WO2013020626A1 - Mechatronisches steckverbindersystem - Google Patents

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WO2013020626A1
WO2013020626A1 PCT/EP2012/002913 EP2012002913W WO2013020626A1 WO 2013020626 A1 WO2013020626 A1 WO 2013020626A1 EP 2012002913 W EP2012002913 W EP 2012002913W WO 2013020626 A1 WO2013020626 A1 WO 2013020626A1
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WO
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contact
plug
auxiliary
main
mechatronic
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/002913
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Strobl
Michael Naumann
Frank Gerdinand
Original Assignee
Ellenberger & Poensgen Gmbh
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Publication date
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Priority to JP2014524285A priority patent/JP5855750B2/ja
Priority to CA2844268A priority patent/CA2844268C/en
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Priority to US14/176,520 priority patent/US9478917B2/en

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/66—Structural association with built-in electrical component
    • H01R13/665—Structural association with built-in electrical component with built-in electronic circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/66—Structural association with built-in electrical component
    • H01R13/70—Structural association with built-in electrical component with built-in switch
    • H01R13/703—Structural association with built-in electrical component with built-in switch operated by engagement or disengagement of coupling parts, e.g. dual-continuity coupling part
    • H01R13/7036—Structural association with built-in electrical component with built-in switch operated by engagement or disengagement of coupling parts, e.g. dual-continuity coupling part the switch being in series with coupling part, e.g. dead coupling, explosion proof coupling
    • H01R13/7038—Structural association with built-in electrical component with built-in switch operated by engagement or disengagement of coupling parts, e.g. dual-continuity coupling part the switch being in series with coupling part, e.g. dead coupling, explosion proof coupling making use of a remote controlled switch, e.g. relais, solid state switch activated by the engagement of the coupling parts

Definitions

  • the invention relates to a mechatronic connector system having a main contact and a trailing at a Aussteckvorgang the main contact auxiliary contact and with a parallel to the auxiliary contact in series and the main contact semiconductor electronics for deleting a resulting in the course of Aussteckvorgangs arc. It further relates to a mechatronic multiple plug-in system in the manner of a multiple socket or power strip.
  • the semiconductor switch parallel thereto is de-energized when the main contact is plugged due to the current flow passing through it.
  • the square-wave generator is permanently in operation, the semiconductor switch is also permanently actuated, namely periodically switched on and off.
  • the invention is based on the object, a particularly suitable
  • mechatronic connector system specifies mechatronic connector system. Furthermore, a multiple plug-in system with a number of mechatronic connectors should be specified. With regard to the mechatronic plug-in connection system, the stated object is achieved according to the invention by the features of claim 1. Advantageous refinements and developments are the subject matter of the subclaims referenced hereto.
  • the mechatronic connector system comprises a main contact consisting of a main plug contact and a main counter contact, in particular a socket.
  • the plug connection system further comprises an auxiliary contact, which consists of an auxiliary plug contact and an auxiliary mating contact, in particular in the form of a plug socket.
  • a semiconductor electronics for deleting a resulting in the course of a Aussteckvorgangs arc is connected in series with the auxiliary contact, said series circuit is connected in parallel to the main contact.
  • the auxiliary contact rushes to the main contact by the main contact referred to below as the contact difference distance between the contact tip of the main plug contact and the contact end of the main counter contact, d. H. whose socket opening edge, in the case of a socket in the inserted state is lower than the auxiliary plug contact.
  • the semiconductor electronics used according to the invention have two series-connected semiconductor switches, preferably an IGBT and a MOSFET. Between the two semiconductor switches an energy storage is performed, which picks up the charge generated during the Aussteckvorgangs arc voltage between the semiconductor switches to charge it.
  • the main contact of the connector system also referred to below as a connector system, is connected in a forward or return conductor between a DC voltage source and a load or a load terminal.
  • the main plug-in contact is connected to the load or the load connection, while the main counter-contact is connected to the direct voltage source.
  • the auxiliary plug-in contact of the auxiliary contact connected in parallel to the main contact with the load or the load connection and the auxiliary mating contact via the semiconductor electronics and connected via the series connection of the two semiconductor switches with the DC voltage source (DC source).
  • a third contact is in turn connected directly to the DC voltage source with another plug contact connected to the load or load connection and a suitable contact also suitably designed in the form of a plug socket.
  • the third contact is connected in the return conductor when the main contact is in the outgoing conductor. Otherwise, the third contact is connected in the out-conductor, when the main contact is in the return conductor between the DC voltage source and the load or the load connection.
  • the third contact in the Aussteckvorgang, d. H. when opening or pulling the plug connection to the main contact.
  • the distance (contact difference) between the contact tip of the plug contact and the contact end of the mating contact, d. H. the socket opening edge in the case of a socket in the inserted state is greater than the main contact and, for example, equal to that of the auxiliary plug contact.
  • the multiple plug-in system has at least two connectors (connector systems), each with a main contact and each having an auxiliary contact, which lags the main contact during the Aussteckvorgang.
  • the or each connector may in turn have a third contact.
  • Its plug contact is suitably designed such that the third contact lags the auxiliary contact in the course of the Aussteckvorgangs.
