DE4012470A1 - Einrichtung zum schonen von relaiskontakten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schonen von Relaiskontakten, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einer Stromquelle, mit einem elektrischen Verbraucher, mit einem Relais, zum Verbinden des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle, mit einer Halbleiterschalteinrichtung, die parallel zum Relais geschaltet ist, zum Verbinden des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle und mit einer Steuerschaltung für die Halbleiterschalteinrichtung, die die Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch die Halbleiterschalteinrichtung nach der Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch das Relais unterbricht.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 37 01 838 vorbekannt. Dort ist ein elektrischer Verbraucher einerseits über einen Schließerkontakt eines Relais mit einer Stromquelle verbindbar. Andererseits ist eine Halbleiterschalteinrichtung vorgesehen, die parallel zum Relais geschaltet ist und durch die der elektrische Verbraucher ebenfalls mit der Stromquelle leitend verbindbar ist. Die dortige Steuerschaltung ist ein Mikrorechner, der die Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch die Halbleiterschalteinrichtung nach der Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch das Relais unterbricht. Mit diesen Maßnahmen werden beim Trennen des elektrischen Verbrauchers von der Stromquelle die Schließerkontakte des dortigen elektromagnetischen Relais geschont, da sich an den Schließerkontakten kein Lichtbogen beim Öffnen der Kontakte bilden kann, weil zum Zeitpunkt des Öffnens der Relaiskontakte der elektrische Verbraucher über die Halbleiterschalteinrichtung noch mit der Stromquelle leitend verbunden ist. Durch diese Maßnahmen wird der, insbesondere bei 24-Volt-Relais in Kraftfahrzeugen, die Lebensdauer der elektromagnetischen Relais stark verkürzende Kontaktabbrand am Schließerkontakt des elektromagnetischen Relais vermieden. Die Relaiskontakte werden also geschont, so daß die Lebensdauer des Schließerkontakts des elektromagnetischen Relais aufgrund des fehlenden Lichtbogens stark gesteigert werden kann.

Die Steuerschaltung dieser vorbekannten Einrichtung zum Schonen von Relaiskontakten ist jedoch vergleichsweise aufwendig gestaltet, da sie einerseits sowohl den Schaltzustand des elektromagnetischen Relais und andererseits den Schaltzustand der Halbleiterschalteinrichtung steuert. Insbesondere um den beschriebenen Nachlauf beim Unterbrechen der Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle über die Halbleiterschalteinrichtung gegenüber der Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch das elektromagnetische Relais zu erzeugen, muß die dortige Steuerschaltung vergleichsweise aufwendig gestaltet sein. Eine Steuerung des dortigen elektromagnetischen Relais direkt durch einen normalen z. B. handbetätigten Schaltkontakt, wie dies auch häufig im Kraftfahrzeug üblich ist, ist bei der vorbekannten Schalteinrichtung kaum möglich.

Die Erfindung hat demzufolge die Aufgabe, eine Einrichtung zum Schonen von Relaiskontakten zu schaffen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und bei der die Schonung der Relaiskontakte ohne eine aufwendige elektronische Steuerschaltung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Relais einen Öffnerkontakt und einen Schließerkontakt aufweist, daß der elektrische Verbraucher mit einem der beiden Kontakte leitend verbunden ist und daß die Steuerschaltung durch den jeweils anderen Kontaktsatz steuerbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Wechslerkontaktrelais mit einem Öffnerkontakt und einem Schließerkontakt, weist die erfindungsgemäße Einrichtung ein Relais auf, bei dem unabhängig vom Schaltzustand jeweils einer der beiden Kontakte geschlossen ist und der andere der beiden Kontakte geöffnet ist.

Erfindungsgemäß wird der elektrische Verbraucher mit einem der beiden Kontakte leitend verbunden, wogegen der jeweils andere Kontakt mit der Steuerschaltung derart verbunden ist, daß durch den letztgenannten Kontakt die Steuerschaltung steuerbar ist.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es also möglich, über den nicht mit dem elektrischen Verbraucher verbundenen Kontakt und über die Steuerschaltung die Halbleiterschalteinrichtung zu steuern, so daß beim und kurz nach dem Öffnen des mit dem elektrischen Verbraucher verbundenen Kontakts die Halbleiterschalteinrichtung noch leitend gehalten wird. Erst wenn mit der durch die endliche Bewegungsgeschwindigkeit des Relaisankers bewirkten Verzögerung der mit der Steuerschaltung verbundene jeweils andere Kontakt geschlossen wurde, wird die Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch die Halbleiterschalteinrichtung unterbrochen. Während der kurzen Zeitdauer vom Öffnen des mit dem elektrischen Verbraucher verbundenen Kontakts und dem Schließen des mit der Steuerschaltung verbundenen Kontakts ist also die Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch das Relais unterbrochen, wogegen die Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch die Halbleiterschalteinrichtung noch aufrechterhalten wird. Dadurch kann sich beim Öffnen der mit dem elektrischen Verbraucher verbundenen Kontakte des einen Kontaktsatzes an diesen Kontakten kein Lichtbogen ausbilden, der zu einem Kontaktabbrand führt. Während dieser kurzen Zeitdauer wird der Laststrom des elektrischen Verbrauchers alleine durch die Halbleiterschalteinrichtung übernommen.

