EP4236619A1 - Leistungselektronikbaugruppe und haustechnikgerät, insbesondere kochendwasserspeicher - Google Patents

Leistungselektronikbaugruppe und haustechnikgerät, insbesondere kochendwasserspeicher Download PDF

Info

Publication number
EP4236619A1
EP4236619A1 EP22200952.4A EP22200952A EP4236619A1 EP 4236619 A1 EP4236619 A1 EP 4236619A1 EP 22200952 A EP22200952 A EP 22200952A EP 4236619 A1 EP4236619 A1 EP 4236619A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
relay
power electronics
switching element
semiconductor switching
electronics assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22200952.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten HÜGE
Arkadiusz Wawer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Original Assignee
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stiebel Eltron GmbH and Co KG filed Critical Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Publication of EP4236619A1 publication Critical patent/EP4236619A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/40—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers
    • F24H15/407—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electrical switching, e.g. TRIAC
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/0252—Domestic applications
    • H05B1/0258—For cooking
    • H05B1/0269—For heating of fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/10—Control of fluid heaters characterised by the purpose of the control
    • F24H15/156—Reducing the quantity of energy consumed; Increasing efficiency
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/30—Control of fluid heaters characterised by control outputs; characterised by the components to be controlled
    • F24H15/355—Control of heat-generating means in heaters
    • F24H15/37—Control of heat-generating means in heaters of electric heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/20—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24H9/2007—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters
    • F24H9/2014—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters using electrical energy supply
    • F24H9/2021—Storage heaters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H2250/00—Electrical heat generating means
    • F24H2250/02—Resistances

