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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltmodul, der direkt
ohne irgendwelche Modifikationen anstelle der elektromagnetischen
Gleichstromrelais, wie sie bei verschiedenen Fahrzeugen verwendet
werden, angebracht werden kann.
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Beim
Stand der Technik werden die elektrischen Zusatzgeräte in den
Fahrzeugen durch Gleichstrom betrieben. Elektromagnetische Relais
werden z.B. bei vielen Komponenten eines Fahrzeugs, wie den Lampen,
der Heizeinrichtung, automatischen Türverschlüssen, automatischen Fensterhebern, Dieselerhitzern,
Schiebenwischern, Ventilatoren, Signalvorrichtungen, Motorstartern,
Klimaanlagen, Treibstoffpumpen, Einspritzern, ABS (Anti-Blockiersystem),
ESR (Electronic Speed Reduction), ASR (Anti Spin Regulation), TCS
(Traktion Control System), Verzögerer, Übertragungs-
und Leistungsstrang, verwendet. Elektromagnetische Gleichstromrelais
werden außerdem
bei industriellen Anwendungen verwendet.
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Elektromagnetische
Relais besitzen jedoch eine Anzahl Nachteile:
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Da
der hergestellte und unterbrochene Kontakt durch das Magnetfeld,
das durch die Spule der Treiberschaltung erzeugt wird, ein mechanischer Kontakt
ist, werden beim Öffnen/Schließen des Schaltkreises
Geräusche
erzeugt.
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Die
elektromagnetischen Relais verursachen eine elektromagnetische Beeinflussung
der zugehörigen
elektrischen Schaltung, was wiederum zu negativen Stößen der
elektronischen Vorrichtungen, wie sie bei der heutigen Technologie
verwendet werden, führt.
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Als
Ergebnis des mechanischen Kontakts sind die Ein/Ausschaltgeschwindigkeiten
der elektromagnetischen Relais niedrig, d.h. ihre Ansprechzeiten
sind sehr hoch, z.B. 100 bis 200 msec. Dieses langsame Ein-/Ausschalten
verzögert
die Reaktionszeit des Systems und verursacht außerdem eine Abnutzung (Abrieb)
des Kontaktes.
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Die
Versorgungsschaltung für
das elektromagnetische Relais zieht einen Strom von ca. 50 bis 200
mA. Ein solch hoher Stromwert bedingt einen großen Energieverbrauch und führt zu verschiedenen
Problemen. Insbesondere die Spule und der der zeitlichen Spulenaufwärmung entgegenwirkende Kontakt
führen
während
der Herstellung und/oder der Unterbrechung des Kontaktes zu einer
Lichtbogenbildung. Sowohl die Erwärmung als auch die Lichtbogenbildung
erzeugen korrosive Stöße, die
den Kontakt und folglich das Relais beschädigen können. Insbesondere bei Transportfahrzeugen,
bei welchen die Sicherheit der Passagiere sehr wichtig ist, führen schadhafte
elektromagnetische Relais zu einer Vielzahl Unglücksfälle. Selbst wenn das Relais
im Falle eines Unglücks
nicht beschädigt
wird, können
die gebildeten Lichtbögen
den Brennstoff jedoch in Brand setzen und Verbrennungen verursachen.
Außerdem resultieren
die korrosiven Wirkungen, die durch atmosphärische Bedingungen und/oder
durch die gebildeten Lichtbögen
erzeugt werden, in einer Vergrößerung der
Kontaktwiderstände
der Relais. Bei solchen Relais mit vergrößertem Kontaktwiderstand nehmen
die Wärmeverluste
zu, und das System beginnt uneffektiv zu arbeiten. Da schließlich dicke
Kabel erforderlich sind, um in Antriebsschaltungen hohe Ströme aufzunehmen,
nehmen die Kosten wesentlich zu, wenn die Länge des Kabels zunimmt.