Durch die beschriebenen Maßnahmen wird mit gegenüber dem Vorbekannten einfachen und sicheren Mitteln der Kontaktabbrand der Lastkontakte der mit dem elektrischen Verbraucher verbundenen Kontakte verringert und damit werden diese Relaiskontakte des elektromagnetischen Relais geschont.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Schonen von Relaiskontakten gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Steuerschaltung die Halbleiterschalteinrichtung gemeinsam mit dem Relais einschaltet, um z. B. bei einem Prellen der Lastkontakte, d. h., der mit dem Verbraucher verbundenen Kontakte des elektromagnetischen Relais auch in diesem Falle die Ausbildung von Lichtbögen und damit die ungewollte Abnutzung der Lastkontakte des Relais zu vermeiden. Diese Schonung der Lastkontakte des Relais der erfindungsgemäßen Einrichtung beim Einschalten des Relais wird dadurch bewirkt, daß zugleich mit dem Relais die Halbleiterschalteinrichtung eingeschaltet wird, und daß, wenn durch Kontaktprellen die Lastkontakte noch einmal voneinander abheben, der Strom des elektrischen Verbrauchers durch die Halbleiterschalteinrichtung übernommen wird.

Aus dem gleichen Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn die Steuerschaltung die Halbleiterschalteinrichtung vor dem Relais einschaltet. Durch diese Maßnahme wird die Ausbildung eines Lichtbogens kurz vor dem Schließen der Lastkontakte des Relais beim Einschalten des Relais sicher vermieden.

Die Halbleiterschalteinrichtung kann vorteilhaft ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOS-FET, sein, weil derartige Feldeffekttransistoren sich durch geringe Übergangswiderstände in der Schaltstrecke auszeichnen und insofern ein Leistungsverlust am elektrischen Verbraucher bei alleiniger Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle über die Halbleiterschalteinrichtung vermieden wird. In diesem Zusammenhang kann zwischen dem Laststromkreis und dem Gate bzw. dem Steueranschluß des MOS-FETs eine Zehnerdiode geschaltet sein, um eine Beschädigung oder Zerstörung des Feldeffekttransistors durch eine Überspannung am Gate des Feldeffekttransistors zu vermeiden. Der MOS-FET kann vorteilhaft ein sogenannter N-Kanal-MOS-FET sein, der sich vor allem durch hohe elektrische Belastbarkeit auszeichnet. Es kann jedoch auch ein sogenannter P-Kanal-MOS-FET verwendet werden, der gegenüber dem N-Kanal-MOS-FET den Vorteil besitzt, daß er zur Steuerung des Gates durch die Steuerschaltung keine erhöhte Steuerspannung benötigt. Dafür ist die elektrische Belastbarkeit handelsüblicher P-Kanal-MOS-FETs zur Zeit noch geringer als die elektrische Belastbarkeit handelsüblicher N-Kanal-MOS-FETs.

Insbesondere bei der Verwendung bei P-Kanal-MOS-FETs ist es vorteilhaft, wenn die Steuerschaltung elektrische Zeitglieder, insbesondere Kondensatoren, aufweist, mit denen der beschriebene Vorlauf bzw. Nachlauf der Einschaltung des MOS-FETs relativ zum elektrischen Relais erzeugbar ist.

Wird als MOS-FET ein sogenannter N-Kanal-MOS-FET verwendet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Erzeugung der überhöhten Steuerspannung für das Gate des N-Kanal-MOS-FETs die Steuerschaltung eine sogenannte Boots-Trap-Schaltung aufweist. In diesem Zusammenhang kann die Boots-Trap-Schaltung elektrische Energiespeicher, insbesondere Kondensatoren, aufweisen, die die elektrische Energie zur Erzeugung der überhöhten Spannung bereitstellen. Ebenfalls in diesem Zusammenhang kann die Boots-Trap-Schaltung Zehnerdioden aufweisen, um mit diesen Zehnerdioden die Spannungsüberhöhung festzulegen.

Zum Schutz der Halbleiterschalteinrichtung gegen Überspannung kann vorteilhaft parallel zur Halbleiterschalteinrichtung eine Schutzdiode, insbesondere eine bidirektionale Zehnerdiode, vorgesehen sein, die insbesondere beim Kurzschluß des elektrischen Verbrauchers die Halbleiterschalteinrichtung vor Überspannung schützt.

Der elektrische Verbraucher kann mit dem Öffnerkontakt verbunden sein, so daß im Ruhezustand der erfindungsgemäßen Einrichtung der elektrische Verbraucher mit der Stromquelle über das elektromagnetische Relais verbunden ist. Der elektrische Verbraucher kann jedoch ebenso mit dem Schließerkontakt verbunden sein, so daß im Ruhezustand der erfindungsgemäßen Einrichtung der elektrische Verbraucher von der Stromquelle durch das elektromagnetische Relais getrennt ist. Die Wahl der Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit dem jeweiligen Kontakt ist abhängig von dem gewünschten Grundschaltzustand der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Der elektrische Verbraucher kann beispielsweise eine Induktivität aufweisen. Ist dies der Fall, so ist die erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere deshalb vorteilhaft verwendbar, weil aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften Induktivitäten Energie speichern und beim Öffnen der Relaiskontakte abgeben, so daß gerade diese Verbraucher zur Lichtbogenbildung an den Relaiskontakten neigen. Als elektrischer Verbraucher mit Induktivität kann der elektrische Verbraucher mindestens eine Glühkerze einer selbstzündenden Brennkraftmaschine sein, so daß die erfindungsgemäße Einrichtung als Teil einer Vorglüheinrichtung für Dieselbrennkraftmaschine verwendbar ist.