  • the respective connector of the multiple plug-in system has in the parallel to the main contact current path with the series circuit of the semiconductor electronics and the auxiliary contact, in particular its auxiliary mating contact, a diode. This is the anode side connected to the semiconductor electronics and the cathode side to the auxiliary contact when the auxiliary contact and the semiconductor electronics on the plus side or parallel to the plus or Hintechnisch between the DC source and a load (load terminal) are connected.
  • the diodes of the other connectors prevent a short circuit of the semiconductor electronics plugged plug contacts of the other connectors from the Mehrfachstecksystem by a current flow is prevented in parallel to the semiconductor electronics via existing conductor connections and on the or the plugged main and auxiliary contacts of the multiple plug-in system.
  • FIG. 1 shows schematically a mechatronic connector system with a main contact and an auxiliary contact and a semiconductor electronics with two series-connected semiconductor switches and an energy storage
  • FIG. 1 in a representation according to FIG. 1 a plug connection system with an auxiliary contact leading additional third contact, FIG.
  • FIG. 3 shows a plug connection system according to FIG. 2 with an additional third contact following the main contact
  • Connectors each having a main contact, an auxiliary contact and a third contact, and a common to the connectors semiconductor electronics. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
  • the connectors or connector systems S, S n shown in FIGS. 1 to 4 are intended for applications in DC or DC networks with DC voltages from 15V to approximately 1500V and direct currents (DC) from 0.5A to approximately 50A.
  • arcs When subsequently referred to as Aussteckvorgang pulling or loosening the electrical connector (connector system) under load arcs may arise between the contacts when the source voltage about 15V and the current flowing through the one or more conductors in operation exceeds about 0.5A.
  • the contact system can be damaged by burnup and the insulating material due to the high temperatures of the arc plasma, which in turn can lead to consequential damage.
  • the connector 1 schematically shows a connector system S, referred to below as a connector, between a DC or DC voltage source. le (DC source) 2 and a load 3 or load group operated thereon with a source-side female unit 4 and a load-side connector unit 5 and with a wiring with a forward conductor 6 and a return conductor 7 for connecting the load 3 to the DC source 2.
  • the connector 1 comprises a main contact 8 with a main plug contact 8a and a main counter contact 8b in the form of a socket.
  • the socket unit 4 and the plug unit 5 are mechanically fixed, but releasably connected to each other.
  • the main contact 8 assigned to the outgoing conductor 6 in the exemplary embodiment is assigned an auxiliary contact 9 with an auxiliary plug contact 9a and an auxiliary mating contact 9b, which in turn is designed as a plug socket.
  • the main contact 8 and the auxiliary contact 9 are arranged within the socket and plug unit 4 and 5, respectively, such that the plug unit 5 together with the main plug contact 8a and the auxiliary plug contact 9a from the socket unit 4 with the main counter contact 8b and the auxiliary counter contact 9b in the course of a Aussteckvorgangs can be pulled out.
  • auxiliary contact 9 a semiconductor electronics 10 is connected in series, which is connected via an electrical connection or source-side bypass line 11 to the forward conductor 6.
  • auxiliary plug-in contact 9a is connected via an electrically conductive connection or load-side bypass line 12 to the main plug-in contact 8a and thus to the forward conductor 6.
  • the series connection of the semiconductor electronics 10 and the auxiliary contact 9 is thus connected in parallel to the main contact 8.
  • the main contact 8 and thus the main plug-in contact 8a longer than the auxiliary contact 9 and its auxiliary plug contact 9a.
  • the contact distance LH 3 of the main contact 8 (between the contact tip of the main plug contact 8a and the socket mating edge of the main mating contact 8b) is thus smaller than the contact distance L H i of the auxiliary contact 9 (between the contact tip of the contact tip of the auxiliary plug contact 9a and the socket mending edge of the auxiliary plug contact 9a).
  • the auxiliary contact 9 hurries after the main contact 8 in the course of a removal operation.
  • auxiliary plug-in contact 9a and the auxiliary mating contact 9b still mechanically and thus electrically connected, if during the Aussteckvorgangs the direct connection between the Hauptsteck token 8a and the main mating contact 8b of the main contact 8 is already solved and optionally bridged by an arc.
  • the semiconductor electronics 10 suitably comprises a series connection of a first semiconductor switch 10a in the form of an IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) and a second semiconductor switch 10b in the form of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
  • the two semiconductor switches 10a and 10b are connected to the base or gate side and via a tap 10c provided therebetween to a control circuit 10d, which contains an energy store 10e in the form of preferably a capacitor and a timer 10f.
  • the tap 10c between the two semiconductor switches 10a and 10b is connected to the energy store 10e.
  • the semiconductor switches 10a and 10b are locked and guided in the non-conductive state.
  • the flowing during the arc duration Current is passed through the auxiliary contact 9 and the semiconductor electronics 10 for the duration of the timer 10f, so that the arc can go out.
  • the contact difference AL H L H i - L Ha between the main and auxiliary contact 8 and 9 is dimensioned such that in the course of the Aussteckvorgangs between the main plug contact 8a and the main counter contact 8b, an arc may occur.
  • the contact distance L H i and L Ha are the distance between the respective contact tip of the plug-in contact 8a, 9a and the mouth or socket edge of the associated mating contact 8b or 9b.
  • the amount of the contact difference ALH is dimensioned such that in the case of an arc in the main contact 8 sufficient time remains to delete this and to block the flow of current. Thus, no further arc in the auxiliary contact 9 between the auxiliary plug and auxiliary mating contact 9a and 9b arise.
