalter, einer Kommutierungsschaltung und einem Relaiscontroller.
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7 zeigt einen Relaiscontroller.
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8 zeigt Signalprofile.
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9 zeigt ein Relais mit einer Kommutierungsschaltung und einem Relaiscontroller.
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10 zeigt ein Relais mit einer Kommutierungsschaltung und einem Relaiscontroller.
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1 zeigt ein Relais 300 und einen Hochspannungsschalter 210, die auf bekannte Weise in Reihe zwischen die Referenzpotentiale 110 und 120 geschaltet sind. Die Spannung zwischen den Referenzpotentialen 110 und 120, die Versorgungsspannung Vs, kann eine Batteriespannung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug sein. Der Hochspannungsschalter 210 oder der Niederspannungsschalter 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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Die 2 bis 4 zeigen verschiedene bekannte Ausführungsformen einer Kommutierungseinrichtung. Die gezeigten Kommutierungseinrichtungen 410, 420, 430 können auch mit Hochspannungsschaltern verwendet werden. In 2 ist die Kommutierungseinrichtung 400 als eine Diode 410 verkörpert. Falls der Niederspannungsschalter, hier als ein NMOS-Transistor 221 ausgeführt, eingeschaltet wird, fließt ein Erregungsstrom durch die Erregungswicklung 310. Wegen der induktiven Eigenschaften der Erregungsspule fließt der Erregungsstrom weiter, bis die in der Erregungswicklung gespeicherte Energie abgeleitet worden ist. Nachdem der NMOS-Transistor 221 ausgeschaltet worden ist, fließt der Erregungsstrom durch einen Freilaufpfad oder durch die Kommutierungseinrichtung 400, die derart konfiguriert ist, dass die Energie der Erregungswicklung abgeleitet wird. Nachdem der NMOS-Transistor 221 abgeschaltet worden ist, fließt der Erregungsstrom durch die nun leitende Diode. Das Potential des zweiten Anschlusses der Erregungswicklung liegt etwa 0,7 bis 1,3 Volt über dem ersten Referenzpotential 110. Wegen der niedrigen Diodenspannung an der Erregungswicklung wird die Energie der Erregungswicklung nur langsam abgeleitet, mit dem Ergebnis, dass die Kommutierungsoperation eine lange Zeit andauert und das Öffnen der Relaisarbeitskontakte eine lange Zeit andauert, wodurch bei den Relaisarbeitskontakten viel Erosion erzeugt werden kann. Ein schnelleres Öffnen der Relaiskontakte kann mit Hilfe von Kommutierungseinrichtungen erzielt werden, die eine höhere Spannung an der Erregungswicklung gestatten. Ausführungsformen von solchen Kommutierungseinrichtungen sind in 3 und 4 gezeigt. Die Zener-Diode 420 von 3 gestattet eine höhere Spannung an der Erregungswicklung 310, so dass die Energie der Erregungswicklung 310 schnell abgeleitet werden kann und sich die Relaisarbeitskontakte folglich schnell öffnen. Ein weiterer Vorteil der Zener-Diode 420 besteht darin, dass sie leicht in den NMOS-Transistor integriert werden kann. Während der Kommutierung kann Strom immer noch von der Versorgungsspannung Vs abgezogen werden, wobei dieser Strom zu zusätzlichen Verlusten führt.
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Ein Widerstand 430 als Kommutierungseinrichtung 400 gemäß 4 besitzt die Vorteile, dass während der Kommutierung kein Kommutierungsstrom von der Versorgungsspannung Vs abgezogen wird und dass sie eine hohe Spannung für die Kommutierung der Erregungswicklung 310 gestattet. Die Dimensionierung des Widerstands 430 ist jedoch teuer, da die Spannung für die Kommutierung den NMOS-Transistor nicht beschädigen darf. Da der Preis von NMOS-Transistoren mit der Fähigkeit der Transistoren, hohen Spannungen standzuhalten, zunimmt, gibt es eine wirtschaftliche Grenze für die Dimensionierung des Widerstands 430. Der zusätzliche Strom, der über den Widerstand fließt, wenn das Relais eingeschaltet ist, ist gleichermaßen nachteilig.
