DE10225259B3

DE10225259B3 - Elektrischer Steckverbinder

Info

Publication number: DE10225259B3
Application number: DE2002125259
Authority: DE
Inventors: Joachim Laschinski
Original assignee: SMA REGELSYSTEME GmbH
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-08

Abstract

Ein elektrischer Steckverbinder (1) mit elektrischen Kontakten und mindestens einem Gegensteckteil, wobei der Steckverbinder als Lasttrenner ausgebildet ist, soll einen Lichtbogen vermeiden oder zumindest reduzieren. Dies wird erreicht durch einen bei einem Aussteckvorgang voreilenden Hauptkontakt (2) und einen parallel geschalteten nacheilenden Hilfskontakt (3), so dass beim Ausstecken des Steckverbinders der Hauptkontakt zwangsläufig zuerst und der Hilfskontakt zuletzt von seinem Gegensteckteil getrennt werden und einen in Reihe mit dem Hilfskontakt geschalteten Halbleiterschaltelement (4) zur Lichtbogenvermeidung bzw. Lichtbogenlöschung, wobei das Halbleiterschaltelement derart ansteuerbar ausgebildet ist, dass er zumindest während des Aussteckvorgangs zwischen einer Kontakttrennung des Hauptkontakts und des Hilfskontakts derart geöffnet wird, dass er einen Lichtbogen an den Kontakten verhindert oder zumindest reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Steckverbinder mit elektrischen Kontakten und mindestens einem Gegensteckteil, wobei der Steckverbinder als Lasttrenner ausgebildet ist.
Bekannt sind elektrische Steckverbinder, die nicht unter Last trennbar sind. Durch eine Lichtbogenbildung kann der Kontakt schnell abbrennen bzw.
verschleißen. Außerdem können Lichtbögen zur Gefährdung von Personen führen.
Um das Problem zu mindern ist es bekannt, die Kontakte überzudimensionieren. Dies ist jedoch teuer und bleibt für Personen weiterhin gefährlich, weil der Lichtbogen nicht gelöscht wird.
In Niederspannungs-Schaltanlagen für Wechselstromnetze sind Lichtbogen-Löschsysteme bekannt, in denen in einem sensorisch erfassten Störlichtbogenfall die Anlage durch einen Halbleiterschalter, insbesondere einer Thyristor-Schaltung, kurzgeschlossen wird, was ein Zusammenbrechen der Lichtbogenspannung bewirkt.
Auch sind Niederspannungs-Schaltgeräte für Wechselstromnetze, sogenannte Hybridschalter bekannt, die zur Lichtbogenlöschung an den Schaltkontakten des Schalters Halbleiterschaltelemente aufweisen. Mit ihnen kann eine Last abgeschaltet werden, bevor ein elektrischer Steckverbinder getrennt wird, so dass der Steckverbinder stromlos getrennt wird. Um sicherzustellen, dass nicht zuerst ein Steckkontakt getrennt wird, bevor der Trenn-Schalter abgeschaltet ist, werden mechanische Verriegelungen eingesetzt.

Aus der US 5,881,251 ist eine Leiterplattensteckverbindung bekannt, mit der es möglich ist, Leiterplatten während eines Betriebs auszustecken. Hierzu wird ein übliche Leiterplattensteckverbinder mit mehreren Kontaktstellen verwendet. Zusätzlich ist ein nacheilender Kontakt an einer Chassis-Rückwand vorhanden. Der Gegenkontakt des nacheilenden Kontakts ist auf einer Leiterplattenseite über ein MOSFET-Transistor mit einem Masse-Steckkontakt verbunden. Ein RC-Ansteuerkreis steuert den Transistor so, dass das beim Ausstecken der Leiterplatte keine Spannungsspitzen auftreten können. Eine derartige Schutzvorrichtung ist nur für relativ kleine Ströme vorgesehen und nicht für hohe Lastströme konzipiert. Daher ist sie als Lasttrenner zu Energieverteilungszwecken nicht geeignet.