  • the timer 10f of the semiconductor electronics 10 is dimensioned such that at typical pulling speeds of the Aussteckvorgangs and depending on the source voltage and the load 3 the mechatronic connector system 1 to complete mechanical separation of all contacts 8, 9 sufficient time remains.
  • the mechatronic connector system 1 comprises a third contact 13 with, in turn, a plug contact 13a and a mating contact 13b likewise designed as a socket.
  • the third contact 13 is integrated with the mating contact 13b together with the main and auxiliary mating contact 8b or 9b in the socket unit 4 and with its plug contact 13a together with the main and auxiliary plug contact 8a and 9a in the plug unit 5.
  • the third contact 13 is in the present embodiment in the return conductor. 7
  • the third contact 13 has a smaller contact distance L Ha than the auxiliary contact 9 and the same with the main contact 8, in the embodiment according to FIG. dance the third contact 13 equal to the contact distance L H i of the auxiliary contact 9.
  • the male or female contacts 8a, 9a and / or 13a equal length and the mating contacts (sockets) 8b, 9b and 13b correspond to be designed differently long.
  • the multiple plug-in system S n shown schematically in FIG. 4 comprises a plurality of plug connectors Si, S 2, S 3 , wherein further possible plug-in connectors S may be present.
  • the connectors Si ... n are connected together to the DC source 2.
  • Each of the connectors Si n is assigned a load 3.
  • Also common to all connectors Si ... n the only semiconductor electronics 10, which comprises analogous to Fig. 1, a series circuit with the two semiconductor switches 10a and 10b and the energy storage device 10d and the timer 10f of the control unit 10e.
  • the main contacts 8 of the connector Si ... n are connected via a line 14 to the forward conductor 6.
  • the auxiliary contacts 9 of all connectors Si ... n with the bypass line 1 1, 12 and thus the electronics 10 are connected via a line 15.
  • the third contacts 13 of all connectors Si n are connected to the return conductor 7.
  • a diode 17 is assigned to the auxiliary contact 9 of each plug connector Si n . This is integrated into the respective female connector unit 4, 5 and thereby suitably in the socket unit 4.
  • the respective diode 17 is connected on the anode side to the semiconductor electronics 10 and on the cathode side to the auxiliary mating contact 9a of the auxiliary contact 9 of the respective connector Si ... n .
  • the diodes 17 of the other connectors Si, S2, S3 prevent a short circuit of the semiconductor electronics 10 via inserted plug contacts 8, 9, 13 of the other connectors Si, S2, S3 from the multiple plug-in system S n , since no current flow is parallel to the semiconductor electronics 10 from the lines 14 to the line 15 via the inserted main and auxiliary contacts 8, 9 and / or 13 is possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft mechatronisches Steckverbindersystem (S) mit einem Hauptkontakt (8) und einem bei einem Aussteckvorgang nacheilenden Hilfskontakt (9) sowie mit einer mit dem Hilfskontakt (9) in Reihe und mit dem Hauptkontakt (8) parallel geschalteten Halbleiterelektronik (10) zur Löschung eines im Zuge des Aussteckvorgangs entstehenden Lichtbogens, wobei die Halbleiterelektronik (10) zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter (10a, 10b) und einen mit den Halbleiterschaltern (10a, 10b) verbundenen Energiespeicher (10e) aufweist, der zum Aufladen die im Zuge des Aussteckvorgangs entstehende Lichtbogenspannung zwischen den Halbleiterschaltern (10a, 10b) abgreift. Sie betrifft weiter ein Mehrfachstecksystem (Sn) mit mindesten zwei Steckverbindern (S) mit jeweils einem Hauptkontakt (8) und einem nacheilenden Hilfskontakt (9) sowie mit einer den Steckverbindern (S) gemeinsamen Halbleiterelektronik (10), die mit jedem der Hilfskontakte (9) über eine Diode (17) in Reihe geschaltet ist.

Description

Beschreibung
Mechatronisches Steckverbindersystem
Die Erfindung betrifft ein mechatronisches Steckverbindersystem mit einem Hauptkontakt und mit einem bei einem Aussteckvorgang dem Hauptkontakt nacheilenden Hilfskontakt sowie mit einer mit dem Hilfskontakt in Reihe und mit dem Hauptkontakt parallel geschalteten Halbleiterelektronik zur Löschung eines im Zuge des Aussteckvorgangs entstehenden Lichtbogens. Sie betrifft weiter ein mechatronisches Mehrfachstecksystem nach Art einer Mehrfachsteckdose oder Steckdosenleiste.
Aus der DE 102 25 259 B3 ist ein elektrischer Steckverbinder mit einem Hauptkontakt und mit einem im Zuge eines Aussteckvorgangs diesem nacheilenden Hilfskontakt sowie mit einem Halbleiterschaltelement in Form eines Transistors oder Thyristors bekannt, der mit dem Hilfskontakt in Reihe und zu dem Hauptkontakt parallel geschaltet ist. Das Halbleiterschaltelement wird mittels eines Rechteckgenerators sowohl bei gestecktem als auch bei gelöstem (gezogenem) Hauptkontakt dauerhaft angesteuert und dabei periodisch ein- und ausgeschaltet. Das Halbleiterschaltelement wird geöffnet, bevor der Hilfskontakt getrennt wird, wobei der über das Halbleiterschaltelement fließende Strom noch zeitlich vor einer Kontakttrennung am Hilfskontakt abgeschaltet oder zumindest reduziert wird, so dass kein stabiler Lichtbogen entstehen kann.