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5 zeigt eine Anordnung, die ein Relais 300, eine Kommutierungseinrichtung 400, einen NMOS-Transistor 211 als Hochspannungsschalter und einen Relaiscontroller 500 aufweist. Ein erster Anschluss des NMOS-Transistors 211 ist mit dem ersten Referenzpotential 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 Kommutierungseinrichtung 400 verbunden. Der zweite Anschluss 312 der Erregungswicklung 310 ist mit dem ersten Anschluss 501 des Relaiscontrollers 500 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Kommutierungseinrichtung 400 ist mit dem zweiten Anschluss 502 des Relaiscontrollers 500 verbunden. Der dritte Anschluss 503 des Relaiscontrollers 500 ist mit dem zweiten Referenzpotential 120 verbunden. Falls diese Anordnung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, kann das erste Referenzpotential 110 dann durch die Batterie geliefert werden, und das zweite Referenzpotential 120 kann durch den Erdanschluss des Kraftfahrzeugs geliefert werden. Der NMOS-Transistor 211 ist nur ein Ausführungsbeispiel für einen Hochspannungsschalter 210; der Hochspannungsschalter 210 kann auch als ein PMOS-Transistor, ein PNP- oder NPN-Transistor oder als ein Relaisarbeitskontakt eines Relais verkörpert werden. Der Hochspannungsschalter 210 kann auch an mehrere Anordnungen angeschlossen sein, die das Relais 300 und den Relaiscontroller 500 aufweisen.
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Eine einen Niederspannungsschalter aufweisende Anordnung ist analog dazu möglich und ist in 6 gezeigt. Bei einer derartigen Anordnung ist der dritte Anschluss 503 des Relaiscontrollers 500 mit dem ersten Referenzpotential 110 verbunden, wodurch sich eine Anordnung ergibt, die aus der Spiegelung der Hochspannungsanordnung um eine horizontale Achse entsteht. Die Beschreibung der Funktion eines Relais 300 mit einem Relaiscontroller 500 mit einem Hochspannungsschalter 210, 211 lässt sich analog auch auf die einen Niederspannungsschalter umfassende Anordnung anwenden.
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Falls der Hochspannungsschalter 211 abgeschaltet wird, ist die ganze Anordnung ohne Strom und das Relais ist abgeschaltet. Mit anderen Worten ist der Schalter 320 des Relais 300 offen, mit dem Ergebnis, dass durch die Anschlüsse 321, 322 des Relais 300 kein Strom fließen kann. Dieser Zustand entspricht in 8 den Zuständen, bevor der Zeitpunkt t1 erreicht ist.
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8a zeigt eine Schaltspannung Vsw zwischen dem Anschluss der Erregungswicklung 311 und dem dritten Anschluss 503 des Relaiscontrollers.
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8b zeigt eine Ausgangsspannung Vro zwischen dem ersten Anschluss 501 des Relaiscontrollers 500 und dem dritten Anschluss 503 des Relaiscontrollers.
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8c zeigt einen Erregungsstrom Irel, der durch die Erregungswicklung 310 in den Anschluss 311 der Erregungswicklung fließt.
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8d zeigt einen Versorgungsstrom Irs des Relaiscontrollers, der in den zweiten Anschluss 502 des Relaiscontrollers 500 fließt.