Die JP 2001307839 beschreibt einen Steckverbinder für Kraftfahrzeuge mit, einem Laststromsteckkontakt und mit einem nacheilenden Hilfskontakt. Mit dem Steckverbinder soll lediglich ein Lichtbogen an dem Laststromkontakt verhindert werden. An dem Hilfskontakt wird der Lichtbogen jedoch nicht verhindert, so dass ein Lichtbogen nicht gänzlich vermieden werden kann.

Bekannt sind explosionsgeschützte Steckverbindungsanordnungen, beispielsweise aus der DE 198 38 492 A1 , mit vor- und nacheilenden Kontakten und Halbleiterelementen. Hierbei wird bevor eine galvanische Trennung erfolgt durch eine Transistorschaltung eine Stromunterbrechung realisiert. Bei niedrigen Spannungen, wie zum Beispiel bei Photovoltaikanlagen, machen, sich die Verluste an der Transistorschaltung jedoch negativ bemerkbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen elektrischen Steckverbinder ohne Überdimensionierung der Kontakte zu schaffen, bei dem ein Lichtbogen vermieden oder zumindest reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Steckverbinder mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Durch das Integrieren eines Halbleiterschaltelementes zur Lichtbogenlöschung in dem Steckverbinder bzw. eines Steckverbindersystems selbst, können die Steckkontakte unter Last getrennt werden, wobei ein Last-Trennschalter nicht erforderlich ist, was zu einer erheblichen Kosteneinsparung führt. Der erfindungsgemäße Steckverbinder braucht auch nicht überdimensioniert zu werden, wobei er keinem Verschleiß durch Lichtbogenbildung unterworfen ist, da beim Trennvorgang kein Lichtbogen entsteht, was für den Personenschutz wichtig ist. Auch ist das Halbleiterschaltelement erfindungsgemäß so geschaltet, dass im gesteckten Zustand der Hauptkontakt das Halbleiterschaltelement überbrückt. Hierdurch fließt beim gesteckten Steckverbinder weder ein Strom durch das Halbleiterschaltelement noch kann eine Spannung am Halbleiterschaltelement anliegen. Im Falle einer einfachen Reihenschaltung eines Halbleiterschalters, sozusagen als Lastttrenner, mit einem Steckverbinder bzw. einem einzigen Kontakt könnte durch vorzeitiges Öffnen des Halbleiterschalters grundsätzlich ein Stromfluß unterbrochen werden, womit im Prinzip eine Vermeidung eines Lichtbogens mit einem Halbleiterschalter möglich wäre. Der Stromfluß bzw. der Betriebsstrom und die an dem Halbleiter abfallende Spannung von etwa 0,7 Volt würden jedoch für Energieverluste sorgen.

Erfindungsgemäß ist das Halbleiterschaltelement derart ansteuerbar ausgebildet , dass er durch ein Steuerelement periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch kann ein Lichtbogen sicher gelöscht werden.

Der erfindungsgemäße Steckverbinder eignet sich daher besonders für Photovoltaik-Anlagen, insbesondere zur Verbindung eines Generators mit einem Wechselrichter, da kein Spannungsabfall von 0,7 Volt durch die Parallelschaltung des Hauptkontakts entsteht und der Steckverbinder zu keiner Verringerung des Wirkungsgrades einer solchen Anlage führt.

Durch ständiges Takten des Halbleiterschaltelementes, vorzugsweise unabhängig vom Steckzustand, kann die Lichtbogenspannung in einfacher Weise reduziert werden. Durch ein Pulsen wird insbesondere in Gleichspannungsnetzen ein stabiler Lichtbogen verhindert, weil ähnlich wie in Wechselspannungsnetzen ein entstehender Lichtbogen immer wieder gelöscht wird und daher nicht stabil brennen kann. Weder im ein- noch im ausgesteckten Zustand fließt durch das Halbleiterschaltelement ein Strom, obwohl dieser ständig getaktet wird, sondern nur während des kurzen Ein- bzw. Aussteckvorgangs, wodurch keine Energieverluste entstehen.