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Die
elektromagnetischen Relais arbeiten bei bestimmten Toleranzen unter
einer gegebenen Spannung. Diese Differenzen werden durch die Antriebsspannungsgrenzen
zwischen 8% und 10% bestimmt. Wenn diese Grenzen überschritten
werden, besitzen die Relais einen negativen Stoß auf den Betrieb des Moduls,
entweder durch Aufheizen oder in der Weise, daß sie die geforderte Reaktion
nicht liefern.
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Mit
dem elektronischen Schaltmodul wird ein breiter Aktionsbereich geliefert.
Ein elektronischer Schaltmodul (entweder ein 12-Volt- oder ein 24-Volt-Gleichstrommodul)
arbeitet bei beiden Spannungsbändern
ohne irgendwelche Probleme. Zusätzlich
besitzt er Merkmale, wie eine Schadensselbsterfassung, und liefert
im Vergleich zu den elektromagnetischen Relais entsprechende Informationen.
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In
der
EP 1 207 622 werden
Halbleiterrelais beschrieben, bei welchen es sich um Wechselstromrelais
und nicht um Gleichstromrelais handelt. Die dort verwendeten Thyristoren
sind Siliziumpartikel, die dazu verwendet werden, eine Gleichstrompolarisation
zu erhalten, um den Vorteil des Wechselstroms/der Wechselspannung
zu nutzen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Gleichstromschaltmodul
zu realisieren, der einfach und entfernbar ohne irgendwelche Modifikationserfordernisse
anstelle der elektromagnetischen Relais installiert werden kann,
der anwendbar und wirtschaftlich ist.
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Der
elektronische Schaltmodul, der realisiert worden ist, um die oben
beschriebenen Möglichkeiten
der vorliegenden Erfindung zu erhalten, ist in den anliegenden Zeichnungen
dargestellt. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung des elektronischen Schaltkreises,
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2 eine
schematische Ansicht des elektronischen Schaltkreises, wenn die
Last von der positiven zur negativen Seite gerichtet ist,
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3 eine
schematische Ansicht des elektronischen Schaltkreises, wenn der
Transistor (3) an der niederen Seite der Last angetrieben
wird,
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4 eine
räumliche
Explosionsseitenansicht des elektronischen Schaltkreises,
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5 eine
Explosionsfrontansicht des elektronischen Schaltkreises, und
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6 eine
zusammengebaute Seitenansicht des elektronischen Schaltkreises.
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Die
in den Zeichnungen dargestellten Komponenten sind mit den folgenden
Bezugsziffern bezeichnet:
- 1 Kunststoffgehäuse
- 2 Aluminiumblock
- 3 Transistor (TR)
- 4 Gedruckte Schaltungskarte
- 5 Deckel
- 6 Kontakte
- 7 Treiberschaltung
- 8 Ansteuernde Gleichstromquelle
- 9 Eingang (Gate)
- 10 Gleichstromquelle (Drain)
- 11 Quelle
- 12 Last
- 13 Rahmen (Erde)
- 14 LO (Logikanordnung)
- 15 Elektronischer Schaltmodul
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht der elektronische Schaltmodul (15) aus
einem Kunststoffgehäuse
(1), das den Modul gegen die äußeren Umgebungsbedingungen
schützt, einem
Aluminiumblock (2), der eine Überhitzung der elektronischen
Schaltung verhindert, einem Halbleiter-Schaltelementtransistor (3),
einer gedruckten Schaltungskarte (4), an der die elektronischen Schaltkreiselemente
angeordnet sind, einen Deckel (5), in dem die gedruckte
Schaltungskarte angeordnet ist, und den Kontakten (6),
die den Anschluß an eine
Leistungsschaltung herstellen (siehe die 4 bis 6).
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Das
Kunststoffgehäuse
(1), das den Modul gegen die äußeren Umgebungsbedingungen schützt, isoliert
den Modul auch elektrisch. Das Gehäuse kann selbst bei hohen Temperaturen
gehalten werden, ohne die Hand zu verbrennen. Es ist mit einer Reihe
von Löchern
versehen, um eine Wärmeübertragung
zu ermöglichen.