Zwar ist bei gestecktem Hauptkontakt aufgrund des über diesen geführten Stromflusses der hierzu parallele Halbleiterschalter stromlos. Da jedoch der Rechteckgenerator dauerhaft in Betrieb ist, wird auch der Halbleiterschalter dauerhaft betätigt, nämlich periodisch ein- und ausgeschaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes
mechatronisches Steckverbindungssystem anzugeben. Des Weiteren soll ein Mehrfachstecksystem mit einer Anzahl mechatronischer Steckverbindungen angegeben werden. Bezüglich des mechatronischen Steckverbindungssystems wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Das mechatronische Steckverbindungssystem umfasst einen Hauptkontakt, der aus einem Hauptsteckkontakt und einem Hauptgegenkontakt, insbesondere einer Steckbuchse, besteht. Das Steckverbindungssystem umfasst des Weiteren einen Hilfskontakt, der aus einem Hilfssteckkontakt und einem Hilfsgegenkontakt, insbesondere wiederum in Form einer Steckbuchse, besteht. Eine Halbleiterelektronik zur Löschung eines im Zuge eines Aussteckvorgangs entstehenden Lichtbogens ist mit dem Hilfskontakt in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung dem Hauptkontakt parallelgeschaltet ist. Im Zuge des Aussteckvorgangs eilt der Hilfskontakt dem Hauptkontakt nach, indem beim Hauptkontakt der nachfolgend als Kontaktdifferenz bezeichnete Abstand zwischen der Kontaktspitze des Hauptsteckkontakts und dem Kontaktende des Hauptgegenkontaktes, d. h. dessen Buchsenöffnungskante, im Falle einer Steckbuchse im gesteckten Zustand geringer ist als beim Hilfssteckkontakt.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Halbleiterelektronik weist zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter, vorzugsweise einen IGBT und einen MOSFET, auf. Zwischen die beiden Halbleiterschalter ist ein Energiespeicher geführt, der zu dessen Aufladung die im Zuge des Aussteckvorgangs erzeugte Lichtbogenspannung zwischen den Halbleiterschaltern abgreift.
Der Hauptkontakt des nachfolgend auch als Steckverbinder bezeichneten Steckverbindungssystems ist in einen Hin- oder Rückleiter zwischen einer Gleichspannungsquelle und einer Last oder einem Lastanschluss geschaltet. Dabei ist der Hauptsteckkontakt mit der Last bzw. dem Lastanschluss verbunden, während der Hauptgegenkontakt mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Analog ist der Hilfssteckkontakt des dem Hauptkontakt parallelgeschalteten Hilfskontaktes mit der Last bzw. dem Lastanschluss und der Hilfsgegenkontakt über die Halbleiter- elektronik und hierbei über die Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter mit der Gleichspannungsquelle (DC-Quelle) verbunden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist ein dritter Kontakt mit wiederum einem mit dem Last bzw. Lastanschluss verbundenen Steckkontakt und einem geeigneterweise ebenfalls in Form einer Steckbuchse ausgeführten Gegenkontakt unmittelbar mit der Gleichspannungsquelle verbunden. Dabei ist der dritte Kontakt in den Rückleiter geschaltet, wenn der Hauptkontakt im Hinleiter liegt. Andernfalls ist der dritte Kontakt in den Hinleiter geschaltet, wenn der Hauptkontakt sich im Rückleiter zwischen der Gleichspannungsquelle und der Last bzw. dem Lastanschluss befindet.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung dieser Weiterbildung eilt der dritte Kontakt beim Aussteckvorgang, d. h. beim Öffnen oder Ziehen der Steckverbindung dem Hauptkontakt nach. Hierzu ist analog der Abstand (Kontaktdifferenz) zwischen der Kontaktspitze des Steckkontaktes und dem Kontaktende des Gegenkontaktes, d. h. dessen Buchsenöffnungskante im Falle einer Steckbuchse, im gesteckten Zustand größer als beim Hauptkontakt und beispielsweise gleich demjenigen des Hilfssteckkontaktes.
Die auf das mechatronische Mehrfachstecksystem bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Das Mehrfachstecksystem weist mindestens zwei Steckverbinder (Steckverbindersysteme) mit jeweils einem Hauptkontakt und jeweils einem Hilfskontakt auf, der beim Aussteckvorgang dem Hauptkontakt nacheilt. Der oder jeder Steckverbinder kann wiederum einen dritten Kontakt aufweisen. Dessen Steckkontakt ist geeigneterweise derart ausgestaltet, dass der dritte Kontakt dem Hilfskontakt im Zuge des Aussteckvorgangs nacheilt. Der jeweilige Steckverbinder des Mehrfachstecksystems weist in dem zum Hauptkontakt parallelen Strompfad mit der Reihenschaltung aus der Halbleiterelektronik und dem Hilfskontakt, insbesondere dessen Hilfsgegenkontakt, eine Diode auf. Diese ist anodenseitig mit der Halbleiterelektronik und kathodenseitig mit dem Hilfskontakt verbunden, wenn der Hilfskontakt und die Halbleiterelektronik auf der Plusseite bzw. parallel zur Plus- oder Hinleitung zwischen der DC-Quelle und einer Last (Lastanschluss) geschaltet sind.