Hierbei muss das Halbleiterschaltelement nicht in einem Steckergehäuse zusammen mit den Kontakten angeordnet sein, so kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung das Halbleiterschaltelement in einem Gegensteckteil angeordnet sein.

Auch müssen Haupt- und Hilfskontakt nicht unbedingt in einem Gehäuse untergebracht sein. Diese können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auf zwei Steckergehäusen verteilt werden, wobei insbesondere ein Sicherheitsring für eine Einhaltung der erfindungsgemäßen Kontakttrennung sorgt.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung sowie weiter Vorteile derselben werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Steckverbinders,
2 eine erfindungsgemäße Steckkontaktanordnung,
3a–d Teilfiguren, die einen Trennvorgang veranschaulichen,
4 eine Photovoltaiklanlage mit einem erfindungsgemäßen Steckverbinder und
5 eine Variante des Steckverbinders.
Wie in 1 veranschaulicht ist, besteht der Steckverbinder 1 erfindungsgemäß aus einem Hauptkontakt 2, einem Hilfskontakt 3 und einem Halbleiterschaltelement 4, welches ein Transistor, Thyristor oder dergleichen sein kann, wobei die Kontakte 2, 3 durch Schalter symbolisch abbgebildet sind. Der Zusatzkontakt 3 ist elektrisch unmittelbar in Reihe mit dem Halbleiterschaltelement 4 geschaltet und der Hauptkontakt 2 parallel hierzu.
2 zeigt eine mögliche Anordnung der Kontakte 2, 3 mit entsprechenden Gegenkontakten 5, 6. Der Hilfskontakt 3, der ein Zusatzkontakt ist, ist als nacheilender Kontakt ausgebildet. D.h. seine Kontakttrennung mit seinem Gegenkontakt 5 erfolgt zwangsläufig nachdem der Hauptkontakt 2 von seinem Gegenkontakt 6 getrennt worden ist, wobei der Pfeil die Aussteckrichtung zeigt. Räumlich ragt der Hilfskontakt 3 in dem Fall jedoch vor. Beim in 2 dargestellten Zustand wurde der Hauptkontakt 2 schon vorher von seinem Gegenkontakt 6 getrennt. Daher wird dieser Kontakt 2 als voreilender Kontakt bezeichnet. Im einfachsten Fall ist der Hauptkontakt 2, wie abgebildet, kürzer als der Hilfskontakt 3, was aber nicht so sein muss.
Anhand der 3a–3d soll das Prinzip der Lichtbogenvermeidung näher erläutert werden, wobei auch hier die Kontakte 2, 3 nur symbolisch durch Schalter dargestellt sind.
In 3a ist der Zustand dargestellt, bei dem alle Schalter geschlossen sind. Ein über den Steckverbinder 1 fließender Strom geht den Weg des geringsten elektrischen Widerstandes, welcher der durch den geschlossenen Hauptkontakt 2 ist, da das Halbleiterschaltelement 4 einen im Vergleich zum Hauptkontakt 2 sehr viel höheren elektrischen Widerstand aufweist.
Nach der Kontakttrennung des Hauptkontaktes 2 (vgl. Pfeil in 3b) kann zunächst der Strom über den Hilfskontakt 3 fließen, wodurch ein Lichtbogen an dem Hauptkontakt 2 nicht entsteht.
