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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikbaugruppe für Haustechnikgeräte, insbesondere Warmwasserspeicher sowie Kochendwasserspeicher, sowie ein entsprechendes Haustechnikgerät.
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Elektrische Warmwassergeräte sind bekannt. Sie dienen häufig dazu, erwärmtes oder heißes Trinkwasser für den täglichen Bedarf bereitzustellen. Es werden zwei bekannte Hauptformen von Warmwassergeräten unterschieden, Durchlauferhitzer und Warmwasserspeicher. In beiden Fällen wird ein durch Heizelemente fließender elektrischer Strom zur Erwärmung des Trinkwassers eingesetzt.
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Warmwasserspeicher haben einen Speicher oder Tank, in dem ein gewisses Volumen von Trinkwasser permanent auf einer eingestellten Temperatur bereitgestellt wird. Der Tank ist thermisch bestmöglich isoliert, um die Wärmeverluste der Bereitstellung des Warmwassers zu minimieren.
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Die Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Leistung kann über ein Relais erfolgen, das in der Lage ist, den angeschlossenen elektrischen Verbraucher, also das Heizelement, ein- bzw. auszuschalten. Ein Relais hat den Vorteil, dass es im geschlossenen Zustand einen nahezu verlustfreien elektrischen Kontakt herstellt, so dass auch größere Ströme, wie sie zum Erwärmen von Wasser zum Einsatz kommen, ohne nennenswerte Verluste verarbeitet werden können. Dies hat besonders bei Warmwasserspeichern den Vorteil, dass durch das Schaltorgan keine Wärmeverluste und damit Effizienzverluste des Warmwassergeräts auftreten.
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Ein signifikanter Nachteil ist jedoch, dass es bei jedem Schaltvorgang beispielsweise aufgrund von Funkenbildung beim Annähern / Entfernen der Schaltkontakte zu erosivem Verschleiß kommt. Das hat eine belastungs- bzw. stromabhängige Lebensdauer-Schaltspielanzahl zur Folge, die signifikant, d.h. mehrere Größenordnungen, geringer als die theoretische mechanische Lebensdauer ist.
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Beispielsweise liegt für ein gebräuchliches, zum Einbau auf Leiterplatten geeignetes sogenanntes Print-Relais mit einem Nennstrom von 16 A die mechanische Lebensdauer bei über 107 Schaltspielen. Schon bei einem Strom von 13 A liegt die elektrische Lebensdauer nur noch in der Größenordnung von 105 Schaltspielen.
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Die maximale Anzahl an Schaltspielen unter Last ist für ein elektrisches Heizgerät, insbesondere Warmwassergeräte wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät, gleichbedeutend mit eine zulässigen Regler-Schalthysterese bei einer gewünschten Lebensdauer des Gerätes. Größere Schaltspielanzahl ist in diesem Zusammenhang gleichbedeutend mit möglicher, geringerer Hysterese und umgekehrt - die erreichbare Temperaturregelgüte des Gerätes hängt unmittelbar von dieser Hysterese und damit von der Schaltspielanzahl ab.
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Ebenfalls sind rein elektronische Halbleiterschaltorgange wie Transistoren, Thyristoren oder sogenannte TRIACs bekannt, die ohne jegliche mechanisch bewegten Teile auskommen. Sie unterliegen folglich keinem mechanischen Verschleiß, besitzen jedoch einen vergleichsweise hohen Übergangswiderstand und produzieren deshalb stromproportionale Verluste an eben diesem Widerstand, welche im Betrieb zu Erwärmung führen. Diese Verlustleistung muss deshalb in aller Regel über Kühlmechanismen abgeführt werden, um eine unzulässige Erwärmung des Halbleiters und die damit verbundene Zerstörung zu vermeiden. Während die Abführung beispielsweise bei Durchlauferhitzern mühelos über das zu erwärmende, strömende Wasser erfolgen kann, gestaltet sich die Abführung der Verlustleistung bei insbesondere stark isolierten Warmwasserspeichern schwierig.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leistungselektronikbaugruppe eines Haustechnikgeräts bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer des Haustechnikgeräts bei hohem Bedienkomfort und hoher Effizienz ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist die Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die Aufgabe ferner mit dem Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einem Aspekt wird eine Leistungselektronikbaugruppe eines Haustechnikgeräts, insbesondere Warmwassergeräts wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät, bereitgestellt die aufweist:
- - ein erstes Relais, das einen elektrischen Kontakt zwischen einem ersten stromführenden Leiter und einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem ohmschen Verbraucher wie einem Heizelement, des Haustechnikgeräts steuert,
- - ein Halbleiterschaltelement, das den elektrischen Kontakt zwischen dem ersten stromführenden Leiter und dem elektrischen Verbraucher schaltet und parallel zu dem ersten Relais angeordnet ist, und
- - eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, zum Einschalten des elektrischen Verbrauchers das Halbleiterschaltelement anzusteuern bevor das erste Relais geschlossen wird.
