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Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung zur Vermeidung des Abbrandes von elektrischen Kontakten eines elektromechanischen Schalters.
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Elektromechanische Schalter sind bekannt als fernbetätigte Schalter, bei denen in einem Steuerstromkreis über eine Steuerspannung an einer Erregerspule infolge der magnetischen Kraftwirkung eine Kraft auf einen Anker ausgeübt wird, der wiederum einen Kontakt in einem Laststromkreis öffnet oder schließt. Die elektromechanischen Schalter existieren je nach Einsatzbereich in verschiedenen Bauformen und mit unterschiedlichen Leistungsdaten, so beispielsweise als Kleinrelais zum Schalten von Strömen im mA-Bereich oder als Hochstromrelais in Kraftfahrzeugen mit Nennströmen bis zu 100 A. Daneben werden zum Übertragen großer Leistungen in der elektrischen Energietechnik als Schütz bezeichnete elektromechanische Schalter eingesetzt. Im Folgenden wird vereinfachend der Begriff Relais für alle vorgenannten Arten elektromechanischer Schalter verwendet.
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Bei diesen Relais beträgt die Lebensdauer der elektrischen Kontakte nur ein Bruchteil der Lebensdauer des elektromechanischen Kontaktantriebs. So beläuft sich laut Datenblattinformationen von konventionellen Relais die Kontaktlebensdauer auf nur 1/10 bis 1/100 der Lebensdauer des Kontaktantriebs. Beispielsweise müssen bei einem Relais, das auf Grund der Robustheit des elektromechanischen Antriebs in der Lage wäre, 20 Mio. Schaltspiele auszuführen, nach 200000 Schaltspielen die elektrischen Kontakte – sofern möglich – ersetzt werden.
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In Abhängigkeit der zu schaltenden Lastströme kann die Kontaktlebensdauer noch weit unter den Datenblattangaben liegen.
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Der Kontaktverschleiß wird dabei in erster Linie durch Kontaktabbrand infolge von Schaltfunken und Lichtbogenausbildung verursacht. Die Schaltfunkenbildung tritt sowohl beim Öffnungsvorgang als auch beim Schließvorgang des Relais auf und kann auch bei rein ohmscher Last sehr ausgeprägt sein, wenn hohe Ströme geschaltet werden. Die Lichtbogenausbildung ist vorwiegend beim Öffnen der Kontakte zu beobachten und tritt insbesondere beim Schalten induktiver Lasten stark in Erscheinung. Zu beachten ist dabei, dass wegen der Prellung der Kontakte auch der Schließvorgang eines Relais zu einer mehrfachen Kontaktunterbrechungen führt, bei denen sich Funken und Lichtbögen ausbilden können.
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Besonders kritisch sind Schaltvorgänge bei geschalteten Gleichspannungen, da eine Lichtbogenlöschung nicht wie in Wechselspannungssystemen durch einen Nulldurchgang des Laststromes begünstigt wird. Als typische DC-Systeme sind Bordnetzversorgungen in Fahrzeugen sowie Hochspannungs- und Hochstromkreise in DC-Elektroantrieben zu nennen.
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Der Kontaktabbrand begrenzt somit in unnötiger Weise die Betriebsdauer des elektromagnetischen Schalters und stellt einen nicht unerheblichen Kostenfaktor dar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, die Lebensdauer der elektrischen Kontakte eines elektromagnetischen Schalters zu verlängern und somit eine Angleichung an die längere Lebensdauer des elektromechanischen Kontaktantriebs zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schutzbeschaltung zur Vermeidung des Abbrandes von elektrischen Kontakten eines elektromechanischen Schalters gelöst, die eine aktive Schaltungsanordnung mit einem Halbleiter-Schaltelement aufweist, das zur Überbrückung der elektrischen Kontakte des elektromagnetischen Schalters den elektrischen Kontakten parallel geschaltet ist.
