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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Verbinderanordnungen
und insbesondere betrifft die Erfindung einen elektrischen Verbinder, der
Komponenten aufweist, um das Auftreten von Lichtbogenbildung zu
verhindern oder zumindest zu minimieren.
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Elektrische
Verbinder stellen einen elektrischen Weg oder Übergang zur Herstellung einer
mechanischen Verbindung zwischen Drähten, Leiterzügen, Bauelementen
oder anderen stromführenden Vorrichtungen
dar. Normalerweise werden elektrische Verbinder während Zeitabschnitten
verbunden oder getrennt, in denen kein Strom durch die Vorrichtung
fließt.
Obwohl es grundsätzlich
nicht empfohlen wird, können
elektrische Verbinder auch unter Last verbunden oder getrennt werden,
abhängig
von den Spannungs- und Strompegeln. Dies kann wiederum zu einem
Lichtbogenzustand führen,
wobei Strom einen Luftspalt zwischen Kontakten überspringt. Abhängig von
der Konstruktion und dem Aufbau des Systems kann Lichtbogenbildung
schwere Schäden an
den Komponenten verursachen, wie etwa Lochfraß, oder kann dazu führen, daß der Verbinder
verschweißt
oder verschmolzen wird, wenn die Verbinderstifte durch den Lichtbogen
angeschmolzen werden. Außerdem
sind in vielen Systemen die Spannungs- und Strompegel hoch genug,
um auch körperliche
Verletzungen bei einem Bediener zu verursachen, der versucht, die
Leitung unter Last zu verbinden oder zu trennen.
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US-Patent 3588605 von Casson
offenbart einen elektromechanischen Schalter mit Lichtbogenunterdrückung, der
eine Torschaltung zur Verwendung in Wechselstromvorrichtungen hat,
die aus reaktionsfähigen
passiven Bauelementen besteht, die den Pegel der Spannung über den
Schalterkontakten erfassen. Der offenbarte Schalter ist dafür ausgelegt, den
Strom zu begrenzen, wenn der Schalter die Schaltung unterbricht,
um Schäden
an den Kontakten zu minimieren und die Lebensdauer der Ausrüstung zu
verlängern.
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US-Patent 4438472 von Woodworth
offenbart eine Gleichstromvorrichtung zur Unterdrückung von
Lichtbögen
in mechanischen Schaltern oder Unterbrechern. Die offenbarte Konstruktion
verwendet einen bipolaren Transistor, um Strom aktiv um den Schalter
herumzuführen,
wenn die Kontakte geöffnet sind,
und zwar beim Öffnen
oder bei einem "Zurückprellen" beim Schließen.
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Das
Dokument
US 2002/0015270 offenbart eine
Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Das
zu lesende Problem besteht darin, einen Verbinder bereitzustellen,
der die Lichtbogenbildung verringert oder minimiert, ohne ein getrenntes
Lichtbogensteuerungssystem zu erfordern, so daß die Verbesserung ohne aufwendige
Neukonstruktion in bestehende Systeme integriert werden kann.
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Die
Lösung
wird durch eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Lichtbögen gemäß der vorliegenden
Erfindung bereitgestellt. Die Vorrichtung hat oder hat vorzugsweise
einen Verbinder, ein Relais oder eine andere Verbindungsvorrichtung
zwischen einer Stromquelle und einer Last, wobei die Vorrichtung
ein Gehäuse
und mindestens ein stromführendes
Element umfaßt
und eine Lichtbogenunterdrückungsschaltung,
die zu den Kontakten des stromführenden Elements
parallelgeschaltet ist. Die Lichtbogenunterdrückungs-Schaltungsanordnung
ermittelt einen Lichtbogen vorzugsweise durch Überwachung der Spannung zwischen
den Kontakten, und wenn die Spannung einen vorbestimmten Pegel erreicht,
leitet sie die Leistung durch einen FET zu einer Last ab, wodurch
Lichtbogenbildung unterdrückt
wird, wenn die Vorrichtung in Eingriff gebracht oder getrennt wird.