Andererseits ist es möglich, daß das Relais, die Halbleiterschalteinrichtung und die Steuerschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, so daß die erfindungsgemäße Einrichtung quasi als Ersatz z. B. für handelsübliche 24-Volt-Relais in Kraftfahrzeugen verwendet werden kann. Aufgrund der Einfachheit der Steuerschaltung ist dabei üblicherweise die Unterbringung der gesamten beschriebenen Einrichtung in einem Standardrelaisgehäuse möglich, so daß ohne Vergrößerung des Platzbedarfs eine Schalteinrichtung bereitgestellt wird, die große Lasten mit geringer Verlustleistung schaltet und bei der die Lastkontakte des lastschaltenden Relais gegen Kontaktabbrand geschützt sind und somit die Relaiskontakte geschont sind.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Schonen von Relaiskontakten sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit P-Kanal-MOS-FET, bei der der elektrische Verbraucher mit dem Schließerkontakt verbunden ist,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit N-Kanal-MOS-FET, bei der der elektrische Verbraucher mit dem Schließerkontakt verbunden ist,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit N-Kanal-MOS-FET, bei der der elektrische Verbraucher mit dem Öffnerkontakt verbunden ist,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit P-Kanal-MOS-FETs, bei denen der elektrische Verbraucher mit dem Öffnerkontakt verbunden ist und

Fig. 5 eine weitere erfindungsgemäße Einrichtung mit N-Kanal-MOS-FET, bei der der elektrische Verbraucher mit dem Öffnerkontakt eines Relais verbunden ist.

In der Fig. 1 weist ein elektromagnetisches Relais eine Relaisspule (RS), einen Öffnerkontakt (KO) und einen Schließerkontakt (KS) auf. Die mechanische Wirkverbindung zwischen der Relaisspule (RS) und dem Schaltkontakt, der entweder mit dem Öffnerkontakt (KO) oder dem Schließerkontakt (KS) zur Anlage kommt, ist in der Fig. 1 strichpunktiert dargestellt. Eine elektrische Last bzw. ein elektrischer Verbraucher (L) ist in der Fig. 1 einerseits über eine Klemme (KL87) mit dem Schließerkontakt (KS) des elektromagnetischen Relais und andererseits mit dem negativen Pol einer Stromquelle (B), die als Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet sein kann, leitend verbunden. Der Schaltkontakt des elektromagnetischen Relais ist über eine Klemme (KL30) mit dem positiven Pol der Kraftfahrzeugbatterie (B) leitend verbunden. Die beschriebenen Einrichtungsteile Stromquelle (B), Schaltkontakt und Schließerkontakt (KS) des elektromagnetischen Relais und Verbraucher (L) bilden den Laststromkreis der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Die Relaisspule (RS) des elektromagnetischen Relais ist einerseits über Klemme (KL30) mit dem positiven Pol der Stromquelle (B) leitend verbunden und andererseits über eine Klemme (KL86) mit einem Schalter (S) zum Steuern der erfindungsgemäßen Einrichtung leitend verbunden, der andererseits mit dem negativen Pol der Stromquelle (B) verbunden ist. Der Schalter (S) kann einerseits ein handbetätigter Schalter zum Verbinden der elektrischen Last (L) mit der Stromquelle (B) sein. Andererseits ist es möglich, den Schalter (S), z. B. durch eine Schalteinrichtung zu ersetzen, die z. B. durch eine Vorglüheinrichtung eines Kraftfahrzeugs steuerbar ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist weiterhin einen lastschaltenden Transistor oder eine Halbleiterschalteinrichtung (TL) auf, die gemeinsam mit einer Schutzdiode (SD1) zum Schutz der Schaltstrecke der Halbleiterschalteinrichtung gegen Überspannungen parallel zu den Lastkontakten des elektromagnetischen Relais im vorliegenden Ausführungsbeispiel den Schließerkontakt (KS) des Relais geschaltet ist. Die Halbleiterschalteinrichtung (TL) in Fig. 1 ist ein sogenannter P-Kanal-MOS-FET, dessen Gate durch eine erste Zehnerdiode (Z1) zur Begrenzung der Steuerspannung am Gate über die Klemme (30) mit dem positiven Pol der Stromquelle (B) leitend verbunden ist. Andererseits ist das Gate des P-Kanal-MOS-FETs (TL) in Fig. 1 mit dem Öffnerkontakt (KO) des elektromagnetischen Relais leitend verbunden.

Ein erster Widerstand (R1) ist einerseits mit dem Schließerkontakt (KS) und andererseits mit der Basis eines ersten Transistors (T1) leitend verbunden, dessen Schaltstrecke einerseits über eine Klemme (KL85) mit dem negativen Pol der Kraftfahrzeugbatterie (B) und andererseits über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Gate des P-Kanal-MOS-FETs (TL) und über einen dritten Widerstand (R3) und Klemme (KL30) mit dem positiven Pol der Kraftfahrzeugbatterie leitend verbunden ist. Der Öffnerkontakt (KO) des elektromagnetischen Relais ist noch mit einer Klemme (KL87a) leitend verbunden, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch unbeschaltet ist.

