DE102017004018A1

DE102017004018A1 - Elektrischer Steckverbinder

Info

Publication number: DE102017004018A1
Application number: DE102017004018.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-10-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Steckverbinder, umfassend- ein elektrisch isolierendes Gehäuse (1) mit einer Kabeleinführung (101) an einem ersten Ende und einer Basis (103) an einem zweiten Ende,- mindestens zwei Kontaktstifte (3a, 3b), die in der Basis (103) aufgenommen sind, wovon zumindest ein Kontaktstift (3a, 3b) schaltbar ist,- ein in das elektrisch isolierende Gehäuse (1) führendes, zumindest zweiadriges Kabel (105) zur Verbindung mit einem Verbraucher (15), dessen zumindest zwei Adern mit den mindestens zwei Kontaktstiften (3a, 3b) verbunden sind,- zumindest eine Schaltvorrichtung (5) zum Schalten des zumindest einen Kontaktstifts (3a, 3b) und- zumindest eine interne Energieversorgung (7) für die zumindest eine Schaltvorrichtung (5).Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung des elektrischen Steckverbinders als Teilnehmer in einem externen WLAN-Netz, als Access Point zum Aufbau eines internen WLAN-Netzes sowie zur Betriebszustandserfassung von elektrischen Betriebsmittel und/oder zur Isolationsüberwachung und/oder zur Widerstandsmessung

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Steckverbinder und seine Verwendungen.
Gattungsgemäße elektrische Steckverbinder sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Varianten an sich bekannt.
WO 2011/083029 A1 betrifft beispielsweise eine Anschlussleitung für einen Steckverbinder mit zumindest zwei Leitern zur Übertragung einer Versorgungsspannung und mit zwei weiteren Leitern, welche am ersten Ende miteinander leitend verbunden sind und am zweiten Ende eine Messvorrichtung zur Widerstandsmessung eines Schutzleiter und Messleiter umfassenden Messkreises aufweisen, wobei bei Widerstandsüberschreitungen ein Warnsignal ausgegeben wird. Ziel dabei ist es, eine Anschlussleitung bereitzustellen, mit welcher eine Beschädigung der elektrischen Anlage möglichst einfach und durch den Nutzer sicher erkannt werden kann. Nachteilig ist, dass der angeschlossene Verbraucher bei einer Widerstandsüberschreitung im Schutzleiter weiter nutzbar ist. Ein akustisches Signal ist ferner nicht von jedem Benutzer wahrnehmbar. Eine Beschädigung der Anschlussleitungsisolation wird offensichtlich nicht detektiert.
DE 10 2014 004 449 A1 bezieht sich auf einen Zwischenstecker mit einem Stecker zum Einstecken in eine Steckdose und einer Steckdose zum Einstecken einer Last, aufweisend zwei Kontaktstifte zum Verbinden des Zwischensteckers mit einem Spannungsnetz, zwei Kontaktbuchsen zum Verbinden der Last mit dem Zwischenstecker, eine Platine, die wenigstens eine elektrische Verbindung aufweist, die die Kontaktbuchsen mit den Kontaktstiften verbindet, einen Leistungsschalter zum Auftrennen zumindest einer der beiden elektrischen Verbindungen zwischen Netz und Last, und eine den Leistungsschalter ansteuernde Steuereinheit. Der Zwischenstecker zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der Kontaktbuchsen direkt an der Platine angeordnet ist und wenigstens einer der Kontaktstifte über ein an der Platine direkt befestigtes, federndes Metallteil mit der Platine verbunden ist. Zwar soll dieser Zwischenstecker die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile längerer Wege für den Stromfluss und damit verbundenem großem elektrischem Widerstand ausräumen, jedoch weist auch dieser Zwischenstecker eine recht sperrige Form auf und kann vom Nutzer daher als störend angesehen werden. Zudem stellt ein Zwischenstecker immer ein zusätzliches Bauteil dar, das richtig eingesetzt und ferner gewartet werden muss.
Diese Konstellation bei eingesetztem Zwischenstecker und angeschlossenem Verbraucher (Hauptstromkreis) umfasst folglich eine Steckdose mit einem Paar Kontaktbuchsen mit Kontaktfedern (anpressend an die eingesteckten Kontaktstifte), einen Zwischenstecker (mit einem Paar Kontaktstifte, einer Leiterbahn, einem Schalter (Halbleiter oder Relais etc.), einer weiteren Leiterbahn, einem Paar Anschlussfedern) und eine Kombination aus Stecker + Anschlussleitung + Verbraucher (mit einem Paar Kontaktstifte, einer Anschlussleitung, einem Verbraucher). So wird die elektrische Verbindung von Platine zu Kontaktstift des Zwischensteckers realisiert, wodurch Lichtbögen beim Schalten von mechanischen Kontakten (z.B. konventionelle Relais) eine Ursache von Verschleiß an den Kontaktpunkten sind und Wärme entwickelt wird, was eine häufige Ursache von Sachschäden von und durch elektrische Betriebsmittel darstellt.