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Der
prismatische Aluminiumblock (2) umschließt den Rand
der Schaltung, um eine schnellere Übertragung der in der Schaltung
erzeugten Wärme zu
ermöglichen.
Am Block (2) sind Rippen vorgesehen, um die Wärmeübertragung
zu verbessern.
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Der
Halbleiter-Schaltelementtransistor (3) wird zum Betrieb
der die Last (12) enthaltenden Leistungsschaltung durch
den Strom, der von der Gleichstromquelle zur Antriebsschaltung geliefert
wird, verwendet.
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Der
Transistor (3) und die elektronischen Schaltungselemente,
die in der Treibungsschaltung (7) angeordnet sind, sind
an der gedruckten Schaltungskarte (4) angebracht, die selbst
am oberen Bereich des Deckels (5) angeordnet ist. Die Kontakte
(6) sind am unteren Bereich des Deckels (5) angebracht. Der
Deckel und die Kontakte sind derartig angeordnet, daß keine
Modifikationen erforderlich sind, um die Kontakte in den bislang
verwendeten Kontaktführungen
elektromagnetischer Relais anzuordnen.
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1 zeigt
das Schaltungsdiagramm der elektronischen Schaltung an der gedruckten
Schaltungskarte in dem elektronischen Schaltmodul. Die Treiberschaltung
(7) besteht aus einer ansteuernden Gleichstromquelle (8),
einem Widerstand (R10), einer LO (14), einer Diode (Q10)
und einem zweiten Widerstand (R11), die alle mit der Gleichstromquelle in
Reihe geschaltet sind, und einem Kondensator (C10), der an diese
parallel angeschlossen ist, und einem Chassis (Rahmen) (13).
Diese Schaltung weist einen Transistor (3) auf, der an
die Treiberschaltung (7) mit seinem Eingangs(Gate)-Ende
(9) angeschlossen ist. Das Gleichstromquelle(Drain)-Ende
(10) des Transistors (3) ist an die ansteuernde
Gleichstromquelle (8) angeschlossen, während seine Quelle, d.h. sein
Source-Ende (11) an einen Widerstand (R12) und eine Last
(L10) angeschlossen ist, die zum Rahmen (13) führen.
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Wenn
die in 1 dargestellte Schaltung in dem Modul verwendet
wird, wird Strom, der von der Gleichstromquelle geliefert wird,
zu dem Transistor-Einlaßtor (9) übertragen,
um den Transistor anzusteuern. Der Transistor geht dann in einen
Leitzustand (Schalter geschlossen), und der Strom der Leistungsschaltung,
der von dem Gleichstromquelle(Drain)-Ende (10) geliefert
wird, wird zum Quelle(Source)-Ende (11) übertragen
und aktiviert die Leistungsschaltung mit Hilfe der Kontakte durch
einen Stromfluß über die
Last.
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Der
Widerstand (R12) ergibt die Steuerung des Stromes, der über die
Last fließt,
und durch dieses Merkmal schützt
er diagnostizierend die Schaltungselemente und hält diese innerhalb der erlaubten Stromparameter
unter Kontrolle.
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Durch
diese Schutzprozedur besteht kein Risiko einer Beschädigung am
Ende des Betriebes, wie es bei typischen Sicherungen der Fall ist.
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Wenn
die negativen Stöße der Bedingungen eliminiert
sind, wird das System wieder gestartet und gegen nachfolgende mögliche negative
Bedingungen geschützt.
Diese Bedingungen sind thermische Faktoren, Überspannung- und Überstromparameter.
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An
dieser Stelle bringt ein extrem niedriger Innenwiderstand und Kapazität des Transistors
(3) und in Verbindung hiermit ein sehr hoher Torwiderstand
den Transistor in unbeabsichtigte oder nicht befohlene "ein- oder aus"-Positionen mit unbestimmten
Intervallen, was die Betriebsstabilität zerstört. Um eine solche Situation
zu vermeiden, wird die PWM(Pulse Wave Modulation)-Technik verwendet. Diese
Technik basiert auf einer verbesserten LO-Technik, die entwickelt
worden ist, um den Halbleiter in die Sättigung oder in den Betriebszustand
zu bringen. Überspannungs-
und Stromwerte werden mit PWM gesteuert, um einen stabileren Betrieb
des Transistors zu schaffen.