Die gesamte erfindungsgemäße Einrichtung ist durch eine gestrichelte Linie umgrenzt, die z. B. ein Gehäuse andeuten kann, in dem die erfindungsgemäße Einrichtung angeordnet ist. Die Verbindung der erfindungsgemäßen Einrichtung mit der übrigen Beschaltung z. B. eines Kraftfahrzeugs erfolgt über die beschriebenen Klemmen, deren Bezeichnung der in Deutschland gebräuchlichen Klemmenbezeichnung für elektromagnetische Relais entspricht. Durch die beschriebene Wahl der Klemmenbezeichnung wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Einrichtung einfach und vorteilhaft als Ersatz für herkömmliche elektromagnetische Relais verwendet werden kann, ohne daß zusätzliche Steuereingänge erforderlich wären.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig. 1 funktioniert folgendermaßen:

Im Ruhezustand, das heißt, bei geöffnetem Schalter (S) ist die Relaisspule (RS) unbestromt, so daß der Öffnerkontakt (KO) des elektromagnetischen Relais geschlossen ist. Das heißt, der elektrische Verbraucher (L) ist über den geöffneten Schließerkontakt (KS) von der Stromquelle (B) getrennt. In diesem Fall beträgt die Gate-Source-Spannung am P-Kanal-MOS-FET 0 Volt und der P-Kanal-MOS-FET (TL) ist gesperrt. Demzufolge bleibt die Last abgeschaltet und der Transistor (TL) gesperrt.

Zum Einschalten der Last (L) wird die Relaisspule (RS) über den geschlossenen Schalter (S) bestromt und der Schließerkontakt (KS) wird über Klemme (KL30) mit dem positiven Pol der Stromquelle (B) leitend verbunden. Das heißt, die elektrische Last (L) wird eingeschaltet. Zum Schutz des Schließerkontakts (KS) und zur Unterdrückung des Kontaktprellens wird im ersten Einschaltaugenblick der Transistor (TL) eingeschaltet. Dadurch steigt die Gate-Source-Spannung des Transistors (TL) maximal auf die Zehnerspannung der Zehnerdiode (Z1) an. Dadurch wird der P-Kanal-MOS-FET (TL) durchgeschaltet und das Kontaktprellen durch die Stromübernahme durch den Transistor (TL) unterdrückt.

Beim Abschalten des Relais durch Öffnen des Schalters (S) bleibt zur Verhinderung des Abschaltfunkens bzw. Lichtbogens am Schließerkontakt (KS) der P-Kanal-MOS-FET (TL) solange eingeschaltet bis der Öffnerkontakt (KO) geschlossen ist und über den dann geschlossenen Öffnerkontakt (KO) die Gate-Source-Anschlüsse des P-Kanal-MOS-FETs (TL) kurz geschlossen sind.

In der Fig. 2 sind gleiche oder gleichwirkende Einrichtungsteile wie in der Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 2 wird statt eines P-Kanal-MOS-FETs ein N-Kanal-MOS-FET (TL) verwendet. Die Schutzdiode (SD1) ist hier als bidirektionale Zehnerdiode ausgebildet. Das Gate des N-Kanal-MOS-FETs (TL) wird hier durch einen zweiten Transistor (T2), der ebenfalls als N-Kanal-MOS-FET ausgebildet ist, gesteuert, dessen Gate-Anschluß über einen dritten Widerstand (R3) einerseits mit dem Öffnerkontakt (KO) des elektromagnetischen Relais und andererseits über eine zweite Zehnerdiode (Z2) mit dem negativen Pol der Spannungsquelle (B) leitend verbunden ist. Der dritte Widerstand (R3) ist mit einem zweiten Widerstand (R2) zusätzlich verbunden, der durch den ersten Transistor (T1) steuerbar ist, dessen Basis über einen Widerstand (R1) mit dem Schließerkontakt (KS) des elektromagnetischen Relais verbunden ist. Die Schaltstrecke des ersten Transistors (T1) ist weiterhin über einen Widerstand (R4) und eine dritte Diode (D3) mit einer Klemme (KL15) leitend verbunden, die durch einen Zündanlaßschalter (S15) mit dem positiven Pol der Spannungsquelle (B) leitend verbindbar ist.

Zwischen Gate und Source des lastschaltenden Transistors (TL) ist eine Reihenschaltung eines ersten Kondensators (C1) und eines fünften Widerstands (R5) geschaltet, deren Verbindungspunkt über eine erste Diode (D1) mit der Klemme (KL15) und über eine zweite Diode (D2) mit einem dritten Transistor (T3), der ebenfalls als N-Kanal-MOS-FET ausgebildet ist, leitend verbunden. Das Gate dieses dritten Transistors (T3) wird durch den Schalter (S) über Klemme (KL86) gegebenenfalls mit der positiven Versorgungspannung (+) des Kraftfahrzeugbatterie (B) leitend verbunden. Die erste Diode (D1) ist über den Zündanlaßschalter (S15) mit dem positiven Pol der Stromquelle (B) verbindbar.