Definitions

  • the present invention relates to a power electronics module for domestic appliances, in particular hot water tanks and boiling water tanks, and a corresponding domestic appliance.
  • Electrical water heaters are known. They are often used to provide heated or hot drinking water for daily needs. There are two main known forms of water heaters, instantaneous water heaters and water heaters. In both cases, an electric current flowing through heating elements is used to heat the drinking water.
  • Hot water tanks have a reservoir or tank in which a certain volume of drinking water is permanently provided at a set temperature.
  • the tank is thermally insulated as well as possible to minimize the heat losses from the provision of hot water.
  • the electrical power can be controlled or regulated via a relay which is able to switch the connected electrical load, ie the heating element, on or off.
  • a relay has the advantage that when it is closed it creates an almost loss-free electrical contact, so that even larger currents, such as those used to heat water, can be processed without significant losses. This has the advantage, particularly in the case of hot water storage tanks, that the switching element does not cause any heat losses and thus no losses in efficiency of the hot water device.
  • the mechanical service life is more than 10 7 switching cycles. Even with a current of 13 A, the electrical service life is only in the order of 10 5 switching cycles.
  • the maximum number of switching cycles under load is for an electric heater, in particular hot water devices such as rapid heaters, hot water storage tanks, boiling water devices, equivalent to a permissible controller switching hysteresis for a desired service life of the device.
  • a larger number of switching cycles is synonymous with a possible, lower hysteresis and vice versa - the achievable temperature control quality of the device depends directly on this hysteresis and thus on the number of switching cycles.
  • TRIACs Purely electronic semiconductor switching devices such as transistors, thyristors or so-called TRIACs are also known, which do not require any mechanically moving parts. As a result, they are not subject to mechanical wear, but have a comparatively high contact resistance and therefore produce current-proportional losses at this resistance, which lead to heating during operation. As a rule, this power loss must therefore be dissipated via cooling mechanisms in order to avoid impermissible heating of the semiconductor and the associated destruction. While the dissipation, for example in the case of instantaneous water heaters, can be carried out effortlessly via the flowing water to be heated, the dissipation of the power loss is difficult, particularly in the case of heavily insulated hot water storage tanks.
  • the object is achieved with the subject matter of claim 1. According to the invention, the object is also achieved with the subject matter of independent claim 10 . Preferred developments are specified in the dependent claims.
  • the voltage across the first relay at the time the first relay closes is in the low range, for example less than 1 V, so that the relay can be switched with virtually no power.
  • the quasi power-free switching of the relay avoids burning and the service life of the relay can be increased.
  • the inventors of the present invention have found that the number of switching cycles can be increased by at least a factor of 10 by supporting the semiconductor switching element. Experiments have shown a number of over 3 million switching cycles for commercially available relays for home appliances.
  • the resistance across the semiconductor switching element can be 20 m ⁇ , for example, in the conductive state. Since the line resistance of the closed first relay is significantly lower, almost all of the current to the electrical load will flow through the first relay and not the semiconductor switching element after the first relay has closed. This prevents the power loss that occurs almost exclusively at the semiconductor switching element.
  • the electrical consumer is in particular an ohmic heater, for example a tubular heater or a bare wire heater.
  • the increase in service life switching cycles according to the invention can lead to two improvements in the domestic appliance.
  • the service life of the building technology device can be extended if the previous switching distances are retained. This assumes that the other components of the home automation device are suitable for a longer service life.
  • the increase in the service life switching cycles of the first relay can be used to allow more frequent switching.
  • the frequency with which the relay is switched on or off is set in particular by hysteresis limits.
  • the invention particularly preferably makes it possible to maintain a hysteresis of 2 K or even less than 2 K. This is accompanied by an increase in comfort, since the desired temperature is maintained with a high level of accuracy.
  • the invention therefore makes it possible to combine the advantages of loss-free relays and wear-free semiconductor switching elements in order to allow greater convenience in the domestic appliance overall, without the efficiency and thus the cost-effectiveness of the domestic appliance being impaired.
  • the controller is further designed to end the actuation of the semiconductor switching element after the first relay has closed.
  • the first relay When the first relay is closed, only negligible power is passed through the semiconductor switching element, so that it is not necessary for the semiconductor switching element to be conductive; rather, the closed position of the first relay is sufficient for the operation of the electrical load.
  • the control must be carried out on the semiconductor element not permanently provide a control current, so that the overall efficiency of the domestic appliance is improved.
  • the power electronics assembly preferably also has a second relay that controls an electrical contact between a second live conductor and the electrical load, the controller being designed to close the second relay to switch on the electrical load before the semiconductor switching element is activated.
  • the second relay is connected to the second live conductor.
  • home technology devices are connected to the low-voltage network, which has two active or current-carrying conductors, namely a neutral conductor and a phase-carrying outer conductor.
  • the second relay therefore enables reliable shutdown, since the phase can be separated by the first relay or the second relay, regardless of the connection orientation on the low-voltage network, i.e. regardless of whether the phase forms the second current-carrying conductor or the first current-carrying conductor.
  • the closing of the second relay does not lead to the closing of an electrical circuit via the electrical load, so that the second relay is closed without voltage and without burning . For this reason it is not necessary to also provide a semiconductor switching element in parallel with the second relay.
  • the controller is preferably designed to activate the semiconductor switching element before the opening of the first relay in order to switch off the electronic load.
  • the controller is preferably designed to end the activation of the semiconductor switching element after the opening of the first relay and in particular before the opening of the second relay in order to switch off the electronic load.
  • the second relay can also be opened with no power and therefore without burning.
  • the semiconductor switching element preferably has a triac.
  • Triacs have a control electrode G that is in communication with the controller. When an ignition current is applied to the control electrode G, a load current is ignited between two main electrodes of the triac. The triac remains conductive until the holding current is undershot. Other semiconductor switching elements can also be used.
  • the first and/or the second relay are preferably designed as relays with a monostable switching state.
  • the relays are particularly preferably open as long as they are not energized by the controller. This has the advantage that the control current for closing the relay must be present so that there is a current-carrying contact with the electrical consumer. In the event of an error, the corresponding relays are therefore open and the unwanted flow of electrical current can be prevented.
  • the power electronics assembly preferably also has a galvanic isolation between the current-carrying conductor(s) and the controller.
  • the power electronics assembly preferably also has a fusible link in a connecting line of the controller and/or a smoothing capacitor between connecting lines of the controller.
  • a building technology device in particular a hot water device such as a quick heater, hot water storage tank, boiling water device.
  • the domestic appliance has a power electronics assembly according to the invention.
  • the household technology device therefore enables the same advantages to be obtained as were described for the power electronics assembly. It can also be combined with the configurations described as preferred to achieve the same advantages.
  • the power electronics assembly 1 shows a schematic and exemplary circuit diagram of a power electronics assembly 1 according to the invention.
  • the power electronics assembly 1 is designed, for example, as an assembly of a domestic appliance, in particular a hot water appliance such as a rapid heater, hot water storage tank, boiling water appliance, and controls or regulates the activation of an electrical consumer BHZ, for example a tubular heater or a bare wire heater .
  • the power electronics module 1 or the entire building services appliance is connected to two current-carrying conductors, for example of a low-voltage network, which are referred to here as phase or conductor L and neutral conductor N.
  • phase or conductor L phase or conductor
  • neutral conductor N neutral conductor
  • the electrical load BHZ is arranged between the two conductors L, N and can be disconnected or connected in the first conductor L or the second conductor N by an upstream relay K1 or K2. With a connection on both sides, this ensures that the live phase, i.e. the conductor L, is switched off before the electrical consumer BHZ.
  • a semiconductor switching element Q1 is arranged in parallel with the relay K1 in the first conductor L.
  • the semiconductor switching element Q1 is preferably in the form of a TRIAC.
  • a regulator or a controller 10 is arranged, which is electrically isolated from the conductors L, N. All known types of galvanic isolation are conceivable here, only one of which is shown as an example in the circuit diagram.
  • the controller 10 is designed in particular to close the relay K1 and the relay K2.
  • the relay K1 and/or the relay K2 are preferably relays with a monostable switching state, so that the relay or relays are open when no control current provided by the controller 10 is present. The relay or relays are only closed when the control current is applied.
  • a fusible link SLS and a smoothing capacitor are preferably provided upstream of the controller 10 .
  • the activated or closed contact takes over the current from the relay K1 via the semiconductor switching element Q1, the relay K1 being able to be opened without burning due to the closed or conducting semiconductor switching element Q1.
  • the semiconductor switching element Q1 is opened without wear. This opens the circuit and stops the flow of current.
  • the relay K2 can now be opened without voltage and without wear.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Leistungselektronikbaugruppe (1) eines Haustechnikgeräts, insbesondere Warmwassergeräts wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät, sowie ein zugehöriges Haustechnikgerät. Die Leistungselektronikbaugruppe weist auf: ein erstes Relais (K1), das einen elektrischen Kontakt zwischen einem ersten stromführenden Leiter (L) und einem elektrischen Verbraucher (BHZ), insbesondere einem ohmschen Verbraucher wie einem Heizelement, des Haustechnikgeräts steuert, ein Halbleiterschaltelement (Q1), das den elektrischen Kontakt zwischen dem ersten stromführenden Leiter (L) und dem elektrischen Verbraucher (BHZ) schaltet und parallel zu dem ersten Relais (K1) angeordnet ist, und eine Steuerung (10), die dazu ausgebildet ist, zum Einschalten des elektrischen Verbrauchers das Halbleiterschaltelement (Q1) anzusteuern bevor das erste Relais (K1) geschlossen wird.