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9 zeigt eine Anordnung, die ein Relais 300, eine Kommutierungseinrichtung 400 und einen Relaiscontroller 500 aufweist. Der erste Anschluss 311 der Erregungswicklung 310 des Relais 300 ist an eine Referenzspannung 110 angeschlossen. Der zweite Anschluss 312 der Erregungswicklung 310 ist mit dem ersten Anschluss 501 des Relaiscontrollers 500 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Kommutierungseinrichtung 400 ist mit dem zweiten Anschluss 502 des Relaiscontrollers 500 verbunden. Der dritte Anschluss 503 des Relaiscontrollers 500 ist mit dem zweiten Referenzpotential 120 verbunden. Falls diese Anordnung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, dann kann das erste Referenzpotential 110 durch die Batterie bereitgestellt werden, und das zweite Referenzpotential 120 kann durch den Erdanschluss des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. 9 zeigt einen fünften Anschluss 505 zum Ein- oder Ausschalten des Relaiscontrollers. 8 zeigt einen sechsten Anschluss, um den Haltestrom des Relaiscontrollers zu bestimmen.
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10 zeigt, dass eine Anordnung, die eine Erregungswicklung aufweist, die an das zweite Referenzpotential 120 angeschlossen ist, das durch den Erdanschluss bereitgestellt werden kann, analog zu der in 9 gezeigten Ausführungsform möglich ist. Bei einer derartigen Anordnung ist der dritte Anschluss 503 des Relaiscontrollers 500 mit dem ersten Referenzpotential 110 verbunden, was somit zu einer Anordnung führt, die aus dem Spiegeln der Anordnung von 9 um eine horizontale Achse entsteht. Die Beschreibung der Funktion dieser Ausführungsform ist analog und kann auch auf die in 9 gezeigte Anordnung angewendet werden.
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Die Zeitpunkte t1 bis t5 in 8 beschreiben Zeitpunkte, bei denen sich der Zustand der Anordnung ändert, wobei der Hochspannungsschalter 210, 211 bis t1 abgeschaltet ist. Falls der Hochspannungsschalter 210, 211 zum Zeitpunkt t1 geschlossen wird, dann steigt die Schaltspannung Vsw fast zu einer Versorgungsspannung Vs an. Die Versorgungsspannung Vs ist die Spannung zwischen dem ersten 110 und dem zweiten 120 Referenzpotential. Unter der Annahme, dass der Innenwiderstand des Hochspannungsschalters 210, 211 niedrig ist, kann der Spannungsabfall an dem Hochspannungsschalter 210, 211 außer Acht gelassen werden. Ein Versorgungsstrom Irs fließt dann in den Relaiscontroller 500 über die Kommutierungseinrichtung 400. Mit Hilfe des Versorgungsstroms startet der Relaiscontroller 500, und liefert mit Hilfe eines Schalters oder einer Stromquelle den Erregungsstrom Irel an den ersten Anschluss 501 des Relaiscontrollers 500.
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Nachdem der Relaiscontroller 500 gestartet hat, kann der Startzeitpunkt der Anzugszeit bestimmt und definiert werden. Der Erregungsstrom Irel nimmt kontinuierlich zu, und der Relaisarbeitskontakt 320 des Relais 300 schließt, bevor der Erregungsstrom Irel die Größe des vorbestimmten Anzugsstroms des Relais 300 erreicht hat. Die Ausgangsspannung Vro bleibt so lange auf einem niedrigen Pegel, wie es der Mindestdrainspannung eines MOS-Transistors oder einer Mindestkollektorspannung eines Bipolartransistors entspricht.
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Zusätzlich zu einer Stromquelle, die als ein Stromquellentransistor verkörpert werden kann, ist auch ein zweiter Schalter möglich, der als ein Schaltransistor verkörpert werden kann, um die Ausgangsspannung weiter zu minimieren. Der Erregungsstrom kann detektiert werden, wobei dann das Überschreiten eines Schwellwerts einen Startzeitpunkt der Anzugszeit bestimmen kann. Falls der vorbestimmte Anzugsstrom erreicht worden ist, steigt der Erregungsstrom Irel noch weiter an, bis er durch die Summe aus den Widerständen begrenzt wird, falls der Anzugsstrom durch einen Schalter bereitgestellt wird. Falls der Anzugsstrom durch eine Stromquelle bereitgestellt wird, steigt der Erregungsstrom Irel nicht weiter an.