Bevor der Hilfskontakt 3 getrennt wird muss das Halbleiterschaltelement 4 öffnen, um zu verhindern, dass sich eine hohe Stromänderung in kurzer Zeit (di/dt) während eines Trennvorgangs des Hilfskontakts 3 an diesem selbst einstellt. D.h. ein Strom (i) von z.B. 10 A müsste in einer Zeit (t) von wenigen Millisekunden auf Null reduziert werden. Dieses hohe di/dt sorgt bei einer Kontakttrennung nämlich für die hohe Spannung (u) , die außerdem von der Induktivität (L) einer Anlage abhängt (u = L di/dt). Durch die hohe Spannung entstünde eine Lichtbogenbildung. Dagegen wird erfindungsgemäß der Strom entweder durch das Halbleiterschaltelement 4 ganz abgeschaltet noch bevor eine Kontakttrennung an dem Hilfskontakt 3 stattfindet oder zumindest durch das Halbleiterschaltelement 4 soweit reduziert, dass sich kein stabiler Lichtbogen bilden kann, wie 3c (vgl. Pfeil) zeigt.
Ist dieser Zustand erreicht, dann kann ohne Lichtbogenbildung auch der nacheilende Hilfskontakt 3 geöffnet werden, wie 3d zeigt.
Damit während des Öffnen des Halbleiterschaltelementes 4 dieser durch eine hohe Spannung (u = L di/dt), die nun an ihm anliegen würde, nicht zerstört wird, ist er parallel mit einem Spannungs-Begrenzungselement als Überspannungsschutz versehen, der vorzugsweise als elektrischer Widerstand ausgebildet ist. Hierdurch können Freilaufdioden entfallen. Ist das Halbleiterschaltelement 4 geöffnet und der Hilfskontakt 3 noch geschlossen (3c) begrenzt dieser Widerstand (nicht dargestellt) den Strom bzw. die Stromänderung (di/dt).
Wie die 4 und 5 veranschaulichen, müssen die Kontakte 2, 3 und die Gegenkontakte 5, 6 keine feste Einheit sein, sie können relativ zueinander beweglich sein. Die Gegensteckkontakte 5, 6 sind als Buchsen ausgebildet. Der erfindungsgemäße Steckverbinder 1 kann durch zwei getrennte Steckverbinder gebildet sein, wobei ein ein Steckkontaktteil aufweisender erster Steckverbinder, den Hauptkontakt 2 bildet und ein ein Muffenteil aufweisender zweiter Steckverbinder, den Hilfskontakt 2 bildet, wie insbesondere 5 zeigt. Damit zwangsläufig der Hauptkontakt 2 zuerst getrennt wird, ist sein Steckergehäuse mit einem Sicherheitsring 11 versehen. Dieser überlappt ein Steckergehäuse des Hilfskontaktes 3, so dass der Hilfskontakt 3 nicht herausgezogen werden kann, solange der Hauptkontakt 2 nicht gezogen ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Hilfskontakt 3 zuletzt getrennt wird. Der Sicherheitsring 11 kann als eine Überwurfmutter ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß wird das Halbleiterschaltelement 4, insbesondere ständig, periodisch ein- und ausgeschaltet, und vorzugsweise durch einen Rechteckgenerator 7 (4) getaktet bzw. gepulst, was einerseits den Vorteil hat, dass sich kein stabiler Lichtbogen an den Kontakten 2, 3 bilden kann und andererseits, dass keine aufwändige Steuerung des Halbleiterschaltelementes 4 erforderlich ist. Der Rechteckgenerator ist ständig aktiv, unabhängig davon, ob der Hauptkontakt 2 gesteckt ist oder nicht. Durch das Takten bricht beim Trennen des Hilfskontaktes 3 periodisch die Spannung zwischen ihm und seinem Gegenkontakt 5 zusammen.
Das Halbleiterschaltelement 4 sowie der Rechteckgenerator 7 sind auf der Gegensteckseite z.B. in einem Wechselrichtergehäuse 8 eines Wechselrichters 9 angeordnet (4), wobei der Steckverbinder 1 nur am Minuspol angeordnet ist. Die Kontakte 2, 3 sind dagegen mit Photovoitaikmodulen 10 verbunden.