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Durch die erfindungsgemäße parallele Anordnung und zeitlich geschickte Ansteuerung von Relais und Halbleiterschaltelement liegt die Spannung über das erste Relais zum Zeitpunkt des Schließens des ersten Relais im niedrigen Bereich, beispielsweise kleiner als 1 V, so dass das Relais quasi leistungsfrei geschaltet werden kann. Durch das quasi leistungsfreie Schalten des Relais wird ein Abbrand vermieden und die Lebensdauer des Relais kann gesteigert werden.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die Zahl der Schaltzyklen durch die Unterstützung des Halbleiterschaltelementes um wenigstens den Faktor 10 erhöht werden kann. Experimente haben eine Zahl von über 3 Millionen Schaltzyklen bei handelsüblichen Relais für Haustechnikgeräte ergeben.
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Der Widerstand über das Halbleiterschaltelement kann in leitendem Zustand beispielsweise 20 mΩ betragen. Da der Leitungswiderstand des geschlossenen ersten Relais deutlich niedriger liegt, wird nahezu der gesamte Strom an den elektrischen Verbraucher nach dem Schließen des ersten Relais durch das erste Relais und nicht das Halbleiterschaltelement fließen. Damit wird die Verlustleistung, die nahezu ausschließlich an dem Halbleiterschaltelement auftritt, verhindert.
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Der elektrische Verbraucher ist insbesondere ein ohmscher Heizer, beispielsweise ein Rohrheizkörper oder ein Blankdrahtheizkörper.
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Die erfindungsgemäße Erhöhung der Lebensdauerschaltzyklen kann zu zwei Verbesserungen des Haustechnikgeräts führen. Zum einen kann bei einer Beibehaltung der bisherigen Schaltabstände die Lebensdauer des Haustechnikgeräts verlängert werden. Dies setzt voraus, dass die weiteren Komponenten des Haustechnikgeräts für eine längere Lebensdauer geeignet sind.
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Im häufigeren und bevorzugten Fall kann die Erhöhung der Lebensdauerschaltzyklen des ersten Relais dazu eingesetzt werden, dass ein häufigeres Schalten zugelassen wird. Die Häufigkeit des Ein- bzw. Ausschalten des Relais ist insbesondere durch Hysteresegrenzen gesetzt. Besonders bevorzugt ermöglicht die Erfindung die Einhaltung einer Hysterese von 2 K oder sogar weniger als 2 K. Damit einher geht eine Zunahme an Komfort, da die gewünschte Temperatur mit einer hohen Genauigkeit eingehalten wird.
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Erfindungsgemäß wird damit eine Güte erreicht, die bislang den ausschließlichen Einsatz von Halbleiterschaltelementen erforderte, mit den damit in Zusammenhang stehenden unvermeidbaren Verlustleistungen. Verlustleistungen werden durch das erfindungsgemäß vorgesehene erste Relais vermieden.
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Die Erfindung ermöglicht demnach, die Vorteile von verlustfreien Relais und von verschleißfreien Halbleiterschaltelementen zu kombinieren, um insgesamt einen höheren Komfort des Haustechnikgeräts zu ermöglichen, ohne dass die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit des Haustechnikgeräts beeinträchtigt ist.
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Vorzugsweise ist die Steuerung weiter ausgebildet, die Ansteuerung des Halbleiterschaltelement nach dem Schließen des ersten Relais zu beenden.
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Bei geschlossenem ersten Relais wird lediglich eine vernachlässigbare Leistung durch das Halbleiterschaltelement geführt, so dass nicht erforderlich ist, dass das Halbleiterschaltelement leitend ist, vielmehr ist die Schließstellung des ersten Relais für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers ausreichend.
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Indem in dieser Ausführung die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements nach dem Schließen des ersten Relais beendet wird, muss die Steuerung dem Halbleiterelement nicht dauerhaft einen Steuerstrom bereitstellen, so dass die Gesamteffizienz des Haustechnikgeräts verbessert ist.
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Vorzugsweise weist die Leistungselektronikbaugruppe weiter ein zweites Relais auf, das einen elektrischen Kontakt zwischen einem zweiten stromführenden Leiter und dem elektrischen Verbraucher steuert, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, zum Einschalten des elektrischen Verbrauchers das zweite Relais zu schließen, bevor das Halbleiterschaltelement angesteuert wird.
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Das zweite Relais ist mit dem zweiten stromführenden Leiter verbunden. Typischerweise werden Haustechnikgeräte im Niederspannungsnetz angeschlossen, das zwei aktive oder stromführende Leiter aufweist, nämlich einen Neutralleiter und einen die Phase führenden Außenleiter.