Normalerweise sind die stromführenden
Elemente entweder ein Verbinderstift, eine Verbinderbuchse oder
Relaiskontakte. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung
zur Unterdrückung
von Lichtbögen
innerhalb eines Verbindergehäuses
angeordnet.
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Die
Erfindung wird nunmehr zu Beispielzwecken mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei diese folgendes zeigen:
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1 ist
eine Perspektivansicht eines Verbinders gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
eine weitere Perspektivansicht des in 1 gezeigten
Verbinders, wobei eine Abdeckung entfernt ist, um die Lichtbogenunterdrückungsschaltung
freizulegen.
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3 ist
eine Perspektivansicht des in 1 gezeigten
Verbinders, bei der der Verbinderkörper gestrichelt gezeigt ist
und die die Verbinderstifte und die Lichtbogenunterdrückungsschaltung
darstellt.
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4 ist
ein Stromlaufplan einer elektrischen Schaltung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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5 ist
ein Stromlaufplan einer elektrischen Schaltung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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6 ist
ein Diagramm von Spannung und Strom über der Zeit, wenn ein Verbinder
von einem verbundenen zu einem getrennten Zustand bewegt wird.
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7 ist
ein Diagramm, das die Minimierung eines Spannungsanstiegs unter
Aspekten der Erfindung darstellt.
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Wenn
wir nunmehr ausführlich
auf die Zeichnungen Bezug nehmen, in denen gleiche Bezugszeichen
in all den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente darstellen,
so ist in 1 ein elektrischer Verbinder 100 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, der zwei zusammengehörige Hälften 102, 104 umfassen
kann. Wie dargestellt, kann eine Hälfte 102 ein Gehäuse 106 und
ein Paar von Verbinderstiften 124 umfassen. Die dargestellte
Ausführungsform
ist ein Beispiel für
einen Verbinder, der zur Verwendung in Kraftfahrzeug- oder ähnlichen
Anwendungen bestimmt ist, wo Verbinder zu finden sind, die hinreichend
hohen Strom übertragen.
Jedoch ist die Erfindung verständlicherweise
nicht auf Verbinder beschränkt,
sondern kann mit jeder Vorrichtung verwendet werden, die imstande
ist, auf ähnliche
Art und Weise in Eingriff gebracht bzw. getrennt zu werden, wie
etwa ein Relais oder dergleichen. Der in 1 dargestellte
Verbinder kann ferner eine zweite gegenstückige Hälfte 104 aufweisen,
die aktiv ist und ferner ein Gehäuse 108 umfaßt, das
darin eine Lichtbogenunterdrückungs-Schaltungsanordnung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung enthält,
die nachstehend ausführlich
erläutert
wird. Zu Darstellungszwecken ist die vorliegende Ausführungsform
ein 42-V-Verbinder für
ein Gleichstromsystem, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Zum
Beispiel kann die Erfindung mit einem System verwendet werden, das
eine standardmäßige 12-V-Batterie
verwendet, wie etwa ein Kraftfahrzeug.
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Mit
Bezug auf 2 werden nunmehr weitere Einzelheiten
des in 1 gezeigten Verbinders 100 offenbart.