Beim Aussteckvorgang verhindern die Dioden der anderen Steckverbinder einen Kurzschluss der Halbleiterelektronik über gesteckte Steckkontakte der anderen Steckverbinder aus dem Mehrfachstecksystem, indem ein Stromfluss parallel zur Halbleiterelektronik über vorhandene Leiterverbindungen sowie über den oder die gesteckten Haupt- und Hilfskontakte des Mehrfachstecksystem unterbunden wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch ein mechatronisches Steckverbindungssystem mit einem Hauptkontakt und einem Hilfskontakt sowie einer Halbleiterelektronik mit zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern und einem Energiespeicher,
Fig. 2 in einer Darstellung gemäß Fig. 1 ein Steckverbindungssystem mit einem dem Hilfskontakt voreilenden zusätzlichen dritten Kontakt,
Fig. 3 ein Steckverbindungssystem gemäß Fig. 2 mit einem dem Hauptkontakt nacheilenden zusätzlichen dritten Kontakt, und
Fig. 4 ein mechatronisches Mehrfachstecksystem mit einer Anzahl von
Steckverbindern (Steckverbindungssystemen) mit jeweils einem Hauptkontakt, einem Hilfskontakt und einem dritten Kontakt sowie mit einer den Steckverbindern gemeinsamen Halbleiterelektronik. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Steckverbinder bzw. Steckverbindersysteme S, Sn sind für Anwendungen in Gleichspannungs- bzw. Gleichstromnetzen mit Gleichspannungen von 15V bis ca. 1500V und Gleichströmen (DC) von 0,5A bis ca. 50A vorgesehen.
Beim nachfolgend als Aussteckvorgang bezeichneten Ziehen oder Lösen des elektrischen Steckverbinders (Steckverbindersystems) unter Last können zwischen den Kontakten Lichtbögen entstehen, wenn die Quellspannung ca. 15V und der über den oder die Leiter fließende Strom im Betrieb ca. 0,5A überschreitet. Zusätzlich zu einer unmittelbaren Personengefährdung können das Kontaktsystem durch Abbrand und das Isoliermaterial aufgrund der hohen Temperaturen des Lichtbogenplasmas beschädigt werden, was wiederum zu Folgeschäden führen kann.
Bei der Konzeption eines derartigen DC-Steckverbindersystems mit integrierter Lichtbogenunterdrückung ist zudem zu berücksichtigen, dass ein Lichtbogen erst bei einer gewissen Lichtbogenlänge verlöschen kann und die zum Erreichen dieser Lichtbogenlänge endliche Zeit abhängig ist von der Geschwindigkeit der Ziehbewegung während des Aussteckvorgangs und der Quellspannung sowie der Last und dem Kontaktmaterial.
Diese konzeptionellen Bedingungen werden mit den erfindungsgemäßen Steckverbindersystemen (Fig. 1 bis 3) und dem Mehrfachstecksystem (Fig. 4) nicht nur zuverlässig, sondern auch in einfacher Weise und mit praktisch minimalen Leistungsverlusten erfüllt. Das Steckverbindersystemen (Fig. 1 bis 3) bzw. das Mehrfachstecksystem (Fig. 4) ist insbesondere für Installationssyteme vorteilhaft geeignet.
Fig. 1 zeigt schematisch ein nachfolgend kurz als Steckverbinder bezeichnetes Steckverbindersystem S zwischen einer Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquel- le (DC-Quelle) 2 und einer an dieser betriebenen Last 3 oder Lastgruppe mit einer quellenseitigen Buchseneinheit 4 und einer lastseitigen Steckereinheit 5 sowie mit einer Verkabelung mit einem Hinleiter 6 und einem Rückleiter 7 zur Verbindung der Last 3 mit der DC-Quelle 2. Der Steckverbinder 1 umfasst einen Hauptkontakt 8 mit einem Hauptsteckkontakt 8a und einem Hauptgegenkontakt 8b in Form einer Steckbuchse. Die Buchseneinheit 4 und die Steckereinheit 5 sind mechanisch fest, jedoch lösbar miteinander verbunden.
Dem im Ausführungsbeispiel dem Hinleiter 6 zugeordneten Hauptkontakt 8 ist ein Hilfskontakt 9 mit einem Hilfssteckkontakt 9a und einem wiederum als Steckbuchse ausgeführten Hilfsgegenkontakt 9b zugeordnet. Der Hauptkontakt 8 und der Hilfskontakt 9 sind innerhalb der Buchsen- und Steckereinheit 4 bzw. 5 derart angeordnet, dass die Steckereinheit 5 zusammen mit dem Hauptsteckkontakt 8a und dem Hilfssteckkontakt 9a aus der Buchseneinheit 4 mit dem Hauptgegenkontakt 8b und dem Hilfsgegenkontakt 9b im Zuge eines Aussteckvorgangs herausgezogen werden kann.