Es bestehen daher Nachteile in der Anzahl von Kontaktstellen und Übergangswiderständen. Dadurch ergeben sich nicht nur wirtschaftliche Nachteile beim Anwender durch Verlustleistungen, hervorgerufen durch Kontakt- und Übergangswiderstände, sondern erhöht sich auch die thermische Gefährdung im eingesetzten Verwendungsgebiet, da Kontaktstellen elektrischen, mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen ausgesetzt sind, so dass es an elektrischen Verbindungen nicht selten zu Fehlern kommt und sie somit häufig Sachschäden und Brandschäden verursachen.
Zwischenstecker sind zudem ortsveränderliche Betriebsmittel, welche in regelmäßigen Abständen, nach Anforderung der DIN VDE und berufgenossenschaftlicher Verordnungen zu prüfen sind. Somit ergeben sich weitere wirtschaftliche Nachteile, da der Prüfaufwand erhöht wird.
Mehrphasige Schaltung von Steckdosen werden beispielsweise in DE 20 2010 015 424 U1 beschrieben. Vorteilhaft wird der Einsatz von mikrocontrollergesteuerten Halbleiterelementen dargestellt. Auch sind diese zur drahtgebundenen oder drahtlosen Nachrichtenübertragung geeignet. Weiter wird die mehrpolige elektrische Steckvorrichtung mittels Strommesswiderstand, Stromübertrager oder Stromwandler gemessen und dem Mikrokontroller zugeführt, verarbeitet und ausgewertet. Nachteilig ist, dass keine automatischen Sicherheitsvorrichtungen zum Personenschutz (Personenschutzstecker) und/oder zur Vorbeugung von Sachschaden (Brandgefahr) vorgesehen sind, die im Fehlerfall eine Abschaltung der einzelnen Steckdose und somit des angesteckten einzelnen Verbrauchers vom Energieversorgungsnetz vornimmt.
Darüber hinaus ist beispielsweise aus DE 21 49 812 ein Programmschalter, insbesondere für Wasch- und Geschirrspülmaschinen, bekannt mit einem Sperrkontakt zur Abschaltung der angeschlossenen Verbraucher beim schnellen Überfahren einzelner Programmabschnitte mit in der AUS-Position des Programmschalters geöffneten Programmkontakten, wobei dem Sperrkontakt ein zusätzlicher Kontakt parallelgeschaltet ist, der in der AUS-Position des Programmschalters geschlossen, in allen anderen Positionen aber geöffnet ist. Damit soll eine Isolationsmessung ohne zusätzliche Schaltverbindungen an zentralen Messpunkten des Gerätes ermöglicht werden. Bei den beschriebenen Messungen und bei geöffnetem Netzschalter sind die Anschlussleitung und der Netzstecker nicht mit in die Isolationsmessung eingebunden. Somit bleiben elektrisch relevante Teile des Verbrauchers ungeprüft.
In DE 20 2004 008 334 U1 ist eine BGVA2-Steckdosenleiste beschrieben, die es ermöglicht, auf einfache und vor allem günstige Art Forderungen der Unfallverhütungsvorschriften (z.B. BGVA2 (VBG4) § 5) für ortsveränderliche elektrische Betriebsmittel mit Hilfe von Differenzstrommessungen als RISO-Ersatzmessungen nach DIN VDE 0702 gerecht zu werden. Es ist demnach ein Handgerät / eine Sonde in die Steckdosenleiste einsteckbar, so dass über eine Akustik bei Überschreitung eines zulässig eingestellten Differenzstroms alarmiert wird. Die Höhe des Differenzstromes wird über eine Umschaltung in Abhängigkeit der Schutzklasse realisiert und von elektrotechnisch unterwiesenen Personen auf einfachste Art gefahrlos und zeiteffektiv vorgenommen. Das hat jedoch den Nachteil, dass das Personal geschult und unterwiesen werden muss, welches die Prüfung vornimmt. Des Weiteren sind die Verbraucher in die Steckdosenleiste zu stecken, das heißt, vom Energienetz zu trennen, die Wahl der Schutzklasse zu bestimmen, der Wahlschalter zu betätigen, die Messung durchzuführen und nach beurteilter (akustisches Signal in industrieller rauer Umgebung wahrgenommen) und bestandener Prüfung der Netzstecker des Verbrauchers dem Energieversorgungsnetz - d.h. der Steckdose - zuzuführen. Dies wird zwar dem Schutzziel der Minimierung der Personengefährdung gerecht, jedoch fehlt die Bewertung des Isolationszustandes und somit der Gefährdung durch Isolationsfehlen.