Description

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

Claims (10)

  1. Leistungselektronikbaugruppe (1) eines Haustechnikgeräts, insbesondere Warmwassergeräts wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät, die aufweist:
    - ein erstes Relais (K1), das einen elektrischen Kontakt zwischen einem ersten stromführenden Leiter (L) und einem elektrischen Verbraucher (BHZ), insbesondere einem ohmschen Verbraucher wie einem Heizelement, des Haustechnikgeräts steuert,
    - ein Halbleiterschaltelement (Q1), das den elektrischen Kontakt zwischen dem ersten stromführenden Leiter (L) und dem elektrischen Verbraucher (BHZ) schaltet und parallel zu dem ersten Relais (K1) angeordnet ist, und
    - eine Steuerung (10), die dazu ausgebildet ist, zum Einschalten des elektrischen Verbrauchers das Halbleiterschaltelement (Q1) anzusteuern bevor das erste Relais (K1) geschlossen wird.
  2. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (10) weiter ausgebildet ist, die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements (Q1) nach dem Schließen des ersten Relais (K1) zu beenden.
  3. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiter aufweist:
    - ein zweites Relais (K2), das einen elektrischen Kontakt zwischen einem zweiten stromführenden Leiter (N) und dem elektrischen Verbraucher (BHZ) steuert,
    wobei die Steuerung (10) dazu ausgebildet ist, zum Einschalten des elektrischen Verbrauchers (BHZ) das zweite Relais (K2) zu schließen, bevor das Halbleiterschaltelement (Q1) angesteuert wird.
  4. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    wobei die Steuerung (10) dazu ausgebildet ist, zum Ausschalten des elektronischen Verbrauchers (BHZ) das Halbleiterschaltelement (Q1) vor dem Öffnen des ersten Relais (K1) anzusteuern.
  5. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 4,
    wobei die Steuerung (10) dazu ausgebildet ist, zum Ausschalten des elektronischen Verbrauchers (BHZ) die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements (Q1) nach dem Öffnen des ersten Relais (K1) und insbesondere vor dem Öffnen des zweiten Relais (K2) zu beenden.
  6. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterschaltelement (Q1) ein Triac aufweist.
  7. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste (K1) und/oder das zweite (K2) Relais als Relais mit monostabilem Schaltzustand ausgeführt ist.
  8. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiter eine galvanische Trennung zwischen dem bzw. den stromführenden Leitern (L, N) und der Steuerung (10) aufweist.
  9. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiter eine Schmelzlotsicherung (SLS) in einer Anschlussleitung der Steuerung (10) und/oder einen Glättungskondensator zwischen Anschlussleitungen der Steuerung (10) aufweist.
  10. Haustechnikgerät, insbesondere Warmwassergerät wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät mit einer Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
EP22200952.4A 2022-02-23 2022-10-11 Leistungselektronikbaugruppe und haustechnikgerät, insbesondere kochendwasserspeicher Withdrawn EP4236619A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022104244.8A DE102022104244A1 (de) 2022-02-23 2022-02-23 Leistungselektronikbaugruppe und Haustechnikgerät, insbesondere Kochendwasserspeicher