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Die Ausgangsspannung Vro pendelt sich auf einen Wert ein, der durch die Versorgungsspannung Vs, den Anzugsstrom und den Innenwiderstand der Erregungswicklung 310 gegeben wird. Unabhängig davon nimmt das Potential an dem zweiten Anschluss 502 des Relaiscontrollers 500 einen Wert an, der durch den Innenwiderstand der Kommutierungseinrichtung 400, die Versorgungsspannung Vs und den Versorgungsstrom Irs angegeben wird.
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Zum Zeitpunkt t2 schaltet der Relaiscontroller 500 nach dem Verstreichen der Anzugszeit den Erregungsstrom von dem Wert des Anzugsstroms auf einen vorbestimmten Wert eines Haltestroms. Der Haltestrom kann so gewählt werden, dass er unter dem Anzugsstrom liegt, aber hoch genug, dass der Relaisarbeitskontakt 320 des Relais 300 geschlossen bleibt.
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Der Zeitpunkt t2 kann durch eine vorbestimmte Anzugszeit bestimmt werden. Der Zeitpunkt t2 kann auch dadurch bestimmt werden, dass der Relaiscontroller 500 den Zeitpunkt detektiert, bei dem der Erregungsstrom den Wert des Anzugsstroms erreicht hat und das Verstreichen einer vorbestimmten Anzugszeit nach diesem Zeitpunkt gestattet wird.
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Die Energiedifferenz, die aus der Differenz zwischen dem Anzugsstrom und dem Haltestrom des Erregungsstroms entsteht, kann dadurch über die Kommutierungseinrichtung 400 abgeleitet werden, dass der überschüssige Erregungsstrom durch den ersten 501 zu dem zweiten 502 Anschluss des Relaiscontrollers 500 zu der Kommutierungseinrichtung 400 geleitet wird. Ein Strom, der sich aus der Differenz des Versorgungsstroms Irs und dem überschüssigen Erregungsstrom ergibt, fließt dann von dem zweiten Anschluss 502 des Relaiscontrollers 500. Während der Erregungsstrom abnimmt, wird eine Spannung, die über der Versorgungsspannung Vs liegen kann, von der Kommutierungseinrichtung an dem ersten Anschluss 501 und dem zweiten Anschluss 502 des Relaiscontrollers 500 hergestellt, Diese Spannung kann durch eine Spannungsbegrenzungsschaltung begrenzt werden, die sich innerhalb oder außerhalb des Relaiscontrollers 500 befinden kann und zum Beispiel eine Zener-Diode sein kann.
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Nachdem die Energiedifferenz, die aus der Differenz zwischen dem Anzugsstrom und dem Haltestrom des Erregungsstroms entsteht, abgeleitet worden ist, ist der Zeitpunkt t3 erreicht. Die Ausgangsspannung Vro stellt sich auf einen Wert ein, der durch die Versorgungsspannung Vs, den Haltestrom und den Innenwiderstand der Erregungswicklung 310 gegeben ist.
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Je nach der Größe der Versorgungsspannung Vs können Bedingungen, unter denen der Relaiscontroller 500 keinen ausreichenden Erregungsstrom liefern kann, in diesem oder einem vorausgegangenen Zustand entstehen. Eine Unterspannungssensorschaltung 570 detektiert, ob die Versorgungsspannung zu niedrig ist, um einen ausreichenden Erregungsstrom zu liefern, und initiiert Maßnahmen für das Erhöhen des Erregungsstroms. Eine Maßnahme besteht darin, die Stromquelle mit Hilfe eines Schalters mit einem geringen Spannungsabfall zu überbrücken.