In GB 2 128 047 A ist die aufgeführte Vorrichtung mit einer Einheit zur Erfassung eines Differenzfehlerstroms bestückt. Ein Spulenkörper mit mehreren Wicklungen und mehreren Windungen ist als eine Spule ausgeführt, wobei die Auswertung von Strommessungen an den Windungsenden erfolgt. Nachteilig ergibt sich, dass die Verbraucher über Klemmen trennbar verbunden sind.
In WO 2016/166156 A1 ist eine Temperaturüberwachung von Steckern beschrieben, eine Abschaltung des Steckers an den Kontaktstiften ist nicht realisiert.
Nachteilig am bekannten Stand der Technik ist der relativ hohe Platzbedarf der jeweiligen Lösungen, die teilweise einen Zwischenstecker notwendig machen. Integrierte Lösungen hingegen sind häufig auf nur wenige Funktionalitäten beschränkt. Sicherheitstechnische Betriebsmittelabschaltungen erfolgen häufig für Baugruppen, so dass elektrisch fehlerfreie Betriebsmittel mit vom elektrischen Versorgungsnetz getrennt werden. Ein zentrales Monitoring von sicherheitstechnischen Eigenschaften (Messwerterfassung und Dokumentationsfähigkeit) und Betriebszuständen von angeschlossenen Betriebsmitteln wird nicht realisiert. Durch einfache Messverfahren für notwendige Widerholungsprüfungen von angeschlossenen Geräten ist weiterhin Personal notwendig, das heißt, das Messverfahren ist nicht automatisiert möglich.
Ausgehend von den vorstehend genannten Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Steckverbinder bereitzustellen, der eine kompakte Bauform aufweist und über ein Kabel direkt an dem jeweiligen Verbraucher angebracht wird, so dass Zwischenstecker oder zwischen Steckverbinder und Verbraucher angeordnete zusätzliche Schaltungen überflüssig werden. Es ist ferner das Ziel, den elektrischen Steckverbinder der vorliegenden Erfindung mit einer Vielzahl von Funktionalitäten auszustatten, ohne die kompakte Bauform aufgeben zu müssen.
Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch einen elektrischen Steckverbinder gelöst, umfassend

- ein elektrisch isolierendes Gehäuse (1) mit einer Kabeleinführung (101) an einem ersten Ende und einer Basis (103) an einem zweiten Ende,
- mindestens zwei Kontaktstifte (3a, 3b), die in der Basis (103) aufgenommen sind, wovon zumindest ein Kontaktstift (3a, 3b) schaltbar ist,
- ein in das elektrisch isolierende Gehäuse (1) führendes, zumindest zweiadriges Kabel (105) zur Verbindung mit einem Verbraucher (15), dessen zumindest zwei Adern mit den mindestens zwei Kontaktstiften (3a, 3b) verbunden sind,
- zumindest eine Schaltvorrichtung (5) zum Schalten des zumindest einen Kontaktstifts (3a, 3b) und
- zumindest eine interne Energieversorgung (7) für die zumindest eine Schaltvorrichtung (5).

Die vorstehende Aufgabe wird in weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung des elektrischen Steckverbinders als Teilnehmer in einem externen WLAN-Netz, als Access Point zum Aufbau eines internen WLAN-Netzes zur Betriebszustandserfassung von elektrischen Betriebsmittel und/oder zur Isolationsüberwachung und/oder zur Widerstandsmessung gelöst.
Der elektrische Steckverbinder der vorliegenden Erfindung weist den Vorteil auf, dass er eine kompakte Bauform hat, die sich nur unwesentlich von herkömmlichen Steckverbindern ohne Funktionalitäten unterscheidet. Alle elektrischen und elektronischen Bauteile des elektrischen Steckverbinders sind erfindungsgemäß in seinem Gehäuse integriert, so dass keine Zwischenstecker oder zusätzlichen Schaltungen bzw. Bauelemente notwendig sind. Der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder kann ohne besonderen Aufwand einen herkömmlichen Steckverbinder ersetzen, wobei die Stückkosten durch die kompakte Bauform und die Möglichkeit einer großtechnischen Herstellung in einem finanziell vertretbaren Bereich liegen. Ferner ist eine Reduzierung von fortlaufenden Betriebskosten durch die Verringerung des Prüfaufwandes bei Widerholungsprüfungen der angeschlossenen Geräte gegeben sowie eine Integrationsmöglichkeit in etablierte kabellose Kommunikationsnetze. Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich Ausfälle von angeschlossenen Verbrauchern minimieren und Betriebszustände für ein Monitoring übertragen.
Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben.
In einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen elektrischen Steckverbinder, der zunächst ein elektrisch isolierendes Gehäuse (1) mit einer Kabeleinführung (101) an einem ersten Ende und einer Basis (103) an einem zweiten Ende umfasst. Ferner umfasst der elektrische Steckverbinder mindestens zwei Kontaktstifte (3a, 3b), die in der Basis (103) aufgenommen sind, wovon zumindest ein Kontaktstift (3a, 3b) schaltbar ist.
Das elektrisch isolierende Gehäuse (1) ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gefertigt und weist beispielsweise eine dem Fachmann bekannte Form als SchuKo-Stecker, Stecker-Typ-F oder CEE-7/4-Stecker auf, wie sie in Europa weit verbreitet sind. Der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder kann aber grundsätzlich jede Steckerform annehmen, beispielsweise auch die in den USA gebräuchliche Form.
Mit „Basis“ wird in der vorliegenden Erfindung der zur Steckdose weisende Teil des elektrischen Steckverbinders bezeichnet, der im gesteckten Zustand im Inneren der jeweiligen Steckdose aufgenommen ist. Die Basis (103) dient neben der Isolierung der innenliegen Teile auch dazu, die mindestens zwei Kontaktstifte (3a, 3b) in einem definierten Abstand zu halten.
Das elektrisch isolierende Gehäuse (1) kann ferner einen Schutzleiter (PE) (d.h. Erdung) als dritten Pol aufweisen oder für die Aufnahme eines dritten Pols in der Basis (103) aufgelegt sein (z.B. für US-Stecker).
In das elektrisch isolierende Gehäuse (1) führt ein zumindest zweiadriges Kabel (105) zur Verbindung mit einem Verbraucher (15), dessen zumindest zwei Adern mit den mindestens zwei Kontaktstiften (3a, 3b) verbunden sind. Die zumindest zwei Adern sind gewöhnliche Phase (L) und Nullleiter (N), eine dritte Ader kann als Schutzleiter (PE) vorhanden sein.
Ferner umfasst der elektrische Steckverbinder zumindest eine Schaltvorrichtung (5) zum Schalten des zumindest einen Kontaktstifts (3a, 3b) und zumindest eine interne Energieversorgung (7) für die zumindest eine Schaltvorrichtung (5).
Unter „Schaltvorrichtung“ wird in der vorliegenden Erfindung ein bidirektionaler Stromschalter verstanden, der mit einer externen Stromversorgung in Reihe geschaltet ist. Der bidirektionale Stromschalter kann beispielsweise ein Triac (TRIAC - Triode for Alternating Current) sein und ist zwischen einen ersten Knoten A (d.h. Übergang Kontaktstift (3a, 3b) auf Schaltvorrichtung (5)) und einen zweiten Knoten B (Übergang Schaltvorrichtung (5) auf einen Leiter des Kabels (105)) geschaltet. Der bidirektionale Stromschalter kann einen elektronischen Schalter aufweisen, welcher Ströme in zwei Richtungen fließen lässt, und aus einem oder mehreren der Elemente Metall-Oxid-Halbleiterfeldeffekt-Transistor, siliziumgesteuerte Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung, bidirektionaler Trioden-Thyristor, bipolarer Transistor mit isoliertem Gate, Sperrschicht-Feldeffekttransistor, Thyristor und Optokoppler bestehen. Die genannten Stromschalter, welche aus dotiertem Silicium-Material bestehen können, werden somit zu steuerbaren Halbleitern. Beispielsweise können zwei Metall-Oxid-Halbleiterfeldeffekt-Transistoren einen steuerbaren bidirektionalen Stromschalter bilden, zwei siliziumgesteuerte Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltungen einen steuerbaren bidirektionalen Stromschalter bilden, zwei bipolare Transistoren mit isoliertem Gate einen steuerbaren bidirektionalen Stromschalter bilden oder zwei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren einen steuerbaren bidirektionalen Stromschalter bilden. Es sind bidirektionale Stromschalter, so auch eine SiC-basierte MOSFET-Technologie oder Solid-State-Relais einsetzbar. Auch die im Automobilbereich eingesetzten, mit Wasserstoff oder Stickstoff gefüllten Trennschalter sind bidirektionale Stromschalter im erfindungsgemäßen Kontext.
Mit „Energieversorgung“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Spannungsversorgung mit einem Transformator und einer primärseitigen Energieversorgung bezeichnet, wobei der Transformator mindestens eine Primärwicklung und mindestens eine Sekundärwicklung und/oder eine Energiequelle mit Energiespeicherfunktion wie z.B. chemische Zellen (Batterie oder Akkumulator) oder Kondensatoren aufweist. Kombinationen sind ebenso erfindungsgemäß verwendbar.
Der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zumindest ein Kontaktstift (3a, 3b) schaltbar ist.