Als elektrischer Verbraucher (L) können bei dieser erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß Fig. 2 vorteilhaft Glühkerzen einer selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet werden. Wie in der Fig. 1 wird der Laststrom direkt über den Schließerkontakt (KS) des elektromagnetischen Relais der Kraftfahrzeugbatterie (B) über die Klemme (KL30) entnommen. Der Schaltzustand des Zündanlaßschalters (S15) dient hier neben dem Eingang an Klemme (KL86) des Schalters (S) zur Ansteuerung der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig. 2 funktioniert folgendermaßen:

Im in der Fig. 2 dargestellten, ausgeschalteten Zustand der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Last (L) von der Stromquelle (B) getrennt. In diesem Fall ist der dritte Transistor (T3) gesperrt und die Relaisspule (RS) des elektromagnetischen Relais unbestromt. Der zweite Transistor (T2) wird über den Ruhekontakt oder Öffnerkontakt (KO) des elektromagnetischen Relais leitend geschaltet, so daß der Gate-Anschluß des lastschaltenden Transistors (TL) auf 0 Volt liegt. Der erste Transistor (T1) ist ebenfalls gesperrt.

Zum Verbinden der elektrischen Last (L) mit der Stromquelle (B) wird zuerst durch Schließen der Schalter (S und S15) der dritte Transistor (T3) durchgeschaltet, so daß die Relaisspule (RS) bestromt wird. Dadurch wird der Öffnerkontakt (KO) des elektromagnetischen Relais geöffnet und der Schließerkontakt (KS) des elektromagnetischen Relais geschlossen. Im geschlossenen Zustand des Schließerkontakts (KS), bei dem die elektrische Last (L) mit der Stromquelle (B) leitend verbunden ist, wird der erste Transistor (T1) leitend, so daß der zweite Transistor (T2) sperrt. Dadurch wird der N-Kanal-MOS-FET (TL) durchgeschaltet und der Laststrom der elektrischen Kraft (L) verteilt sich parallel auf den Schließerkontakt (KS) und den lastschaltenden Transistor (TL).

Falls es nun zum Prellen des Schließerkontakts (KS) kommt, so kann der lastschaltende Transistor schützend vor Lichtbögen einwirken.

Die Dioden (D1 und D2) und der erste Kondensator (C1) sind Hauptbestandteile der sogenannten Boots-Trap-Schaltung zur Spannungsanhebung am Gate des N-Kanal-MOS-FETs (TL). Um Leckströme auszugleichen, wird kurzzeitig die Relaisspule (RS) über den dritten Transistor (T3) aus- und eingeschaltet, ohne daß der Schließerkontakt (KS) geöffnet wird. Die entstehende Spannungserhöhungen, werden zur Ansteuerung des N-Kanal-MOS-FETs (TL) benutzt.

Wird der Schalter (S) nun geöffnet, so bleibt der Halbleiterleistungsschalter (TL) solange leitend bis der Ruhekontakt oder Öffnerkontakt (KO) geschlossen ist. Durch diese Maßnahme werden ebenfalls Lichtbögen am Schließerkontakt (KS) vermieden, da während des Öffnens des Schließerkontakts (KS) bis zum Schließen des Öffnerkontakts (KO) der N-Kanal-MOS-FET (TL) zusätzlich leitend bleibt. Durch diese Maßnahmen erhöht sich wie auch im Falle der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß Fig. 1 die Lebensdauer des Relais um ein Vielfaches.

In der Fig. 3 sind gleiche oder gleichwirkende Einrichtungsteile wie in den Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In der Fig. 3 ist die Halbleiterschalteinrichtung (TL) ebenso wie in der Fig. 2 ein N-Kanal-MOS-FET. Die Schutzdiode (SD1) ist ebenfalls wie in der Fig. 2 eine bidirektionale Zehnerdiode. Anders als in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ist die elektrische Last (L) hier über Klemme (KL87a) einerseits mit dem Öffnerkontakt (KO) des elektromagnetischen Relais und andererseits mit dem negativen Pol (-) der elektrischen Stromquelle (B) leitend verbunden. Das Gate des N-Kanal-MOS-FETs (TL) ist einerseits mit einem achten Widerstand (R8) leitend verbunden, der mit einem zweiten Kondensator (C2), einem ersten Kondensator (C1) und einer dritten Zehnerdiode (Z3) leitend verbunden ist. Andererseits ist das Gate des N-Kanal-MOS-FETs (TL) mit der Schaltstrecke eines zweiten Transistors (T2) leitend verbunden, dessen Basis über einen Widerstand (R6) mit dem Schließerkontakt (KS) des elektromagnetischen Relais verbunden ist. Zwischen dem Emitter des zweiten Transistors (T2) der mit einer Relaisspule (RS) leitend verbunden ist und der Basis des zweiten Transistors (T2) ist noch ein siebter Widerstand (R7) geschaltet.