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Bei
einer anderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung wird die Schaltung
verwendet, wie sie in 2 dargestellt ist. Bei dieser
Schaltung besteht die Treiberschaltung (7) aus einem Widerstand
(R20) der in Reihe an eine ansteuernde Gleichstromquelle angeschlossen
ist, einem Transistor (T20) und einer Diode (Q20), die zueinander
parallel geschaltet sind, und die selbst mit dem Widerstand in Reihe
geschaltet und an einen Rahmen (13) angeschlossen sind, um
sie mit Erde zu verbinden, und eine Diode (Q21) ist an diese Parallelschaltung
in Reihe angeschlossen. Diese Schaltung weist außerdem eine Diode (Q22), einen
Transistor (10) und einen Widerstand (R21) auf, die miteinander
parallel und die selbst an die Treiberschaltung (7) in
Reihe angeschlossen sind, wobei eine ansteuernde Gleichstromquelle
(8) die Schaltung sowie eine Diode (Q23) und eine Last, die
miteinander parallel geschaltet und die an den Rahmen (13)
angeschlossen sind, versorgt.
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Wenn
der Modul mit der Schaltung arbeitet, wie sie in 2 gezeichnet
ist, wird die Last an dem ununterbrochenen Rahmen (13)
(negative) Seite des elektromagnetischen Feldes gelassen; die Batteriespannung
wird in einer gesteuerten Weise zur Treiberschaltung (7)
und zur Last (12) gesandt. Da der Innenwiderstand niedrig
ist, wird zwischen der Gleichstromquelle (Drain) (10) und
der Quelle (11) eine geringfügige Spannung erzeugt. Es ist
nicht möglich,
diese minimale Spannungsdifferenz vom Eingang (9) zu steuern.
Diese Differenz wird durch PWM unterdrückt. Die Wirkung des sehr kleinen
(unwesentlichen) Innenwiderstandes zwischen der Gleichstromquelle
(Drain) (10) und der Quelle (11) wird durch unterschiedliche
Stoßintervalle
eliminiert, und auf diese Weise wird eine Spannungsdifferenz erzeugt,
um den Modul in einem ununterbrochenen Modus zu halten.
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Der
Treiberabschnitt der Schaltung und der Modul arbeiten gemäß der zyklischen
Struktur der Erde. Um einen hundertprozentige Gleichheit zu einer Relais-Aktivität in der
Auto/Fahrzeugtechnologie zu erhalten, wird der Eingang des Treiberabschnittes und
der positive Einwegwechsel zum Rahmen (13) durch die Polarisation
des npn-Transistors realisiert.
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Diodenzusammenfassungen
sind an der Treiberschaltung angeordnet, um den Modul gegen die
Wirkungen der Rückströme zu schützen, die
am Massekreis gebildet werden.
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Bei
einer anderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung (3)
besteht die Schaltung aus einem Widerstand (R30), der von einer
ansteuernden Gleichstromquelle (8) gespeist wird, einem
Transistor (10), zwei zueinander parallel geschalteten
Widerständen
(R31, R32), die selbst an den Widerstand angeschlossen sind, und
einem Rahmen (13), der die obigen Komponenten an Masse
anschließt.
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Wenn
der Modul mit der in 3 gezeigten Schaltung arbeitet,
ist der Hauptunterschied, der zwischen dieser Schaltung und der
in 2 gezeigten Schaltung beobachtet wird, der, daß der Innenwiderstand
der Last an der in dem System vorhandenen Struktur größer ist,
als der Innenwiderstand des Transistors (3), was eine Spannungsdifferenz
erzeugt, die zum Betätigen
des Transistors (3) ausreichend ist. Hier ist eine Pulsmodulation
nicht erforderlich. Die Eingangsspannung ist mit der Systemspannung
synchron und in Sperrrichtung.