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Die erfindungsgemäße Schutzbeschaltung ist als Schaltung mit aktiven elektronischen Bauelementen ausgeführt, wobei ein aktives Halbleiter-Schaltelement zur Überbrückung der Relaiskontakte diesen parallel geschaltet ist. Die Ausführung als aktive Schaltung ermöglicht in Form des aktiven Halbleiterschalters und in Verbindung mit weiteren aktiven Bauelementen eine zeitlich exakt gesteuerte Ableitung des Schaltstromes sowie eine individuelle Anpassung an die Betriebsparameter des zu schützenden elektromagnetischen Schalters wie beispielweise an dessen Schaltspannung, Schaltstrom oder Schaltzeiten. Im Gegensatz zu einer rein passiven Beschaltung mit RC-Gliedern oder Dioden ist die aktive Schaltungsanordnung flexibel an die Betriebsparameter anpassbar.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, dass zur Unterdrückung von Schaltfunken und zur Vermeidung einer Lichtbogenbildung während der Einschaltzeit (Schließzeit einschließlich Prellzeit) und während der Ausschaltzeit (Öffnungszeit) des Relais ein Halbleiter-Schaltelement parallel zu den Relaiskontakten geschaltet ist, um diese in den Schaltphasen des Relais zu überbrücken. Das Halbleiter-Schaltelement ist in diesen Übergangsphasen zwischen den Relais-Schaltzuständen geschlossen, so dass sich Ausgleichsströme, beispielsweise infolge großer induktiver Lasten, über den Halbleiterschalter schließen können. Im Gegensatz zu konventionellen Schutzmechanismen, die auf eine Löschung eines bereits entstandenen Lichtbogens abzielen, werden in der vorliegenden Erfindung eine Funkenbildung und eine Lichtbogenentstehung von vornherein verhindert und damit der Kontaktverschleiß durch Abbrand vermieden.
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Als weiterer positiver Effekt stellt sich eine Reduzierung der elektromagnetischen Störfelder (EMV) ein, die bei einem Schaltvorgang von mechanischen Kontakten entstehen können. Insoweit kann die erfindungsgemäße Schutzbeschaltung auch in Betriebsumgebungen Anwendung finden, wo elektromagnetische Emissionen nicht auftreten dürfen.
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In bevorzugter Ausführung weist die aktive Schaltungsanordnung auf: Eine Schaltsignal-Aufbereitungseinheit zur Erfassung einer Spannung über einer Erregerspule des elektromagnetischen Schalters und zur Erzeugung eines dem geschlossenen und dem geöffneten Betriebszustand des elektromagnetischen Schalters jeweils eindeutig zugeordneten Schaltsignals, mindestens eine Triggerstufe zur Erkennung des Schaltsignals und zur Erzeugung eines Triggersignals sowie mindestens eine Timerschaltung zur Erzeugung eines unverzögerten und eines verzögerten Steuersignals für das Halbleiter-Schaltelement.
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Die Schaltsignal-Aufbereitungseinheit greift die Spannung über der Erregerspule des zu schützenden Relais ab und erzeugt daraus ein dem geschlossenen oder geöffneten Betriebszustand des elektromagnetischen Schalters eindeutig zugeordnetes Schaltsignal. Eine Triggerstufe erkennt das Schaltsignal und stellt als Ausgangssignal ein Triggersignal bereit. Die Timerschaltung erzeugt gleichzeitig mit dem Start des Timers ein Steuersignal und gibt nach Ablauf einer Verzögerungszeit ein weiteres Steuersignal aus.
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Vorteilhafterweise zeichnet sich die Schutzbeschaltung dadurch aus, dass die Schaltsignal-Aufbereitungseinheit eingangsseitig mit Spulenanschlüssen der Erregerspule verbunden ist, die Triggerstufe eingangsseitig mit dem Schaltsignalausgang der Schaltsignal-Aufbereitungseinheit verbunden ist, die Timerschaltung eingangsseitig mit dem Triggersignalausgang der Triggerstufe verbunden ist und das Halbleiter-Schaltelement mit dem Steuersignalausgang der Timerschaltung verbunden ist, so dass eine Änderung der erfassten Erregerspulenspannung durch das Schaltsignal angezeigt wird und mittels des Triggersignals einen Start der Timerschaltung auslöst und gleichzeitig mit dem Start der Timerschaltung ein Schließen des Halbleiter-Schaltelements und nach Ablauf einer Verzögerungszeit ein Öffnen des Halbleiter-Schaltelements bewirkt wird.
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Das von der Schaltsignal-Aufbereitungseinheit erzeugte und einem Betriebszustand des elektromagnetischen Schalters eindeutig zugeordnete Schaltsignal wird der Triggerstufe zugeführt. Da sich der Pegel des Schaltsignals in Abhängigkeit der von der Schaltsignal-Aufbereitungseinheit erfassten Erregerspulenspannung ändert, kann der der Signalpegel des Schaltsignals in der Triggerstufe derart ausgewertet werden, dass die Triggerstufe als Ausgangssignal ein Triggersignal zur Ansteuerung der nachfolgenden Timerschaltung ausgibt, sofern der Eingangspegel des Schaltsignals bestimmte Bedingungen erfüllt. Erhält die Timerschaltung von der Triggerstufe das Triggersignal, wird der Timer gestartet und gleichzeitig ein Steuersignal zum Schließen des Halbleiter-Schaltelements ausgegeben. Nach Ablauf der Verzögerungszeit erzeugt der Timer ein erneutes Steuersignal zum Öffnen des Halbleiter-Schaltelements.