Wie in 2 zu sehen, kann die zweite gegenstückige Hälfte 104 des
Verbinden 100 eine Leiterplatte 110 aufweisen,
die eine Steuerungsschaltung 112 und mindestens eine, möglicherweise zwei
mit der Steuerungsschaltung 112 verbundene regulierende
Komponenten 114, 116 zur Regulierung einer oder
mehrerer Lasten aufweisen kann. In dieser Ausführungsform sind die Komponenten 114, 116 jeweils
Transistoren und insbesondere FET-Transistoren. In einer Ausführungsform
kann die Steuerungsschaltung 112 über eine trennbare Verbindung 118 mit
einer Stromquelle (zum Beispiel 42 V Gleichstrom, wie oben erwähnt) und
Masse verbunden sein, wenngleich die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
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Die
Arbeitsweise und der Aufbau eines gemäß dieser Ausführungsform
hergestellten Verbinders können
mit Bezug auf 3 besser verstanden werden, worin
die Gehäuse 106, 108 des
in 1–2 dargestellten
Verbinders gestrichelt gezeigt sind, um die oben erläuterten
elektrischen und elektronischen Komponenten ausführlicher darzustellen. In 3 ist
zu sehen, daß die
in 1 dargestellten Kontaktstifte 124 mit
entsprechenden Kontakten 120 verbunden werden können, die
wiederum mit der Steuerungsschaltung 112 verbunden sind. Wie
dargestellt, kann in der dargestellten Ausführungsform ein Paar von Erfassungsstiften 122 Leistung
zu den FETs 114, 116 ableiten. Lichtbogenbildung
wird zumindest minimiert und vorzugsweise verhindert, und zwar sowohl
wenn der Verbinder 100 unter Last mit der Stromquelle in
Verbindung gebracht wird, als auch wenn der Verbinder 100 unter Last
getrennt wird. Wie für
den Fachmann verständlich
wird, ist die Fähigkeit,
einen Verbinder ohne einen Lichtbogen zu verbinden oder zu trennen,
dann vorteilhaft, wenn er unter Last ist, da Lichtbogenbildung die
Komponenten des Verbinders beschädigen kann
und auch ein Sicherheitsrisiko darstellt.
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Eine
beispielhafte Schaltung, die in bestimmten Ausführungsformen der Erfindung
verwendet werden kann, ist in 4 und 5 dargestellt. 4 stellt
eine Verwendung der Schaltung mit einem Verbinder dar, während 5 die
Verwendung der Schaltung mit einem Relais darstellt. Wie oben erwähnt, umfaßt die Stromquelle 200 in
der beispielhaften Ausführungsform,
die hierin dargestellt und ausführlich
beschrieben wird, eine 42-V-Gleichstromquelle. Verständlicherweise
sind die in dieser Ausführungsform
dargestellten Kapazitäts-
und Impedanzwerte nur Beispiele für eine solche Schaltung, und die
Erfindung ist nicht auf diese Werte beschränkt.
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Ein
Verbinder 100 kann zwischen der Quelle 200 und
der Last 50 vorgesehen sein, der dem oben mit Bezug auf 1–3 beschriebenen
Verbinder 100 entspricht. Wenn der Verbinder 100 geschlossen wird,
fließt
Strom auf normale Weise, und wenn der Verbinder 100 offen
ist, ist der Strom unterbrochen. Wenn jedoch, wie oben erläutert wurde,
der Verbinder 100 ohne die Lichtbogenunterdrückungs-Schaltungsanordnung
der Erfindung unter Last getrennt wird, kann grundsätzlich Lichtbogenbildung
auftreten.
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In
diesen Ausführungsformen
kann ein p-Kanal-MOSFET M1 parallel zu den Kontakten des Verbinders 100 angeordnet
werden. Der MOSFET M1 kann mit dem positiven Anschluß der Quelle 200 verbunden
werden, so daß eine
vergleichsweise negative Gate-Steuerspannung verwendet werden kann, um
den p-Kanal des MOSFET M1 zu erweitern, was niedrigen RDSon (Drain-Source-Widerstand)
und folglich leitenden Zustand bewirkt.
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Während sich
die Kontakte öffnen,
wird der MOSFET M1 eingeschaltet und stellt einen Weg bereit, über den
Laststrom fließen
kann. Somit wird verhindert, daß die
Spannung zwischen den Kontakten auf einen Wert ansteigt, der hinreichend
ist, um einen Lichtbogen auszulösen,
bis sich die Kontakte um so eine Entfernung getrennt haben, daß ein Lichtbogen auch
nicht durch den höchsten
Spannungsabfall gezündet
wird, der an den Kontakten vorliegen kann.
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Diese
negative Gate-Steuerspannung kann durch Verwendung eines monostabilen
Multivibrators bereitgestellt werden, der bipolare npn-Transistoren Q1
und Q2 einschließt,
wie gezeigt. Eine Zener-Diode D1 stellt eine Versorgungsspannung
bereit, mit welcher die Multivibratorschaltung betrieben werden kann.