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Das
hält den
Transistor (3) kontinuierlich und konstant im Übertragungsmodus.
Wenn die Eingangsspannung eliminiert ist, verwirklicht der Transistor
(3) keine Übertragung.
Da bei solchen Verwirklichungen kein logischer Befehl gegeben wird,
werden die Ein/Aus-Perioden des Silizium-Chips im Bereich von 4,5 μsec gehalten,
da die Verzögerungsstruktur
im elektronischen Medium vernachlässigbar ist. Während dieser
Periode ist die optimale Schaltzeit.
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Mehr
als eine LO und Transistor werden verwendet, um in der Leistungsschaltung
höhere
Stromwerte zu erhalten. Parallelbetrieb der Transistoren wird durch
simultane Betätigung
der Transistoren, an die die LOs angeschlossen sind, sichergestellt,
wodurch die von der Leistungsschaltung erhaltenen Stromwerte erhöht werden.
Vorläufiger
Zustand ist hier der simultane Betrieb der Transistoren.
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Der
Innentemperaturbereich des elektronischen Schaltmoduls ist im Vergleich
mit elektromagnetischen Relais höher.
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Die
untere und die obere Grenze der Berührungstemperatur sind –40°C und +150°C. Die anderen
Widerstände
sind begrenzt zwischen 3 und 5 Milliohm, selbst an der oberen Temperaturgrenze.
Dieser Unterschied ist ein entscheidendes Detail zur Unterscheidung
zwischen dem elektromagnetischen Relais und dem elektronischen Schaltmodul.
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Jeder
elektronische Schaltmodul ist zum Betrieb bei 12V, 24V, 42V Gleichspannung
der verfügbaren
Relais betreibbar. Die Tatsache, daß der Modul bei allen Arten
von Spannungsbändern
betreibbar ist, ergibt eine Flexibilität bei der Stromsteuerung während der
Herstellung, und da der Stromparameter für die Lagerung der hergestellten
Schalter anstelle der Spannungsparameter verwendet wird, ist die
Lagerung/Speicherung ganz wesentlich erleichtert. Im Falle, daß der Modul
bei höheren
Spannungen betrieben wird, wird der Transistor in der Treiberschaltung
durch einen Transistor ersetzt, der andere Spannungs- und Stromwerte
besitzt.
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Die
Schaltdauer in der elektronischen Schaltmodulschaltung wird in Mikrosekunden
ausgedrückt.
In Folge dieser kurzen Schaltdauer wird der Modul viel schneller
geschaltet und arbeitet viel effektiver.
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Dieses
schnelle Ansprechverhalten des Moduls minimiert die Verzögerungen
des Antriebssystems, das Befehle zu den elektromagnetischen Relais
und Spulen, insbesondere in ABS- und/oder ESR-Systemen sendet. Dieses
Verhalten eliminiert die Elektromagnetverzögerung und ermöglicht es dem
System, ein langsames Ansprechen nur in Folge mechanischer Verzögerungen
(Spulenrate der Beweglichkeit) zu geben, so daß die Verzögerungen soweit wie möglich minimiert
werden. Dieser Effekt beschleunigt die Ansprechzeit von ABS, ESB,
ASR und EBV um 10 bis 20%.
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Der
erfindungsgemäße Modul
trägt auch dazu
bei, im Vergleich zu elektromagnetischen Relais ein schnelleres
Ansprechen durch eine direkte Implementierung in ABS-, ESB-, ASR-Technologien, wie
sie in Antriebseinheiten verwendet werden, zu verwirklichen.
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In
der Treiberschaltung (7) wird zum Ansteuern des Transistors
(3) ein niedriger Strom in der Größe von Mikroamperes verwendet.