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Dieser Schaltungsaufbau ermöglicht, dass während eines Ein- und Ausschaltvorgangs des Relais dessen Kontakte weitgehend spannungsfrei bleiben und somit der Funkenbildung und der Entstehung eines Lichtbogens entgegengewirkt wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist ein erster Signalpfad bestehend aus einer ersten Triggerstufe und einer ersten Timerschaltung parallel zu einem zweiten Signalpfad bestehend aus einer zweiten Triggerstufe und einer zweiten Timerschaltung angeordnet.
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Mit dieser Anordnung zweier paralleler Signalpfade zwischen dem Schaltsignalausgang der Schaltsignal-Aufbereitungseinheit und dem Halbleiter-Schaltelement können die Triggerstufe und die Timerschaltung in dem jeweiligen Signalpfad individuell auf die Betriebsparameter, insbesondere auf die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit des zu schützenden Relais abgestimmt werden.
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Bevorzugt ist die erste Triggerstufe derart ausgelegt ist, dass bei Erkennung des dem geschlossenen Zustand des elektromechanischen Schalters zugeordneten Schaltsignals das Triggersignal an die erste Timerschaltung ausgegeben wird und dass die zweite Triggerstufe derart ausgelegt ist, dass bei Erkennung des dem geöffneten Zustand des elektromechanischen Schalters zugeordneten Schaltsignals das Triggersignal an die zweite Timerschaltung ausgegeben wird.
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Die erste und die zweite Triggerstufe sind somit komplementär zueinander ausgeführt, so dass jeweils nur einer der beiden Signalpfade je nach Betriebszustand des elektromechanischen Schalters aktiv ist. Dabei erkennt die erste Triggerstufe ein dem geschlossenen Zustand des elektromechanischen Schalters zugeordnetes Schaltsignal und aktiviert daraufhin den nachgeschalteten ersten Timer. Die zweite Triggerstufe und damit der zweite Signalpfad bleiben inaktiv. Bei Erzeugung eines dem geöffneten Zustand des elektromechanischen Schalters zugeordneten Schaltsignals erkennt die zweite Triggerstufe dieses Signal und aktiviert daraufhin den nachgeschalteten zweiten Timer. Der erste Signalpfad bleibt jetzt inaktiv.
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Die erste Timerschaltung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Verzögerungszeit auf eine Einschaltzeit des elektromechanischen Schalters einstellbar ist und die zweite Timerschaltung ist derart ausgelegt, dass die Verzögerungszeit auf eine Ausschaltzeit des elektromechanischen Schalters einstellbar ist.
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Durch die Ausgestaltung mit zwei parallelen, komplementären Signalpfaden, wobei der erste Signalpfad während des Einschaltvorgangs und der zweite Signalpfad während des Ausschaltvorgangs aktiv ist, kann die Überbrückungszeitdauer genau an die für den jeweiligen Schaltvorgang spezifizierten Daten wie Anzugszeit, Prellzeit und Abfallzeit des zu schützenden Relais angepasst werden. Insbesondere können also die unterschiedlichen Zeitspannen des Einschaltvorgangs gegenüber denen des Ausschaltvorgangs berücksichtigt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an Hand eines Beispiels erläutert. Es zeigt die
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Fig.: ein funktionales Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzbeschaltung.
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Die Fig. zeigt in einem funktionalen Blockdiagramm ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schutzbeschaltung 2 zusammen mit einem zu schützenden Relais 4 (elektromechanischer Schalter). Das Relais 4 weist zum Öffnen und Schließen eines Laststromkreises 8 elektrische Kontakte 6 auf, die mittels einer Erregerspule 10 über einen Anker elektromechanisch bewegt werden. Die Schutzbeschaltung 2 umfasst als wesentliche Funktionsblöcke eine Schaltsignal-Aufbereitungseinheit 12, einen ersten Signalpfad bestehend aus einer erste Triggerstufe 14 und einer ersten Timerschaltung 16, einem zweiten Signalpfad bestehend aus einer zweiten Triggerstufe 18 und einer zweiten Timerschaltung 20 sowie ein Halbleiter-Schaltelement 22.