Claims

Elektrischer Steckverbinder (1) mit elektrischen Kontakten (2, 3) und mindestens einem Gegensteckteil (5, 6), wobei der Steckverbinder (1) als Lasttrenner ausgebildet ist, a) mit einen bei einem Aussteckvorgang voreilenden Hauptkontakt (2) und einen parallel geschalteten nacheilenden Hilfskontakt (3), so dass beim Ausstecken des Steckverbinders (1) der Hauptkontakt (2) zwangsläufig zuerst und der Hilfskontakt (3) zuletzt von seinem Gegensteckteil (5, 6) getrennt werden und b) einen in Reihe mit dem Hilfskontakt (3) geschalteten Halbleiterschaltelement (4) zur Lichtbogenvermeidung bzw. Lichtbogenlöschung, c) wobei das Halbleiterschaltelement (4) derart ansteuerbar ausgebildet ist, dass er zumindest während des Aussteckvorgangs zwischen einer Kontakttrennung des Hauptkontakts (2) und des Hilfskontakts (3), derart geöffnet wird, dass er einen Lichtbogen an den Kontakten (2, 3) verhindert oder zumindest reduziert d) und wobei das Halbleiterschaltelement (4) derart ansteuerbar ausgebildet ist, dass er durch ein Steuerelement periodisch ein- und ausgeschaltet wird.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement (4) mit einem als Rechteckgenerator (7) ausgebildeten Steuerelement verbunden ist.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement (4) unabhängig davon angesteuert wird, ob der Hauptkontakt (2) und/oder der Hilfskontakt (3) mit seinem Gegensteckteil (5, 6) in elektrischer Verbindung ist oder nicht.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement (4) parallel mit einem Spannungs-Begrenzungselement geschaltet ist.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungs-Begrenzungselement ein elektrischer Widerstand ist.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt- und Hilfskontakt (2, 3) in einem für beide Kontakte gemeinsamen oder zwei getrennten Steckergehäusen angeordnet sind und das Halbleiterschaltelement (4) in dem Gegensteckteil angeordnet ist.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt- und Hilfskontakt (2, 3) relativ zueinander fest angeordnet sind, wobei der Hauptkontakt (2) kürzer als der Hilfskontakt (3) ausgebildet ist.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskontakt (3) relativ zu dem Hauptkontakt (2) beweglich ausgebildet ist und zwar derart, dass eine Kontakttrennung am Hilfskontakt (3) zwangsläufig zuletzt erfolgt.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkontakt (2) mit dem Hilfskontakt (3) auf einer Gegensteckseite mit einer elektronischen Schaltung derart verbunden ist, dass sich kein stabiler Lichtbogen ausbilden kann.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegensteckteil (5, 6) aus zwei eng nebeneinander angeordneten Gegensteckkontakten besteht, dass der Haupt- und Hilfskontakt (2, 3) in zwei getrennte Steckergehäusen angeordnet sind und dass das Steckergehäuse des Hauptkontaktes (2) mit einem das Steckergehäuse des Hilfskontaktes (3) derart überlappenden Sicherheitselement (11) versehen ist, dass das Sicherheitselement (11) die Steck- und Trennreihenfolge der Kontakte (2, 3) bestimmt.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (11) als Sicherheitsring ausgebildet ist.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, das der Hauptkontakt (2) als Steckkontaktteil und der Hilfskontakt (3) als Muffenteil ausgebildet ist.
Gleichspannungsanlage mit einem elektrischen Steckverbinder (1) zur Unterbrechung eines Stromkreises der Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Gleichspannungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichspannungsgenerator, insbesondere ein Photovoltaikgenerator (10), und ein Wechselrichter (9) durch den elektrischen Steckverbinder (1) verbunden sind.
Gleichspannungsanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Steckverbinder (1) am Minuspol angeschlossen ist.