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Das zweite Relais ermöglicht demnach eine zuverlässige Abschaltung, da unabhängig von der Anschlussorientierung am Niederspannungsnetz, d.h. unabhängig davon, ob die Phase den zweiten stromführenden Leiter oder den ersten stromführenden Leiter ausbildet, die Phase durch das erste Relais oder das zweite Relais getrennt werden kann.
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Wenn das zweite Relais geschlossen ist, bevor das Halbleiterschaltelement angesteuert ist und folglich auch bevor das erste Relais geschlossen ist, führt das Schließen des zweiten Relais nicht zum Schließen eines elektrischen Kreises über den elektrischen Verbraucher, so dass das Schließen des zweiten Relais spannungsfrei und abbrandfrei erfolgt. Aus diesem Grund ist es nicht nötig, auch parallel zu dem zweiten Relais ein Halbleiterschaltelement vorzusehen.
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Vorzugsweise ist die Steuerung dazu ausgebildet, zum Ausschalten des elektronischen Verbrauchers das Halbleiterschaltelement vor dem Öffnen des ersten Relais anzusteuern.
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In umgekehrter Reihenfolge des Einschaltens wird zur Vorbereitung des Ausschaltens sichergestellt, dass das erste Relais nahezu verschleißfrei geöffnet werden kann, indem über das parallel geschaltete Halbleiterschaltelement der Stromkreis geschlossen ist.
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Vorzugsweise ist die Steuerung dazu ausgebildet, zum Ausschalten des elektronischen Verbrauchers die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements nach dem Öffnen des ersten Relais und insbesondere vor dem Öffnen des zweiten Relais zu beenden.
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Da der Stromkreis demnach bereits getrennt ist, bevor das zweite Relais geöffnet wird, kann auch das zweite Relais leistungsfrei und demnach abbrandfrei geöffnet werden.
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Vorzugsweise weist das Halbleiterschaltelement ein Triac auf.
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Triacs haben eine Steuerelektrode G (engl. gate), die in Kommunikationsverbindung mit der Steuerung ist. Bei an der Steuerelektrode G anliegendem Zündstrom wird ein Laststrom zwischen zwei Hauptelektroden des Triacs gezündet. Der Triac bleibt so lange leitend, bis der Haltestrom unterschritten wird. Auch andere Halbleiterschaltelemente sind einsetzbar.
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Vorzugsweise sind das erste und/oder das zweite Relais als Relais mit monostabilem Schaltzustand ausgeführt.
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Besonders bevorzugt sind die Relais entsprechend geöffnet, solange sie von der Steuerung nicht bestromt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Steuerstrom zum Schließen des Relais anliegen muss, damit ein stromführender Kontakt zu dem elektrischen Verbraucher vorliegt. Im Fehlerfall sind daher die entsprechenden Relais geöffnet und das ungewollte Fließen des elektrischen Stroms kann verhindert werden.
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Vorzugsweise weist die Leistungselektronikbaugruppe weiter eine galvanische Trennung zwischen dem bzw. den stromführenden Leitern und der Steuerung auf.
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Vorzugsweise weist die Leistungselektronikbaugruppe weiter eine Schmelzlotsicherung in einer Anschlussleitung der Steuerung und/oder einen Glättungskondensator zwischen Anschlussleitungen der Steuerung auf.
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In einem weiteren Aspekt wird ein Haustechnikgerät vorgeschlagen, insbesondere ein Warmwassergerät wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät. Das Haustechnikgerät weist eine erfindungsgemäße Leistungselektronikbaugruppe auf.
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Das Haustechnikgerät ermöglicht demnach das Erlangen der gleichen Vorteile, wie sie für die Leistungselektronikbaugruppe beschrieben wurden. Auch kann es mit den als bevorzugt beschriebenen Ausgestaltungen unter Erreichen dergleichen Vorteile kombiniert werden.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
- 1 schematisch und exemplarisch einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikbaugruppe, und
- 2 schematisch und exemplarisch Schaltdiagramme zum Ein- bzw. Ausschalten des elektrischen Verbrauchers.
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1 zeigt schematisch und exemplarisch einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikbaugruppe 1. Die Leistungselektronikbaugruppe 1 ist beispielsweise als Baugruppe eines Haustechnikgeräts, insbesondere eines Warmwassergeräts wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät, ausgebildet und steuert bzw. regelt die Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers BHZ, beispielsweise eines Rohrheizkörpers oder eines Blankdrahtheizgeräts.
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Die Leistungselektronikbaugruppe 1 bzw. das gesamte Haustechnikgerät ist an zwei stromführende Leiter beispielsweise eines Niederspannungsnetzes angeschlossen, die hier als Phase bzw. Leiter L und Neutralleiter N bezeichnet sind. In Klammern angegeben ist die Möglichkeit eines umgekehrten Anschlusses, was erfindungsgemäß problemlos möglich ist.