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In
ihrem Ruhezustand wird der Transistor Q1 mit dem vom Widerstand
R1 zugeführten
Ruhestrom eingeschaltet gehalten. Die Multivibratorschaltung kann
durch Ermittlung eines ins Negative gehenden Spannungsübergangs
am Drain D des MOSFET M1 getriggert werden. Sobald diese Drainspannung
um einen Betrag gefallen ist, der hinreichend ist, um die Diode
D4 in Durchlaßrichtung
vorzuspannen, wird der Haltestrom für den Transistor Q1 kurzzeitig
von seiner Basis abgeleitet, was bewirkt, daß der Transistor Q1 ausgeschaltet
wird. Der Multivibrator fährt
somit fort, seine Zustände
zu wechseln, indem er den Transistor Q2 einschaltet und die Basis
des Transistors Q1 in einen in Sperrichtung vorgespannten Zustand
zwingt. Den Transistor Q2 auf diese Weise einzuschalten, bewirkt,
daß die
Spannung über
der Source S und dem Drain D des MOSFET M1 bis zu ihrem Schwellwert
und darüber
hinaus zunimmt und der Kanalwiderstand sich auf seinen sehr niedrigen RDSon-Wert
verringert. Wenn dies geschieht, steigt die Spannung am Drain D,
bis sie sich bei einer Spannung nahe der Spannung der Quelle 200 (zum Beispiel
42 V) einpegelt, die durch den RDSon-Widerstand und den Laststrom
des Relais 300 aufgebaut wird. Die Spannung am Drain D
wird auf diesem Pegel gehalten, bis die Multivibratorschaltung eine Zeitüberschreitung
auslöst,
die den MOSFET M1 ausschaltet und ermöglicht, daß die Spannung auf null abrollt.
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Wenn
der Transistor Q2 eingeschaltet wird, wird auch ein pnp-Transistor
Q3 eingeschaltet. Dies bewirkt, daß die Triggerspannung wieder
auf die Spannung der Quelle 200 begrenzt wird. Diese Spannungsbegrenzung
trägt dazu
bei, zu verhindern, daß der
negative Spannungsausschlag der Spannung des Drains D des MOSFET
M1 bewirkt, daß der
Multivibrator am Ende des Überschreitungszeitraums versehentlich
erneut getriggert wird.
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Die
Multivibratorschaltung verbleibt in ihrem Ein-Zustand, bis sich
die Basisspannung des Transistors Q1 hinreichend erholt, um in Durchlaßrichtung vorgespannt
zu werden. Das Zeitintervall, bis dies erfolgt, wird größtenteils
durch die RC-Zeitkonstante gesteuert, die durch den Widerstand R1
und den Kondensator C1 gebildet wird. Wenn die Basis des Transistors
Q1 wieder in Durchlaßrichtung
vorgespannt ist, wird der Transistor Q1 eingeschaltet und der Transistor
Q2 wird ausgeschaltet.
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Die
Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung des Gates G des MOSFET M1 wird
vorrangig durch die RC-Zeitkonstante von Widerstand R2 und Kondensator
C1 gesteuert. Wenn diese Spannung zur Spannung der Quelle 200 ansteigt,
wird der Schwellwert zwischen dem Gate G und der Source S für den MOSFET
M1 erreicht und der MOSFET M1 wird ausgeschaltet. Während dieses
Ausschaltübergangs verbleibt
der pnp-Transistor Q3 eingeschaltet, was verhindert, daß der negative
Spannungsübergang des
Drains D den Multivibrator erneut triggert und fälschlich ein weiteres Verzögerungsintervall
beginnt.