„Schaltbar“ bedeutet für die vorliegende Erfindung, dass der Stromfluss durch diesen zumindest einen Kontaktstift (3a, 3b) von außen bewusst bzw. gezielt ein- und ausgeschaltet werden kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit, bedarfsorientiert den elektrischen Steckverbinder zu schalten und damit den angeschlossenen Verbraucher (15) zu steuern.
Vorteilhaft ist, dass der Verbraucher einschließlich Anschlussleitung (Kabel (105)) vom elektrischen Versorgungsnetz (17) getrennt ist. In einem in eine Steckdose (19) eingesteckten Zustand sind die Kontaktstifte (3a, 3b) des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders mit dem elektrischen Versorgungsnetz (17) verbunden. Die Anschlussleitung (Kabel (105)) ist somit vom elektrischen Versorgungsnetz (17) getrennt. Sind die Kontaktstifte (3a, 3b) abgeschaltet, so sind die Anschlussleitungen (Kabel (105)) und die damit angeschlossenen Verbraucher (15) spannungsfrei. Das bedeutet, dass im Fehlerfall der Anschlussleitung (Kabel (105)) und bei z.B. beschädigter Isolierung die Gefährdung von Personen verringert ist. Ebenso ist die Anzahl potentiell spannungsführender und berührbar leitfähiger Teile bei defekter Isolation verringert. Ferner sind die Funktionen, die nach dem Stand der Technik beispielsweise in einem Zwischenstecker untergebracht sind, erfindungsgemäß in dem elektrischen Steckverbinder integriert, so dass sich der Prüfaufwand reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders umfasst dieser ferner ein Funk-Modul (9), das mit der zumindest einen internen Energieversorgung (7) verbunden ist und mit der zumindest einen Schaltvorrichtung (5) in funktioneller Verbindung steht.
Unter „Funk-Modul“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Einheit verstanden, die Signale drahtlos empfangen und senden kann. Damit wird es erfindungsgemäß möglich, den elektrischen Steckverbinder mittels der mit dem Funk-Modul (9) in funktioneller Verbindung stehenden zumindest einen Schaltvorrichtung (5) stehenden drahtlos von außen zu steuern.
Dabei wird das Funk-Modul (9) von der zumindest einen internen Energieversorgung (7) mit elektrischer Energie versorgt. Die funktionelle Verbindung von dem Funk-Modul (9) zu der zumindest einen Schaltvorrichtung (5) besteht unter anderem darin, dass vom Funk-Modul (9) empfangene Signale beispielsweise in einem Schaltbefehl „EIN“ oder „AUS“ an die Schaltvorrichtung (5) weitergegeben werden. Diese Weitergabe erfolgt insbesondere über eine Leitungsverbindung zwischen Funk-Modul (9) und Schaltvorrichtung (5).
In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform weist das Funk-Modul (9) ferner eine Erweiterungseinheit (901) zur Erfassung und Auswertung von elektrischen Messwerten auf. Die Erweiterungseinheit (901) stellt eine Erweiterung der Standardschaltung (z.B. WLAN-Modul) mit geringem Aufwand und ferner platzsparend dar. Die Erweiterungseinheit (901) ist im Material so anpassbar, dass die Integration in einer der inneren Form des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders anpassbar ist. Die entsprechende Elektronik ist auf flexiblen Leiterplatten platziert und somit der inneren Form des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders angepasst.
Der Begriff „Elektronik“ beschreibt hier die Steuerung des elektronischen Stromes durch elektronische Schaltungen, aber auch durch damit in Zusammenhang stehende elektrische Schaltungen. „Elektronik“ ist in diesem Kontext weiter die Bezeichnung für die Gesamtheit elektronischer Anwendungen, die informationsmäßig zur Verarbeitung der elektrischen Signale vorhanden ist. Die „Elektronik“ umfasst Schaltungen für Messungen, Steuerungen von elektronischen Schaltern, für Maßnahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit und Entstörmaßnahmen.
Unter „Erweiterungseinheit“ ist vorliegend eine Elektronik zur Messwerterfassung, Messwertverarbeitung und Messwertspeicherung zu verstehen. Sensoren (z.B. eine Spule) sind mit Wicklungsenden angeschlossen.
Die erfassten und ausgewerteten elektrischen Messwerte können beispielsweise Ströme, Spannungen, Widerstände und Impedanzen sein. Konkrete Beispiele sind Ableitstrom, Schutzleiterstrom, Betriebsströme; Widerstandswerte von Isolationen, Impedanzen, Spannung bzw. Spannungsabfälle an Kondensatoren, Widerständen/Impedanzen etc..
In der Erweiterungseinheit (901) kann ein Mikrocontroller-System genutzt werden, das eine Funktion für die Temperaturüberwachungen aufweist. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Temperatur im elektrischen Steckverbinder zu überwachen und beispielsweise einer Brandgefahr aufgrund von Überhitzung durch eine automatische Abschaltung des zumindest einen schaltbaren Kontaktstifts (3a, 3b) bei Überschreitung einer definierten Temperatur entgegenzuwirken.