Mit dem Hilfskontakt 9 ist eine Halbleiterelektronik 10 in Reihe geschaltet, die über eine elektrische Verbindung oder quellenseitige Bypassleitung 11 mit dem Hinleiter 6 verbunden ist. Analog ist der Hilfssteckkontakt 9a über eine elektrisch leitende Verbindung bzw. lastseitige Bypassleitung 12 mit dem Hauptsteckkontakt 8a und somit mit dem Hinleiter 6 verbunden. Die Reihenschaltung aus der Halbleiterelektronik 10 und dem Hilfskontakt 9 ist somit dem Hauptkontakt 8 parallelgeschaltet.
Erkennbar ist der Hauptkontakt 8 und somit dessen Hauptsteckkontakt 8a länger als der Hilfskontakt 9 bzw. dessen Hilfssteckkontakt 9a. Die Kontaktdistanz LH3 des Hauptkontaktes 8 (zwischen der Kontaktspitze des Hauptsteckkontaktes 8a und der Buchsenmündungskante des Hauptgegenkontaktes 8b) ist somit kleiner als die Kontaktdistanz LHi des Hilfskontaktes 9 (zwischen der Kontaktspitze des Kontaktspitze des Hilfsteckkontaktes 9a und der Buchsenmündungskante des Hilfssteckkontaktes 9a). Demzufolge eilt der Hilfskontakt 9 im Zuge eines Aussteckvorgangs dem Hauptkontakt 8 nach. Mit anderen Worten sind der Hilfssteck- kontakt 9a und der Hilfsgegenkontakt 9b noch mechanisch und somit elektrisch leitend verbunden, wenn während des Aussteckvorgangs die direkte Verbindung zwischen dem Hauptsteckkontakt 8a und dem Hauptgegenkontakt 8b des Hauptkontaktes 8 bereits gelöst und gegebenenfalls von einem Lichtbogen überbrückt ist.
Im dargestellten gezeigten Zustand ist der Bypass (Strompfad) 11 , 12 über die Halbleiterelektronik 10 stromlos, so dass diese keine Energie verbraucht. Die Halbleiterelektronik 10 umfasst geeigneterweise eine Reihenschaltung aus einem ersten Halbleiterschalter 10a in Form eines IGBT (Insulated-gate bipolar transis- tor) und einem zweiten Halbleiterschalter 10b in Form eines MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Die beiden Halbleiterschalter 10a und 10b sind basis- oder gateseitig sowie über einen zwischen diesen vorgesehenen Abgriff 10c mit einer Steuerschaltung 10d verbunden, die einen Energiespeicher 10e in Form vorzugsweise eines Kondensators und ein Zeitglied 10f enthält. Der Abgriff 10c zwischen den beiden Halbleiterschaltern 10a und 10b ist mit dem Energiespeicher 10e verbunden.
Beim Ziehen der Steckereinheit 5 und somit im Zuge des Aussteckvorgangs kann zunächst zwischen dem Hauptsteckkontakt 8 a und dem Hauptgegenkontakt 8b ein Lichtbogen entstehen. Die daraus resultierende Spannungsdifferenz aktiviert die Halbleiterelektronik 10, die sodann den Strom übernimmt, der demzufolge vom Hauptkontakt 8 auf den Hilfskontakt 9 kommutiert. Die im Zuge des Aussteckvorgangs infolge des Lichtbogens bedingte Lichtbogenspannung wird zwischen den beiden Halbleiterschaltern 10a und 10b abgegriffen und zum Aufladen des Energiespeichers 10e herangezogen. Die dadurch gespeicherte Ladeenergie wird zum Durchschalten der Halbleiterschalter 10a und 10b herangezogen, wobei zunächst der erste Halbleiterschalter (IGBT) 10a und anschließend der zweite Halbleiterschalter (MOSFET) 10b leitend geschaltet werden. Zeitgleich wird das Zeitglied 10f gestartet. Nach Ablauf der mittels des Zeitgliedes 10f eingestellten oder vorgegebenen Zeitspanne werden die Halbleiterschalter 10a und 10b gesperrt und in den nicht leitenden Zustand geführt. Der während der Lichtbogendauer fließende Strom wird über den Hilfskontakt 9 und die Halbleiterelektronik 10 für die Zeitdauer des Zeitgliedes 10f geführt, so dass der Lichtbogen verlöschen kann.
Die Kontaktdifferenz ALH = LHi - LHa zwischen Haupt- und Hilfskontakt 8 bzw. 9 ist derart bemessen, dass im Zuge des Aussteckvorgangs zwischen dem Hauptsteckkontakt 8a und dem Hauptgegenkontakt 8b ein Lichtbogen entstehen kann. Die Kontaktdistanz LHi und LHa sind dabei der Abstand zwischen der jeweiligen Kontaktspitze des Steckkontaktes 8a, 9a und der Mündungs- oder Buchsenkante des zugehörigen Gegenkontaktes 8b bzw. 9b. Der Betrag der Kontaktdifferenz ALH ist dabei derart bemessen, dass im Falle eines Lichtbogens im Hauptkontakt 8 ausreichend Zeit verbleibt, diesen zu löschen und den Stromfluss zu sperren. Somit kann kein weiterer Lichtbogen im Hilfskontakt 9 zwischen dessen Hilfsteck- und Hilfsgegenkontakt 9a bzw. 9b entstehen.