Die dritte Zehnerdiode (Z3) ist parallel mit der Klemme (KL30) der Schutzdiode (SD1) dem lastschaltenden Transistor (TL) und andererseits parallel mit dem ersten Kondensator (C1), dem achten Widerstand (R8) und dem zweiten Kondensator (C2) leitend verbunden. Parallel zur Relaisspule (RS) ist noch eine zweite Schutzdiode (ST2) geschaltet, die beim Öffnen des Schalters (S) die Einspeisung hoher in der Relaisspule (RS) gespeicherter Ströme in die erfindungsgemäße Einrichtung vermeiden soll.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig. 3 funktioniert folgendermaßen:

Wird die Relaisspule nicht angesteuert, das heißt, ist der externe Schalter (S) geöffnet, welcher die Klemme (KL86) mit der positiven Versorgungsspannung (+) verbinden kann, so ist der Öffnerkontakt (KO) des Relais geschlossen und die elektrische Last (L) über den Öffnerkontakt (KO) mit dem positiven Pol der Stromquelle (B) verbunden. In diesem Fall lädt sich der zweite Kondensator (C2) über die Zehnerdiode (Z3) und die Relaisspule (RS) auf, wogegen der erste Kondensator (C1) entladen bleibt. Ebenfalls ist in diesem Fall der zweite Transistor (T2) gesperrt, da Klemme (KL87) wegen des geöffneten Schließerkontakts Massebezug besitzt.

Wird der Schalter (S) geschlossen, so liegt die positive Versorgungsspannung (+) an Klemme (KL86) und die Relaisspule (RS) wird angesteuert. Dabei hebt sich das Potential am Verbindungspunkt von zweitem Kondensator (C2), achtem Widerstand (R8) und erstem Kondensator (C1) über die Betriebsspannung (UB) auf ca. UB plus die Durchbruchsspannung der Zehnerdiode (Z3) an. Gleichzeitig lädt sich der Kondensator (C1) auf die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung (UB) und der Spannung am genannten Verbindungspunkt auf. Begrenzt wird die Spannungsdifferenz durch die Zehnerdiode (Z3) auf den Wert ihrer Durchbruchsspannung. Da der zweite Transistor (T2) weiterhin gesperrt bleibt, liegt die Spannung des ersten Kondensators (C1) über den Widerstand (R8) auch zwischen Gate und Source des Transistors (TL) an und (TL) wird durchgeschaltet. Öffnet sich nur durch die Ansteuerung der Relaisspule (RS) der Öffnerkontakt (KO), so übernimmt der Transistor (TL) den Laststrom der elektrischen Last (L). Ist nach einer kurzen Übergangszeit der Schließerkontakt (KS) geschlossen, wird der zweite Transistor (T2) leitend und zieht das Gate des N-Kanal-MOS-FETs (TL) auf Massepotential. Dadurch sperrt der lastschaltende Transistor (TL) und der Laststrom wird abgeschaltet, das heißt, die elektrische Last (L) wird über den nunmehr geöffneten Öffnerkontakt (KO) und dem nunmehr gesperrten Transistor (TL) von der Stromquelle getrennt.

In diesem Betriebszustand lädt sich der erste Kondensator (C1) über die dritte Zehnerdiode (Z3) und Klemme (KL87a), die über den Lastwiderstand (L) Massepotential erhält, auf die positive Versorgungsspannung (UB) auf. Wird das Relais (RS) wieder abgeschaltet durch Öffnen des Schalters (S), so lädt sich der zweite Kondensator (C2) über die dritte Zehnerdiode (Z3) und die Relaisspule (RS) auf UB auf. Nach einer gewissen Zeit öffnet dann der Öffnerkontakt (KO) und der zweite Transistor (T2) sperrt wieder. Da auch diese Einrichtung mit einem N-Kanal-MOS-FET (TL) versehen ist, ist auch hier eine sogenannte Boots-Trap-Schaltung erforderlich. Über die Boots-Trap-Schaltung wird der Transistor (TL) in diesem Fall eingeschaltet, bis der Öffnerkontakt (KO) schließt und den Laststrom der elektrischen Last (L) übernimmt. Das Prellen des Kontakts wird dabei durch den Transistor (TL) überbrückt, welcher immer, wenn der Öffnerkontakt nicht geschlossen ist, den Laststrom aufrecht erhält.

In Fig. 4 sind gleiche oder gleichwirkende Einrichtungsteile wie in den Fig. 1 bis 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Statt eines lastschaltenden Transistors (TL) wie in den Fig. 1 bis 3 wird in der Figur die Parallelschaltung eines ersten Halbleiterleistungsschalters (TL1) mit einem zweiten Halbleiterleistungsschalter (TL2) verwendet, um noch größere Leistungen schalten zu können. Die Halbleiterschalteinrichtungen (TL1 und TL2) sind in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 1 als P-Kanal-MOS-FETs ausgebildet, die zur Steuerung über den Gate-Anschluß keine sogenannte Boots-Trap-Schaltung benötigen. Die Gate-Anschlüsse der P-Kanal-MOS-FETs (TL1 und TL2) werden gemeinsam durch den Schaltzustand des Schließerkontakts (KS) über eine fünfte Diode (D5) einen sechsten Widerstand (R6) und der P-Kanal-MOS-FET (TL1) über einen niederohmigen neunten Widerstand (R9) angesteuert. Zugleich sind die Gate-Anschlüsse der lastschaltenden Transistoren (TL1 und TL2) über einen siebten Widerstand (R7) und die Relaisspule (RS) und eine vierte Diode (D4) abhängig vom Schaltzustand des Schalters (S) zum Steuern der Einrichtung steuerbar. Die Schutzdiode (SD2), die parallel zur Relaisspule (RS) geschaltet ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel als bidirektionale Zehnerdiode ausgebildet und erfüllt die gleiche Aufgabe wie im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig. 4 funktioniert folgendermaßen:

Ist der Schalter (S) geschlossen, so daß die Relaisspule (RS) bestromt wird, so ist auch der Schließerkontakt (KS) des elektromagnetischen Relais geschlossen und die elektrische Last (L) ist über den geöffneten Öffnerkontakt (KO) von der Stromquelle (B) getrennt. In diesem Fall liegt über die fünfte Diode (D5) und den sechsten Widerstand (R6) bzw. den neunten Widerstand (R9) an den Gate-Anschlüssen der Halbleiterschalteinrichtungen (TL1 und TL2) nahezu die positive Versorgungspannung (UB) an. Das heißt, die lastschaltenden Transistoren (TL1 und TL2) sind gesperrt.