Es ist bevorzugt, wenn das Funk-Modul (9) ausgewählt ist aus einem WLAN-Modul, einem Bluetooth-Modul, einem auf einem LTE-Standard basierenden Modul (z.B. G4 oder G5), einem GSM-Modul, und/oder einem Sub-GHz-Funktechnik-Modul. Ein WLAN-Modul stellt etablierten Standard dar und ist in Heimnetzwerken und in der Industrie implementierbar. Ein Bluetooth-Modul wird bei kurzen Übertragungswegen von Maschinen zu Maschinen (in der Industrie) eingesetzt. Beide Arten von Modulen sind günstig erwerbbare Funk-Module mit relativ geringem technischen Aufwand und geringer Peripherie.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders sind der zumindest eine schaltbare Kontaktstift (3a, 3b) und die zumindest eine Schaltvorrichtung (5) als integriertes Bauteil ausgeführt, bei dem die Schaltvorrichtung (5) am internen Ende des Kontaktstift (3a, 3b) angebracht ist.
Als „integriertes Bauteil“ wird hier eine Baugruppe verstanden, bei der die Schaltvorrichtung (5) fest, aber ggf. wieder lösbar an dem zumindest einen schaltbaren Kontaktstift (3a, 3b) angebracht ist. Diese Anbringung kann beispielsweise durch Einschrauben der Schaltvorrichtung (5) in ein Innengewinde in dem Kontaktstift (3a, 3b) vorgenommen werden. Alternativ können Kontaktstift (3a, 3b) und Schaltvorrichtung (5) auch durch beispielsweise Löten stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Das Halbleitergehäuse der Schaltvorrichtung (5) und die Kontaktstifte (3a, 3b) können ferner alternativ aus einem Stück und einem einzigen Material gefertigt sein, worauf nachstehend noch eingegangen wird.
Durch diese Ausführung als integriertes Bauteil wird eine direkte (thermische) Verbindung zwischen den Kontaktstiften (3a, 3b) und der wärmeerzeugenden Elektronik beispielsweis in dem Funk-Modul (9) und/oder der Erweiterungseinheit (901) hergestellt, wodurch die erzeugte Wärme in dem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder durch die vergrößerte Oberfläche schneller abgeführt werden kann.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders kann ferner eine Spule (11) zur Erfassung und Auswertung des Stromflusses in dem zumindest zweiadrigen Kabel (105) umfasst sein.
Die Spule (11) hat den Vorteil, dass durch eine Ausführung mit mehreren Anschlüssen (mehrere Wicklungen bzw. eine Wicklung mit mehreren „Abgängen“) die Bereiche von Messwertgrößen selektiver sind, das heißt die Genauigkeit erhöht wird. Ferner ist eine kontaktlose / berührungslose Messung möglich, während nach dem Stand der Technik bei der Strommessung über einem Messwiderstand sich der Widerstand in der Leitung (Hauptstromkreis) erhöht und somit Verluste auftreten. Über Temperaturmessung (kontaktlos) ergibt sich darüber hinaus eine höhere Mikrocontroller-Rechenleistung bzw. ist alternativ eine Tabelle im Kontroller zu hinterlegen, auf die als Reverenz-Werte zugegriffen wird.
Die „Spule“ umfasst in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise mindestens einen elektrisch leitenden Draht, der in einer Vielzahl von Windungen zu mindestens einer Wicklung aufgewickelt ist.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die zumindest eine interne Energieversorgung (7) ein AC/DC-Wandler ist, der primärseitig an die mindestens zwei Kontaktstifte (3a, 3b) und sekundärseitig an die zumindest eine Schaltvorrichtung (5) und/oder das WLAN-Modul (9) angeschlossen ist.
Auf diese Weise ist es mit geöffneten Schaltervorrichtungen (5) und in eine Steckdose (19) eingesteckten Kontaktstiften (3a, 3b) möglich, die Schaltvorrichtung (5) und/oder z.B. das WLAN-Modul als Funk-Modul (9), ggf. einschließlich der Erweiterungseinheit (901), mit Energie zu versorgen, wodurch der Hauptstromkreis steuerbar ist, entweder über eine interne Auswertung von Messgrößen oder/und über die Anbindung an das Funk-Modul (9). Die Trennung in Primärseite und Sekundärseite ermöglicht eine Isolationsmessung bei gleichzeitiger Versorgung mit Energie. Eine Isolationsmessung ist beispielsweis mit einer Gleichspannung durchzuführen. Für nach DIN VDE 0701-0702:2008-06 geforderte Messungen sind unterschiedliche Spannungen bzw. Ströme notwendig, wie beispielsweise bei der Isolationsmessung in 3 angegeben. Dabei speist ein Gleichspannungsgenerator (G) über einen angeschlossenen Widerstandsmesser (Ω) einen angeschlossenen Verbraucher (15) (vgl. 3). Eine Widerstandsmessung wird durch Strom- und Spannungsmessung durchgeführt.