Zusätzlich zur Einstellung bzw. Festlegung der Kontaktdifferenz ALH zwischen Haupt- und Hilfskontakt 8 bzw. 9 ist das Zeitglied 10f der Halbleiterelektronik 10 derart bemessen, dass bei typischen Ziehgeschwindigkeiten des Aussteckvorgangs sowie in Abhängigkeit von der Quellenspannung und der Last 3 dem mechatronischen Steckverbindersystem 1 bis zur vollständigen mechanischen Trennung aller Kontakte 8, 9 ausreichend Zeit verbleibt.
Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 umfasst das mechatronische Steckverbindersystem 1 einen dritten Kontakt 13 mit wiederum einem Steckkontakt 13a und einem ebenfalls als Buchse ausgeführten Gegenkontakt 13b. Der dritte Kontakt 13 ist mit dessen Gegenkontakt 13b zusammen mit dem Haupt- und Hilfsgegenkontakt 8b bzw. 9b in die Buchseneinheit 4 und mit dessen Steckkontakt 13a zusammen mit dem Haupt- und Hilfssteckkontakt 8a bzw. 9a in die Steckereinheit 5 integriert. Der dritte Kontakt 13 befindet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Rückleiter 7.
Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der dritte Kontakt 13 eine gegenüber dem Hilfskontakt 9 geringere und mit dem Hauptkontakt 8 gleiche Kontaktdistanz LHa aufweist, ist bei der Ausführungsform nach Fig. 3 die Kontaktdis- tanz des dritten Kontaktes 13 gleich der Kontaktdistanz LHi des Hilfskontaktes 9. Auch können die Stecker- oder Steckkontakte 8a, 9a und/oder 13a gleich lang und die Gegenkontakte (Buchsen) 8b, 9b bzw. 13b entsprechen unterschiedlich lang gestaltet sein.
Im Zuge eines Aussteckvorgangs, d. h. beim Ziehen der Steckereinheit 5 aus der Buchseneinheit 4 kann bei der Ausführungsform nach Fig. 2 auch zwischen dem Steckkontakt 13a und dem Gegenkontakt 13b des dritten Kontaktes 13 ein Lichtbogen entstehen. Die Funktionsweise der Elektronik 10 entspricht den obigen Ausführungen. Infolge des auf die Reihenschaltung des Hilfskontaktes 9 mit der Halbleiterelektronik 10 kommutierenden Stroms während des Aussteckvorgangs verlöscht der Lichtbogen sowohl am Hauptkontakt 8 als auch am dritten Kontakt 13, so dass die Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten 8a und 13 a einerseits sowie den Kontakten 8b und 13b andererseits gegen null geht.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 treten durch entsprechende Abstimmung der Distanzdifferenz ALH zwischen dem Hauptkontakt 8 einerseits sowie dem Hilfskontakt 9 und dem dritten Kontakt 13 andererseits bei entsprechender Einstellung des Zeitgliedes 10e der Halbleiterelektronik ebenfalls keine Lichtbögen am Hilfskontakt 9 und am dritten Kontakt 13, d. h. zwischen deren Steck- und Gegenkontakten 9a und 9b bzw. 13a und 13b auf.
Das in Fig. 4 schematisch dargestellte Mehrfachstecksystem Sn umfasst mehrere Steckverbinder Si, S2, S3, wobei weitere mögliche Steckverbinder S vorhanden sein können. Jeder der Steckverbinder Si...„ ist analog zur Ausführung nach Fig. 2 mit einem Hauptkontakt 8 und einem Hilfskontakt 9 sowie einem dritten Kontakt 13 in einer Buchsen-Steckereinheit 4, 5 aufgebaut. Die Steckverbinder Si...n sind gemeinsam an die DC-Quelle 2 angeschlossen. Jedem der Steckverbinder S-i...n ist eine Last 3 zugeordnet. Ebenfalls gemeinsam ist allen Steckverbindern Si...n die einzige Halbleiterelektronik 10, die analog zu Fig. 1 eine Reihenschaltung mit den beiden Halbleiterschaltern 10a und 10b sowie dem Energiespeicher 10d und dem Zeitglied 10f der Steuereinheit 10e umfasst. Die Hauptkontakte 8 der Steckverbinder Si...n sind über eine Leitung 14 mit dem Hinleiter 6 verbunden. Ebenso sind die Hilfskontakte 9 aller Steckverbinder S-i...n mit der Bypassleitung 1 1 , 12 und somit der Elektronik 10 über eine Leitung 15 verbunden. Über eine Leitung 16 sind die dritten Kontakte 13 aller Steckverbinder Si...n mit dem Rückleiter 7 verbunden.
Zur Vermeidung eines Kurzschlusses im Zuge eines Aussteckvorgangs einzelner Steckverbinder S-i...n des Mehrfachstecksystems Sn ist dem Hilfskontakt 9 jedes Steckverbinders Si ..n eine Diode 17 zugeordnet. Diese ist in die jeweilige Buchsen-Steckereinheit 4, 5 und dabei geeigneterweise in die Buchseneinheit 4 integriert. Die jeweilige Diode 17 ist anodenseitig mit der Halbleiterelektronik 10 und kathodenseitig mit dem Hilfsgegenkontakt 9a des Hilfskontaktes 9 des jeweiligen Steckverbinders Si...n verbunden.