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6 stellt
beispielhaft ein Lichtbogenereignis dar, wenn sich zwei Kontakte
unter Last ohne Lichtbogenschutz trennen. Der Zweck der Darstellung
dieses Diagramms besteht darin, den Spannungspegel darzustellen,
der erforderlich ist, um einen Lichtbogen beginnen zu lassen. Dies
wird als die minimale Lichtbogenspannung bezeichnet und ist für jedes
Kontaktmaterial ein wenig anders. Normalerweise liegen die Werte
für die
minimale Lichtbogenspannung für
gebräuchliche
Kontaktmaterialien zwischen 12 und 15 V. Das bedeutet, daß bei hinreichenden
Strompegeln ein stabiler oder frei brennender Lichtbogen innerhalb
dieser Spannungen existieren kann. Vorzugsweise wird ein stabiler
oder frei brennender Lichtbogen verhindert, da der Lichtbogen in einer
Gleichstromumgebung weiterbrennt, bis entweder die Kontakte zerstört sind
oder der Kontaktspalt bis zu einem Maß vergrößert wird, wo die Stromversorgung
die zunehmende Lichtbogenspannung nicht mehr aufrechterhalten kann.
Da in diesem Beispiel der FET aktiviert wird, wenn der Spannungsabfall zwischen
den Kontakten etwa 7 V erreicht, sollte dann kein Lichtbogen auftreten.
Die Schaltung überwacht
somit den Spannungsanstieg zwischen den Kontakten und unterdrückt den
Lichtbogen, bevor er sich entwickeln kann.
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Das
Betriebsverhalten bestimmter Ausführungsformen der Erfindung
ist in 7 dargestellt, welche ein Diagramm ist, das den
Aspekt der Minimierung und Verhinderung eines Spannungsanstiegs,
der hinreichend ist, um einen Lichtbogen zu erzeugen, darstellt.
Die obere Hälfte
des Diagramms stellt den Strom über
die Kontakte dar, wenn der Verbinder getrennt wird, und die untere
Hälfte
stellt die Spannung über
die Kontakte dar. In einer Koppelschaltung wie derjenigen, die oben
mit Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde,
in der ein 42-V-System implementiert wird, verhindert die Ermittlung
einer Spannung zwischen den Kontakten von etwa 7 V einen Lichtbogen.
In 7 ist zu sehen, daß, wenn diese Bedingung eintritt,
sowohl die Spannung als auch der Strom auf null abfallen, da die
Schaltung den Strom überstimmt
und zu den FETs ableitet, was bewirkt, daß eine Last gesteuert wird,
die den Strom verbraucht.
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Aktive
Lichtbogenunterdrückungsschaltungen
gemäß Ausführungsformen
der Erfindung ermöglichen,
daß Verbinder
unter Last getrennt werden können,
indem eine Lichtbogenbildung durch die allmähliche Verringerung des Stroms
verhindert wird, wenn der Verbinder getrennt wird. Dadurch wird
die Unterbrechung der vollen Last vermieden, was einen erheblichen
Lichtbogen über
die Kontakte hervorrufen würde.
Der Fachmann wird anerkennen, daß verschiedene Kombinationen
von Widerständen,
Transistoren, Kondensatoren und Dioden verwendet werden können, um
eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die den Strom sowohl ermittelt
als auch um die Kontakte herumleitet, während sie geöffnet werden
(oder geschlossen, wie es ebenfalls der Fall sein kann). Im allgemeinen
kann in bestimmten Ausführungsformen
eine Kombination von Halbleiter-Bauelementen vorgesehen werden,
die den unterbrochenen Strom vom Verbinder fortleitet. Diese Varianten hängen von
zahlreichen Konstruktionsanforderungen und Konstruktionszwängen ab.
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Bei
der Lektüre
des Vorangegangenen werden dem Leser zahlreiche Anpassungen, Modifikationen
und Abwandlungen einfallen. Zum Beispiel können andere geeignete Typen
von Vorrichtungen anstelle von FETs genutzt werden, wie etwa andere
Typen von Transistoren oder jegliche anderen Komponenten, die geeignet
sind, um für
die Regulierung von Strom oder Spannung zu sorgen. Diese werden
jedoch alle innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen. Dementsprechend
sollte auf die beigefügten
Ansprüche
Bezug genommen werden, um den wirklichen Schutzumfang der Erfindung
zu ermitteln.