Mit „AC/DC-Wandler“ wird ein dem Fachmann bekannter Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler bezeichnet. Dieser Wandler gibt erfindungsgemäß an, dass die primärseitige Spannungsversorgung mit wenigstens einer Gleichspannungsquelle verbunden und so aufgebaut ist, dass in dem Transformator zwei Windungsspannungen mit Amplituden erzeugbar sind.
„Primärseitig“ und „sekundärseitig“ geben die Seite an, an der elektrische Energie zugeführt (primärseitig) und an der elektrische Energie abgeführt (sekundärseitig) wird.
Mit einer galvanischen Trennung wird es ermöglicht, die Energie für die Messelektronik und die interne Energieversorgung (7) bereitzustellen und zu liefern. Dabei ist keine direkte elektrische Verbindung zur Einspeisung notwendig. Bei der Isolationsmessung werden somit ausschließlich Bauteile auf der Sekundärseite bis zum Verbraucher (15) erfasst. Weiter ist der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder einfach drehbar in eine Steckdose (19) einsteckbar. Das heißt, in einer Position ist der eine Kontaktstift (3a) mit der Phase (L) der Steckdose (19) verbunden und der andere Kontaktstift (3b) mit dem Nullleiter (N). Bei gedrehtem elektrischem Steckverbinder ist der eine Kontaktstift (3a) mit dem Nullleiter (N) in der Steckdose (19) und der andere Kontaktstift (3b) mit der Phase ()L) in der Steckdose (19) verbunden.
Unter galvanischer Trennung (auch galvanische Entkopplung) versteht man das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen Leistung (hier auch als Hauptstromkreis bezeichnet) oder Signale (Steuerstromkreis) ausgetauscht werden. Die elektrische Leitung wird dabei durch elektrisch nicht leitfähige Kopplungsglieder aufgetrennt. Bei der galvanischen Trennung sind die elektrischen Potentiale voneinander getrennt und die Stromkreise sind dann untereinander potentialfrei.
In einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders als Teilnehmer in einem externen WLAN-Netz. Damit ist der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder weltweit über Tablets, PC oder Handys steuerbar.
Als „externes WLAN-Netz“ wird hier ein WLAN-Netz bezeichnet, bei dem die Verbindung zum Router zumindest teilweise drahtlos erfolgt, beispielsweise über eine WLAN- oder WiFi-Verbindung, wie dies für Rechner (bzw. Tablet PC) und Fernsehgeräte bzw. ein TV-Gerät beispielsweise Stand der Technik ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der mit dem internen WLAN-Netz zusammengefassten Geräte über eine Drahtlosbrücke bzw. eine Reichweitenverlängerung für die Drahtloskommunikation (Bridge) an den Router angebunden sind, beispielsweise für Beleuchtungsgeräte (z.B. eines Hauses oder einer Wohnung), Haushaltsgeräte oder Bürogeräte.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders als Access Point zum Aufbau eines internen WLAN-Netzes.
Dieser Aspekt bringt den Vorteil, dass der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder als unabhängige Struktur verwendbar ist, unabhängig von bestehenden Heimnetzen und unabhängig von vorhandener Funk-Infrastruktur.
Als „internes WLAN-Netz“ wird hier ein WLAN-Netz bezeichnet, das durch die Struktur des Funk-Moduls (9) im erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder aufgebaut ist. Dabei sind mehrere Funk-Module (9) von erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbindern miteinander gekoppelt. Ein Funk-Modul (9) stellt somit den Access Point.
Unter „Access Point“ wird allgemein ein elektronisches Gerät verstanden, das als Schnittstelle für kabellose Kommunikationsgeräte fungiert. In einem typischen WLAN-Funknetz nach dem Standard IEEE 802.11 werden mehrere sogenannte Clients verwendet, die mit einem Access Point verbunden werden. Die Clients können über den Access Point auf andere mit dem Access Point verbundene Gerate (auch Clients) zugreifen. Der Access Point kann beispielsweise zugleich den Zugang zum Internet (WLAN- Router) bereitstellen.
Den vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung bildet die Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders zur Betriebszustandserfassung von elektrischen Betriebsmittel und/oder zur Isolationsüberwachung und/oder zur Widerstandsmessung.
Mit diesem Aspekt werden eine automatisierte Technik und Verfahren zum Messablauf (nach DIN VDE 0701-0702:2008-06) bereitgestellt. So wird ein Teil für Widerholungsprüfungen für Geräte der Schutzklasse 1, Isolationsmessung, Widerstandsmessung von Schutzleitern und Ableitstrommessung ermöglicht. Ein Teil der Widerholungsprüfung umfasst die Dokumentation.