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4236619A1 true EP4236619A1 (de) 2023-08-30

Family

ID=84044497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22200952.4A Withdrawn EP4236619A1 (de) 2022-02-23 2022-10-11 Leistungselektronikbaugruppe und haustechnikgerät, insbesondere kochendwasserspeicher

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230266041A1 (de)
EP (1) EP4236619A1 (de)
DE (1) DE102022104244A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2835045A1 (de) * 1978-08-10 1980-02-21 Siegfried Pretzsch Mechanisch-elektronischer schalter
GB2193844A (en) * 1986-08-08 1988-02-17 Imi Pactrol Switching electrical loads using a fused em relay
CN103743111A (zh) * 2013-12-17 2014-04-23 青岛吉之美商用设备有限公司 一种功率可调的液体加热设备
EP2777468A2 (de) * 2013-03-11 2014-09-17 Whirlpool Corporation Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizeinrichtung
WO2018076044A1 (en) * 2016-10-28 2018-05-03 Rheem Australia Pty Limited A system, apparatus and method for efficient use of solar photovoltaic energy

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008006512A1 (de) 2008-01-29 2009-07-30 BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Hausgeräts und entsprechendes Verfahren
DE102008028202A1 (de) 2008-06-09 2009-12-10 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Schaltung zur Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers
DE102015120670A1 (de) 2015-11-27 2017-06-01 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Schaltgerät und Verfahren zum Ansteuern einer Schalteinrichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2835045A1 (de) * 1978-08-10 1980-02-21 Siegfried Pretzsch Mechanisch-elektronischer schalter
GB2193844A (en) * 1986-08-08 1988-02-17 Imi Pactrol Switching electrical loads using a fused em relay
EP2777468A2 (de) * 2013-03-11 2014-09-17 Whirlpool Corporation Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizeinrichtung
CN103743111A (zh) * 2013-12-17 2014-04-23 青岛吉之美商用设备有限公司 一种功率可调的液体加热设备
WO2018076044A1 (en) * 2016-10-28 2018-05-03 Rheem Australia Pty Limited A system, apparatus and method for efficient use of solar photovoltaic energy

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022104244A1 (de) 2023-08-24
US20230266041A1 (en) 2023-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69618605T2 (de) Elektrischer schalter
DE3431581A1 (de) Elektrischer Schalter
EP2707888B1 (de) Schaltvorrichtung
EP3762953B1 (de) Trennvorrichtung zur gleichstromunterbrechung eines strompfads, und bordnetz eines kraftfahrzeugs
WO1999017415A1 (de) Leistungsschaltereinrichtung zur energieversorgung und -verteilung
EP4236619A1 (de) Leistungselektronikbaugruppe und haustechnikgerät, insbesondere kochendwasserspeicher
DE4401670C2 (de) Anordnung zum Steuern der Heizenergiezufuhr zu den Heizwicklungen eines elektrischen Durchlauferhitzers
DE102006003124A1 (de) Verfahren zur Realisierung eines verbesserten thermomechanischen Überlastschutzes und zugehörige Überlastschutzeinrichtung
EP1604548B1 (de) Heizgerät mit einem schmiegsamen wärmeteil
EP0072566A2 (de) Elektrisches Schaltgerät mit Kontaktbrücke
DE3631226C2 (de)
DE2018896C3 (de) Temperaturregler
DE2253975A1 (de) Elektrischer schalter
DE821517C (de) Elektromagnetische Regeleinrichtung fuer Stromerzeuger
DE3331847A1 (de) Kabeltrommel
DE9414079U1 (de) Sicherheitsschaltungsanordnung mit wenigstens einem Not-Aus-Schalter
DE112017001436T5 (de) Lichtbogenunterdrückungsverbinder
EP0463687A2 (de) Schaltungsanordnung zur netzrückwirkungsarmen Leistungssteuerung
DE102005006953A1 (de) Schaltgerät mit PTC-Element
DE2832059A1 (de) Anordnung fuer die stromversorgung von zwei oder mehreren verbrauchern aus einer quelle
DE102022204949A1 (de) Ansteuerschaltung für ein Heizungssystem
EP2489949B1 (de) Blankdrahtdurchlauferhitzer mit allpolig schaltbarer Blankdrahtheizeinrichtung
DE658837C (de) Schutzanordnung fuer Gluehkathodenroehren, insbesondere Gluehkathodenstromrichter mit Gasfuellung
EP2023457A2 (de) Schaltvorrichtung und Verfahren zum Ansteuern eines Leistungsverbrauchers
DE102023212542A1 (de) Schutzschaltgerät

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20240228