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Je nach der Größe der Versorgungsspannung Vs können Bedingungen, unter denen der Leistungsverbrauch des Relaiscontrollers 500 den zulässigen Leistungsverbrauch übersteigt, in diesem oder einem vorausgegangenen Zustand entstehen. Ein erhöhter Leistungsverbrauch kann in der Stromquelle, die den Erregungsstrom liefert, auftreten. Der Relaiscontroller 500 kann eine Temperatursensorschaltung 560 aufweisen, die Maßnahmen zum Reduzieren des Leistungsverbrauchs des Relaiscontrollers 500 initiiert, falls eine Höchsttemperatur erreicht ist. Eine Maßnahme besteht in dem Reduzieren des Erregungsstroms. Falls diese Maßnahme erfolglos ist, kann der Erregungsstrom ganz abgeschaltet werden.
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Das Relais wird dadurch abgeschaltet, dass der Hochspannungsschalter 210, 211 abgeschaltet wird. In 8 wird der Hochspannungsschalter zum Zeitpunkt t4 abgeschaltet. Da durch den Hochspannungsschalter 210, 211 kein Erregungsstrom fließen kann, fließt der Erregungsstrom durch die Kommutierungseinrichtung 400. Als Ergebnis des so an der Kommutierungseinrichtung 400 verursachten Spannungsabfalls wird die Schaltspannung Vsw negativ. Die negative Schaltspannung Vsw kann durch eine Zener-Diode des Hochspannungsschalters 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 aus dem Kommutierungswiderstand und dem Kommutierungsstrom ergibt. Nachdem die Energie der Erregungsspule 310 abgeleitet worden ist, ist der Zeitpunkt t5 erreicht, zu dem die Einrichtung abgeschaltet wird.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Relaiscontrollers 500. Ein Stromcontroller 510 ist an den ersten Anschluss 501 und den dritten Anschluss 503 des Relaiscontrollers 500 angeschlossen. Eine Spannungsbegrenzungsschaltung 503 ist an den ersten Anschluss 501 und den dritten Anschluss 503 des Relaiscontrollers 500 angeschlossen. Ein Freilaufcontroller 520 ist an den ersten 501 und den zweiten Anschluss 502 des Relaiscontrollers 500 angeschlossen. Eine Schaltung zum Generieren einer Versorgungsspannung 550, eine Temperatursensorschaltung 560 und eine Unterspannungssensorschaltung 570 sind mit dem zweiten 502 und dem dritten 503 Anschluss des Relaiscontrollers verbunden. Ein Zeitcontroller 540 ist so eingerichtet, dass er den Stromcontroller 510 steuert. Ein vierter Anschluss 504 des Relaiscontrollers 500 kann ausgebildet werden, bei dem Mittel zum Beeinflussen des Zeitcontrollers 540 vorgesehen sein können. Ein Mittel zum Beeinflussen eines Zeitcontrollers 540 ist ein mit dem vierten Anschluss 504 des Relaiscontrollers 500 verbundener Kondensator. Ein Ausführungsbeispiel eines Stromcontrollers 510 enthält einen NMOS-Transistor oder einen NPN-Transistor, dessen Drain- oder Kollektorelektrode mit dem ersten Anschluss 501 des Relaiscontrollers 500 verbunden ist und der so gesteuert wird, dass er einen konstanten Strom liefert. Der Stromcontroller 510 kann ebenfalls einen NMOS-Transistor oder einen NPN-Transistor enthalten, deren Drain- oder Kollektorelektrode mit dem ersten Anschluss 501 des Relaiscontrollers 500 verbunden ist und die derart geschaltet wird, dass die Ausgangsspannung Vro so niedrig wie möglich wird. Ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsbegrenzungsschaltung 530 enthält eine Zener-Diode, deren Kathode mit dem ersten Anschluss 501 des Relaiscontrollers verbunden ist. Der Spannungsbegrenzungseffekt der Zener-Diode kann durch eine Schaltung verstärkt werden. Ein Ausführungsbeispiel eines Freilaufcontrollers 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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