Wenn ein Strom von 100 mA, wie er zum Betrieb der elektromagnetischen
Relais erforderlich ist, in Betracht gezogen wird, führt der
Betrieb der Leistungsschaltungen mit dem erfindungsgemäßen Schaltmodul
zu einem Schwingen des Stromes. Da der elektronische Schaltmodul
durch niedrigen Strom und niedrige Spannung betrieben wird, zieht
er kein Risiko für
die menschliche Gesundheit nach sich. Außerdem ist es möglich, mehr
als eine Leistungsschaltung, die zueinander parallel geschaltet
sind, mit einer einzigen Antriebsschaltung zu aktivieren. In diesem
Falle wird der Modul als Schalter verwendet. Das wichtigste Detail
ist der gleichzeitige Betrieb der LOs; wenn andererseits jeder LO
unabhängig
arbeitet, nimmt die Leistungsschaltung nicht zu, sondern ab. Diese
unerwünschte
Bedingung wird durch Hinzufügen
einer RC-Schaltung zum System gelöst.
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Es
ist möglich,
den Modul in kleineren Bereichen oder als die Basis einer PCB (Printed
Circuit Board/gedruckte Schaltungskarte) zu verwenden. Der Modul
ist dadurch gekennzeichnet, daß er
in sehr kleinen Bereichen verwendet werden kann, wenn das erforderlich
ist.
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Diese
Eigenschaft wird von der SMD(Surface Mounted Device)- oder COB(Circuit
On Board)-Technik abgeleitet. Die elektronischen Elemente des Moduls
werden redesigned und in sehr kleinen körperlichen Bereichen von z.B.
einigen Quadratzentimetern angeordnet.
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Bei
einer anderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist der Modul
in PCB-Logik restrukturiert,
um ein Steuerpanelsystem zu schaffen. Dieser Modul funktioniert
gemeinsam mit dem Panel als Sicherung.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der elektronische Schaltmodul in
der Waffenindustrie verwendet, um elektronische Minen- und Warenlagersysteme
anzusteuern, um die Geschütztürme von
Panzern oder Flugzeugen zu bewegen, und bei allen Anwendungstypen, die
durch elektronmechanische Relais zu befehlen sind. Bei solchen Systemen
nimmt die mechanische Öffnungs/Verschluss-Geschwindigkeit
und die Schusszahl pro Zeiteinheit zu, da die Ansprechzeiten (Schaltung
ein/aus) und die Innenwiderstände
klein sind. Außerdem
werden verschiedene unerwünschte Bedingungen,
wie die Temperatur usw., die im System eintreten können, durch
einen Computer berechnet, und ein "Stop/Start"-Befehl kann zu einigen Schaltungselementen
gesandt werden.
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Der
erfindungsgemäße elektronische
Schaltmodul besitzt einen einfachen Aufbau, was seine Herstellung
und seinen Betrieb vereinfacht. Er kann anstelle des altbekannten
elektromagnetischen Relais ohne irgendwelche Modifikationen installiert
werden, und er kann auch bei neuen Vorrichtungen installiert werden,
ohne eine wesentliche Änderung
in der Produktionslinie zu erfordern.
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Zusätzlich hierzu
eliminiert der elektronische Schaltmodul korrosive Wirkungen bei
Fahrzeugen in Folge seiner hohen Effektivität und Ansprechgeschwindigkeit.
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Entsprechend
der Schnelligkeit seine Ansprechens erzeugt er keine Nachteile beim
Betrieb der Schaltung in Bezug auf Verschmutzung und übereinstimmende
Wirkungen bei der Energie des Systems.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltmodus, der direkt
ohne irgendwelche Modifikationen anstelle elektromagnetischer Gleichstromrelais,
wie sie bei unterschiedlichen Fahrzeugen verwendet werden, angebracht
werden kann. Der elektronische Schaltmodul (15) besteht
aus einem Kunststoffgehäuse
(1), das den Modul gegen äußere Umgebungsbedingungen schützt, einem
Aluminiumblock (2), der eine Überhitzung der elektronischen Schaltung
verhindert, einem Halbleiterschaltelementtransistor (3),
einer gedruckten Schaltungskarte (4), an der die elektronischen
Schaltungselemente angeordnet sind, einem Deckel (5), in
welchem die gedruckte Schaltungskarte vorgesehen ist und den Kontakten
(6) zur Herstellung des Anschlusses an die Leistungsschaltung.
(4)