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Die Schaltsignal-Aufbereitungseinheit 12 erfasst eine über der Erregerspule 10 des Relais 4 abfallende Spulenspannung und erzeugt ein Schaltsignal 24, das parallel an die erste Triggerstufe 14 und an die zweite Triggerstufe 18 weitergeleitet wird. Das erzeugte Schaltsignal 24 wird dabei in der Schaltsignal-Aufbereitungseinheit 12 über die abgegriffene Erregerspulenspannung eindeutig dem Betriebszustand des Relais 4 zugeordnet. Beispielsweise entspricht dem eingeschalteten Relais 4 der Signalpegel „1” des Schaltsignals 24 und ein Schaltsignalpegel von „0” repräsentiert das ausgeschaltete Relais 4. Die Triggerstufen 14, 18 sind bezüglich der Erkennung des Schaltsignalpegels 24 komplementär ausgeführt, so dass je nach Schaltsignal 24 („1” oder „0”) entweder die erste oder die zweite Triggerstufe 14, 18 aktiv ist und jeweilige Triggersignale 26, 28 ausgibt. Das komplementäre Verhalten der Triggerstufen 14, 18 kann beispielsweise durch eine Invertierung des Schaltsignals 24 am Eingang einer der beiden Triggerstufen 14, 18 erfolgen.
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Die Triggerstufen 14, 18 stellen an ihrem jeweiligen Ausgang Triggersignale 26, 28 bereit, die den jeweiligen Timerschaltungen 16, 20 zugeführt werden, so dass nur die der jeweiligen Triggerstufe 14, 18 nachgeschaltete Timerschaltung 16, 20 aktiv ist. Dadurch wird erreicht, dass bei einem Einschaltvorgang, der durch das eindeutig zugeordnete Schaltsignal 24 mit dem Pegel „1” dargestellt ist, nur der erste Signalpfad mit der entsprechend den zeitlichen Einschaltparametern eingestellten Timerschaltung 16 aktiv ist. Der Ausschaltvorgang des Relais 4 wird durch ein Schaltsignal 24 mit dem Pegel „0” repräsentiert und es ist nur der zweiten Signalpfad mit der zweiten Timerschaltung 20 aktiv, wobei die Verzögerungszeit genau auf die Ausschaltzeit des Relais 4 abgestimmt werden kann.
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Die jeweils aktive Timerschaltung 16, 20 wiederum gibt ein Steuersignal 30, 32 an das Halbleiter-Schaltelement 22 weiter. Dabei wird gleichzeitig mit dem Empfang des Triggersignals 26, 28 ein Steuersignal 30, 32 zum Schließen des Halbleiterschalters 22 und nach Ablauf der Verzögerungszeit ein weiteres Steuersignal 30, 32 zum Öffnen des Halbleiterschalters 22 ausgegeben. So ist sichergestellt, dass die Relaiskontakte 6 während der Einschaltphase – durch die Ansteuerung des Halbleiterschalters über den ersten Signalpfad – und während der Ausschaltphase durch die Ansteuerung des Halbleiterschalters über den zweiten Signalpfad mit dem Halbleiterschalter 22 überbrückt werden. Da das Halbleiter-Schaltelement 22 nur in den Übergangsphasen zwischen geschlossenen und geöffneten Relaiskontakten 6 aktiv ist, also ein hoher Strom nur in recht kurzen Zeitabschnitten über den geschlossenen Halbleiter fließt, ist die vorliegende Schutzbeschaltung auch für Schaltströme mit mehreren kA geeignet. So können im Impulsbereich Schaltströme bis zu 2000 A verarbeitet werden, bei kaskadierender Anordnung von Halbleiter-Schaltelementen sogar bis zu 5000 A. Erfahrungsgemäß liegen die zu überbrückenden Schaltzeiten im Bereich von einigen Millisekunden, z. B 15 ms für die Einschaltzeit (inkl. Prellzeit) und 5 ms für die Ausschaltzeit.
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Bei den vorstehenden Ausführungen wurde davon ausgegangen, dass das Einschalten des Relais 4 stets mit dem Schließen der Kontakte 6 verbunden ist (Arbeitskontakt). Die vorliegende Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt, sondern umfasst auch Ausführungsformen, bei denen das Einschalten des Relais 4 ein Öffnen der Kontakte 6 zur Folge hat (Ruhekontakt).