Wird der Schalter (S) geöffnet und damit die Relaisspule (RS) nicht mehr bestromt, so wird der Schließerkontakt (KS) geöffnet und das Potential an den Gate-Anschlüssen wird über die Widerstände (R6 und R7) negativer als das Source-Potential der Transistoren (TL1 und TL2). Dies führt zum Durchschalten der Transistoren (TL1 und TL2) noch bevor der Öffnerkontakt (KO) schließt und der elektrische Verbraucher (L) mit der Stromquelle verbunden wird. Die erste Zehnerdiode (Z1) dient hier zur Begrenzung der Potentialdifferenz zwischen den Gate und den Source-Anschlüssen der Transistoren (TL1 und TL2).

Wird der Schalter (S) wieder geschlossen, so wird die Relaisspule (RS) wieder bestromt und die Transistoren (TL1 und TL2) übernehmen beim Öffnen des Öffnerkontakts (KO) den Laststrom des elektrischen Verbrauchers (L) solange, bis der Schließerkontakt (KS) geschlossen ist. Nun wird die Gate-Source-Spannung der Transistoren (TL1 und TL2) wieder über die Dioden (D5) und den sechsten Widerstand (R6) kurzgeschlossen und die Transistoren wieder abgeschaltet.

In der Fig. 5 sind gleiche oder gleichwirkende Einrichtungsteile wie in den Fig. 1 bis 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Als Halbleiterschalteinrichtung kommt hier wieder ein N-Kanal-MOS-FET (TL) zur Anwendung. Die zweite Schutzdiode (SD2) ist als normale Diode ausgebildet und der Relaisspule (RS) parallel geschaltet. Der elektrische Verbraucher (L) ist mit dem Öffnerkontakt verbunden. Zur Ansteuerung des N-Kanal-MOS-FETs (TL) über den Gate-Anschluß ist wiederum eine sogenannte Boots-Trap-Schaltung erforderlich, die im wesentlichen durch den ersten Kondensator (C1) als Energiespeicher gebildet wird.

Die Steuerung des Schaltzustands des lastschaltenden Transistors (TL) erfolgt wieder abhängig vom Schaltzustand des Schalters (S) und vom Öffnungs- bzw. Schließzustand des Öffnerkontakts (KO) und des Schließerkontakts (KS). In diesem Zusammenhang ist eine sechste Diode (D6) vorgesehen, die zwischen die Schaltstrecke des ersten Transistors (T1) und die Basis des zweiten Transistors (T2) geschaltet ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig. 5 funktioniert folgendermaßen:

Ist der Schalter (S) geöffnet und damit die Relaisspule (RS) nicht bestromt, so ist der Öffnerkontakt (KO) des Relais geschlossen. In diesem Fall lädt sich der zweite Kondensator (C2) über die dritte Zehnerdiode (Z3) und die Relaisspule (RS) bis auf die Versorgungsspannung (UB) auf. Der erste Kondensator (C1) bleibt in diesem Zustand entladen. Der Transistor (T2) ist gesperrt, da Klemme (KL87) Massepotential aufweist und der erste Transistor (T1) durchgeschaltet ist.

Wird der Schalter (S) geschlossen, so wird die Relaisspule (RS) bestromt. Dadurch hebt sich das Potential am Verbindungspunkt des ersten Kondensators (C1) mit dem zweiten Kondensator (C2) der dritten Zehnerdiode (Z3) und dem achten Widerstand (R8) über die Betriebsspannung (+UB) auf ca. UB plus die Durchbruchsspannung der dritten Zehnerdiode (Z3) an. Gleichzeitig lädt sich der Kondensator (C1) auf die Spannungsdifferenz zwischen UB und der Spannung an dem genannten Verbindungspunkt auf. Da der zweite Transistor (T2) weiterhin gesperrt bleibt, liegt die Spannung von dem ersten Kondensator (C1) über den achten Widerstand (R8) auch zwischen Gate und Source des N-Kanal-MOS-FETs (TL) an und der N-Kanal-MOS-FET (TL) wird durchgeschaltet. Öffnet sich nun durch die Ansteuerung der Relaisspule (RS) der Öffnerkontakt (KO), so übernimmt der Transistor (TL) kurzzeitig den Laststrom, den vorher der geschlossene Öffnerkontakt (KO) von der Stromquelle (B) zum Verbraucher (L) geleitet hat.

Ist nach einer Übergangszeit der Schließerkontakt (KS) geschlossen, so wird der Transistor (T2) leitend und zieht das Gate von (TL) auf Masse. Dadurch schaltet der N-Kanal-MOS-FET den Laststrom ab und der erste Transistor (T1) sperrt.