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Der elektrische Verbraucher BHZ ist zwischen den beiden Leitern L, N angeordnet und jeweils durch ein vorgelagertes Relais K1 bzw. K2 in dem ersten Leiter L bzw. dem zweiten Leiter N trennbar bzw. verbindbar. Damit ist bei beiderseitigem Anschluss gewährleistet, dass jeweils die spannungsführende Phase, d.h. der Leiter L, vor dem elektrischen Verbraucher BHZ abgeschalten wird.
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Parallel zu dem Relais K1 in dem ersten Leiter L ist ein Halbleiterschaltelement Q1 angeordnet. Das Halbleiterschaltelement Q1 ist vorzugsweise als TRIAC ausgebildet.
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Von den Leitern L, N galvanisch getrennt ist ein Regler bzw. eine Steuerung 10 angeordnet. Sämtliche bekannte Arten der galvanischen Trennung sind hier vorstellbar, von denen lediglich eine exemplarisch im Schaltplan gezeigt ist.
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Die Steuerung 10 ist insbesondere dazu ausgebildet, das Relais K1 und das Relais K2 zu schließen. Das Relais K1 und/oder das Relais K2 sind vorzugsweise Relais mit einem monostabilen Schaltzustand, so dass das bzw. die Relais offen sind, wenn kein von der Steuerung 10 bereitgestellter Steuerstrom anliegt. Nur mit dem anliegenden Steuerstrom sind das bzw. die Relais geschlossen.
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Zur Sicherheit sind vorzugsweise der Steuerung 10 vorgelagert eine Schmelzlotsicherung SLS und ein Glättungskondensator bereitgestellt.
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Das Einschalten des elektrischen Verbrauchers BHZ geschieht in folgender Schaltsequenz, die auch schematisch in 2 unter der Überschrift „EIN“ schematisch aufgezeigt ist:
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1. Schließen von Relaiskontakt K2
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Dies geschieht stromlos, da der Stromkreis wegen der zunächst noch geöffneten Kontakte von Relais K1 und dem Halbleiterschaltelement Q1 in diesem Fall noch nicht geschlossen ist.
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2. Schließen/ Ansteuern des Halbleiterschaltelements Q1
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Das Halbleiterschaltelement Q1 schließt den Stromkreis, der Heizkörper bzw. elektrische Verbraucher BHZ beginnt zu heizen.
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3. Schließen des Relaiskontakt K1
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Das Relais K1 überbrückt das Halbleiterschaltelement Q1 und übernimmt den Stromfluss - hierbei kommt es zu keiner nennenswerten Belastung des Relaiskontaktes, da nur eine minimale Differenzspannung im Einschaltaugenblick überbrückt werden muss und der Reststrom bereits über das Halbleiterschaltelement Q1 fließt.
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4. Öffnen des Halbleiterschaltelements Q1
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Dieser Schritt ist optional, da das Halbleiterschaltelement Q1 ohnehin nichtleitend wird, sobald das Relais K1 geschlossen ist - die dauernde Ansteuerung ist aber unnötig.
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Das Abschalten geschieht sinngemäß in umgekehrter Reihenfolge, wobei hierfür in 2 zwei Alternativen gezeigt sind, die mit AUS1 und AUS2 überschrieben sind.
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1. Schließen / Ansteuern des Halbleiterschaltelements Q1
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Während bei Alternative AUS1 das Halbleiterschaltelement Q1 bei Alternative AUS1 erst geöffnet ist und in einem ersten Schritt geschlossen wird, so ist bei Alternative AUS2 das Halbleiterschaltelement Q1 permanent während des Betriebs des elektrischen Verbrauchers BHZ angesteuert. Bei der Alternative AUS2 ist also der optionale Schritt 4. beim Einschalten nicht ausgeführt worden.
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2. Öffnen des Relaiskontakt K1
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Durch das Öffnen des Relais K1 übernimmt der angesteuerte bzw. geschlossene Kontakt über das Halbleiterschaltelement Q1 den Strom von dem Relais K1, wobei das Relais K1 aufgrund des geschlossenen bzw. leitenden Halbleiterschaltelements Q1 abbrandfrei geöffnet werden kann.
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3. Öffnen des Halbleiterschaltelements Q1
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Das Öffnen des Halbleiterschaltelements Q1 erfolgt verschleißfrei. Damit wird der Schaltkreis geöffnet und der Stromfluss beendet.
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4. Öffnen des Relaiskontakt K2.
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Da der Schaltkreis bereits geöffnet ist, kann auch das Relais K2 nun spannungsfrei und verschleißfrei geöffnet werden.