Beim Aussteckvorgang eines der Steckverbinder Sn verhindern die Dioden 17 der anderen Steckverbinder Si , S2, S3 einen Kurzschluss der Halbleiterelektronik 10 über gesteckte Steckkontakte 8, 9, 13 der anderen Steckverbinder Si, S2, S3 aus dem Mehrfachstecksystem Sn, da kein Stromfluss parallel zur Halbleiterelektronik 10 von der Leitungen 14 zur Leitung 15 über die gesteckten Haupt- und Hilfskontakte 8, 9 und/oder 13 möglich ist.
Bezugszeichenliste
2 DC-Quelle S SteckverbinderAsystem
3 Last Sn Mehrfachstecksystem
4 Buchseneinheit LHB Kontaktdistanz des Haupt-
5 Steckereinheit /dritten Kontakts
6 Hinleiter LHi Kontaktdistanz des Hilfs-
7 Rückleiter /d ritten Kontakts
8 Hauptkontakt
8a Hauptsteckkontakt
8b Hauptgegenkontakt
9 Hilfskontakt
9a Hilfssteckkontakt
9b Hilfsgegenkontakt
10 Elektronik
10a Halbleiterschalter (IGBT)
10b Halbleiterschalter
(MOSFET)
10c Abgriff
10d Steuerschaltung
10e Energiespeicher
10f Zeitglied
11 ,12 Bypass/-Ieitung
13 dritter Kontakt
13a Steckkontakt
13b Gegenkontakt
14 Leitung
15 Leitung
16 Leitung
17 Diode

Claims

Ansprüche
1 . Mechatronisches Steckverbindersystem (S) mit einem Hauptkontakt (8) aus einem Hauptsteckkontakt (8a) und einem Hauptgegenkontakt (8b), mit einem bei einem Aussteckvorgang dem Hauptkontakt (8) nacheilenden Hilfskontakt (9) aus einem Hilfssteckkontakt (9a) und einem Hilfsgegenkontakt (9b) sowie mit einer mit dem Hilfskontakt (9) in Reihe und mit dem Hauptkontakt (8) parallel geschalteten Halbleiterelektronik (10) zur Löschung eines im Zuge des Aussteckvorgangs entstehenden Lichtbogens,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Halbleiterelektronik (10) zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter (10a, 10b) und einen mit den Halbleiterschaltern (10a, 10b) verbundenen Energiespeicher (10e) aufweist, der zum Aufladen die im Zuge des Aussteckvorgangs entstehende Lichtbogenspannung zwischen den Halbleiterschaltern (10a, 10b) abgreift.
2. Mechatronisches Steckverbindersystem (S) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Hauptkontakt (8) in einen von einer Gleichspannungsquelle (2) zu einer Last (3) führenden Hinleiter (6) oder Rückleiter (7) geschaltet ist, und
- dass der Hilfskontakt (9) dem Hauptkontakt (8) parallel geschaltet ist.
3. Mechatronisches Steckverbindersystem (S) nach Anspruch ,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Halbleiterschaltern (10a, 10b) eine IGBT und ein mit diesem in Reihe geschalteter MOSFET vorgesehen sind.
Mechatronisches Steckverbindungssystem (S) nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch
einen in den Rückleiter (7) bzw. in den Hinleiter (6) geschaltet dritten Kontakt (13) aus einem Steckkontakt (13a) und einem Gegenkontakt (13b).
Mechatronisches Steckverbindersystem (S) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dritte Kontakt (13) beim Aussteckvorgang dem Hauptkontakt (8) nacheilt.
Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) mit mindesten zwei Steckverbindern (S) mit jeweils einem Hauptkontakt (8) aus einem Hauptsteckkontakt (8a) und einem Hauptgegenkontakt (8b), mit jeweils einem bei einem Aussteckvorgang dem Hauptkontakt (8) nacheilenden Hilfskontakt (9) aus einem Hilfssteckkontakt (9a) und einem Hilfsgegenkontakt (9b) sowie mit einer Halbleiterelektronik (10) zur Löschung eines im Zuge des Aussteckvorgangs entstehenden Lichtbogens,
dadurch gekennzeichnet,
dass die den Steckverbindern (S) gemeinsame Halbleiterelektronik (10) mit jedem der Hilfskontakte (9) über eine Diode (17) der Halbleiterelektronik (10) in Reihe geschaltet ist.
Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Halbleiterelektronik (10) zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter (10a, 10b) und einen mit den Halbleiterschaltern (10a, 10b) verbundenen Energiespeicher (10e) aufweist, der zum Aufladen die im Zuge des Aussteckvorgangs entstehende Lichtbogenspannung zwischen den Halbleiterschaltern (10a, 10b) abgreift.
Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Steckverbinder (S) einen dritten Kontakt (13) aus einem Steckkontakt (13a) und einem Gegenkontakt (13b) aufweist.
9. Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dritte Kontakt (13) dem Hilfskontakt (9) im Zuge des Aussteckvorgangs voreilt.
10. Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dritte Kontakt (13) dem Hilfskontakt (9) im Zuge des Aussteckvorgangs nacheilt.
11. Halbleiterelektronik (10) für ein mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) mit einer Anzahl von Einzelsteckverbindern (S), insbesondere nach Art einer Mehrfachsteckdosen- oder Mehrfachsteckerleiste, nach einem der Ansprüche 6 bis 10.
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