Wird der Schalter (S) wieder geöffnet und dadurch die Relaisspule (RS) abgeschaltet, so bleibt der lastschaltende Transistor (TL) solange gesperrt, bis der Öffnerkontakt (KO) den Laststromkreis wieder schließt. Dabei wird der erste Transistor (T1) leitend und der zweite Transistor (T2) gesperrt, was dazu führt, daß der lastschaltende Transistor (TL) wieder eingeschaltet wird und beim Prellen des Öffnerkontakts (KO) den Laststrom übernimmt.

Die erforderliche Gate-Source-Spannung erhält der lastschaltende Transistor (TL) durch das Boots-Trap-Verfahren über den ersten Kondensator (C1).

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen:

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Schonen von Relaiskontakten kann mit einer Vielzahl von Halbleiterschalteinrichtungen, insbesondere mit MOS-FETs, aufgebaut werden. Dabei zeigen die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 4 die Verwendung von P-Kanal-MOS-FETs. Die Fig. 2, 3 und 5 zeigen die Verwendung von N-Kanal-MOS-FETs. Abhängig davon, mit welchem Kontakt der elektrische Verbraucher (L) verbunden ist, kann gemäß der Fig. 1 und 2 entweder der Schließerkontakt des Relais oder gemäß der Fig. 3 bis 5 der Öffnerkontakt des Relais geschützt werden. Durch Kombination der Merkmale der Fig. 1 und 2 und der Merkmale der Fig. 3 bis 5, ist es auch möglich, beide genannten Kontaktsätze eines Wechslerrelais zu schützen.

Bei allen genannten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Einrichtung wird durch den beschriebenen Nachlauf der Halbleiterschalteinrichtung nach dem Öffnen des Lastkontakts, das heißt, des Kontakts mit dem der elektrische Verbraucher verbunden ist, die Bildung von Lichtbogen vermieden und damit die Lebensdauer des verwendeten elektromagnetischen Relais um ein vielfaches erhöht. Gemäß der Ausführungsbeispiele der Fig. 1, 2 und 4 kann beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers (L) entweder gleichzeitig mit dem Schließen des Lastkontakts auch die Halbleiterschalteinrichtung durchgeschaltet werden, um bei einem Prellen des Lastkontaktsatzes die Bildung von Lichtbogen zu vermeiden.

Es ist jedoch auch möglich, gemäß der Ausführungsbeispiele 3 und 5 einen Vorlauf des Schließens des Halbleiterleistungsschalters vor dem Schließen des Lastkontakts vorzusehen, um auch vor dem eigentlichen Schließen des Lastkontakts des Relais eine starke Kontaktabnutzung zu vermeiden.

Die vorliegenden Ausführungsbeispiele machen deutlich, wie vielfältig die erfindungsgemäße Einrichtung ausgestaltet werden kann, um in nahezu jedem Benutzungsfall die Schonung der Relaiskontakte auf einfache und kostengünstige Art und Weise zu ermöglichen, ohne daß für die Steuerung der erfindungsgemäßen Einrichtung anders als beim Vorbekannten eine aufwendige, separate Steuerung der Relaisspule (RS) erforderlich wäre.

Claims (17)

1. Einrichtung zum Schonen von Relaiskontakten, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einer Stromquelle, mit einem elektrischen Verbraucher, mit einem Relais zum Verbinden des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle, mit einer Halbleiterschalteinrichtung, die parallel zum Relais geschaltet ist, zum Verbinden des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle und mit einer Steuerschaltung für die Halbleiterschalteinrichtung, die die Verbindungen des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch die Halbleiterschalteinrichtung nach der Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch das Relais unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (RS, KO, KS) einen Öffnerkontakt (KO) und einen Schließerkontakt (KS) aufweist, daß der elektrische Verbraucher (L) mit einem der beiden Kontakte leitend verbunden ist und daß die Steuerschaltung durch den jeweils anderen Kontaktsatz steuerbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung die Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch die Halbleiterschalteinrichtung (TL) gleichzeitig mit dem Relais (RS, KO, KS) herstellt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung die Verbindung des elektrischen Verbrauchers mit der Stromquelle durch die Halbleiterschalteinrichtung (TL) vor dem Relais (RS, KO, KS) herstellt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalteinrichtung ein Feldeffekttransistor (TL), insbesondere ein MOS-FET, ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Laststromkreis und dem Gate des MOS-FETs (DL) eine Zehnerdiode (Z1) geschaltet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-FET (TL) ein P-Kanal-MOS-FET ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung elektrische Zeitglieder, insbesondere Kondensatoren (C1), aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-FET (TL) ein N-Kanal-MOS-FET ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Boots-Trap-Schaltung aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Boots-Trap-Schaltung elektrische Energiespeicher, insbesondere Kondensatoren (C2), aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Boots-Trap-Schaltung Zehnerdioden (Z3) aufweist.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Halbleiterschalteinrichtung eine Schutzdiode (SD1), insbesondere eine bidirexionale Zehnerdiode, geschaltet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (L) mit dem Öffnerkontakt (KO) verbunden ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (L) mit dem Schließerkontakt (KS) verbunden ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (L) eine Induktivität aufweist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher mindestens eine Glühkerze einer selbstzündenden Brennkraftmaschine ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (RS, KO, KS), die Halbleiterschalteinrichtung (HL) und die Steuerschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.