Bei der Isolationsüberwachung stellt der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder eine Art Isolations-Messvorrichtung dar, mit der Werte für die Güte der Isolation ermittelt werden. Um das Isoliervermögen der angeschlossenen Verbraucher (15) nachzuweisen, wird zunächst das Messen des Isolationswiderstandes mit einer Nenngleichspannung und zusätzlich das Messen der Ableitströme (Schutzleiterstrom bzw. Berührungsstrom) mit Netzspannung durchgeführt (vgl. DIN VDE 0701-0702:2008-06).
Bei der Widerstandsmessung arbeitet der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder als eine Art Widerstands-Messvorrichtung, mit der die Widerstände bzw. Impedanzen der angeschlossenen Verbraucher (15) sowie der Leitungsverbindungen erfasst werden. Diese Werte werden über Strom- und Spannungsmessung ermittelt.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders nach einer Ausführungsform der Erfindung, und
2 eine schematische Schnittdarstellung des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders,
3 eine schematische Messanordnung für die Isolationsmessung mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder und
4 ein Ablaufschema zur Verfahrensbeschreibung einer automatisierten Messung.

In 1 wird eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der elektrische Steckverbinder weist ein Gehäuse 1 mit einer Kabeleinführung 101 an einem ersten (oberen) Ende und einer Basis 103 an einem zweiten (unteren) Ende auf. Das Gehäuse 1 ist dabei vorteilhafterweise mehrteilig ausgestaltet, wobei die Basis 103 die einzelnen Komponenten trägt und eine nicht näher dargestellte Kappe mit der Kabeleinführung 101 diese umgibt. Durch die Kabeleinführung 101 führt ein zumindest zweiadriges Kabel 105 zu jeweiligen Verbraucher 15.
Aus der Basis 103 führen in dieser Ausführungsform zwei Kontaktstifte 3a, 3b heraus. Die dargestellte Ausführungsform entspricht in Anordnung und Abmaßen den in Deutschland üblichen Netzsteckern mit Schutzleiteranschluss (vgl. DIN VDE 0620-1:2005-04). Die Kontaktstifte 3a, 3b haben dabei einen Durchmesser von 4,8 mm, eine freie Länge von 19 mm und einen Achsenabstand von 19 mm. Die beiden Kontaktstifte 3a, 3b sind Phase L und Nullleiter N. Die korrespondierende Steckdose 19 verfügt über Kontaktfedern, in die die Kontaktstifte 3a, 3b bei in die Steckdose 19 gestecktem elektrischen Steckverbinder eingreifen.
Der elektrische Steckverbinder dieser Ausführungsform weist ferner einen Schutzleiter PE (als Erdung) auf, der in der korrespondierenden Steckdose 19 mit entsprechenden Kontaktfedern in Verbindung steht. Hierzu ist das Kabel 105 dann dreiadrig ausgestaltet. Darüber hinaus weist der elektrische Steckverbinder in seinem Gehäuse 1 ein Führungselement 107 zum sicheren Einstecken in die korrespondierende Steckdose 19 auf.
Das zumindest zweiadrige Kabel 105 dient nicht nur der Strom- bzw. Spannungsversorgung des angeschlossenen Verbrauchers 15, sondern auch in indirekter Form der Versorgung einer zumindest einen Schaltvorrichtung 5 mittels zumindest einer internen Energieversorgung 7.
Die angeschlossenen Verbraucher 15 können jede Art von elektrischem Gerät aus dem Haushalt, der Werkstatt, dem Büro oder der Industrie sein. Zu den Verbrauchern 15 gehören in erster Linie gebrauchsfertige elektrische Betriebsmittel wie z. B. elektrische Gebrauchs- und Arbeitsgeräte, Geräte der Informationstechnik, elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte, die an die elektrische Anlage angeschlossen werden können.
2 stellt schematisch im Schnitt den in 1 gezeigten erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder dar. Zur Übersichtlichkeit ist ein Teil des Gehäuses 1 mit der Kabeleinführung 101 und dem Kabel 105 weggelassen.
Die Basis 103 des Gehäuses 1 hält zunächst die beiden Kontaktstifte 3a, 3b in Position. Am oberen Ende der Kontaktstifte 3a, 3b ist jeweils eine Schaltvorrichtung 5 angebracht, die in dieser Ausführungsform als Thyristor ausgebildet ist. Ferner ist als Funk-Modul 9 in dieser Ausführungsform ein WLAN-Modul mit Erweiterungseinheit 901 dargestellt, um die Schaltvorrichtung 5 zu steuern.
Die interne Energieversorgung 7 umfasst in dieser Ausführungsform einen AC/DC-Wandler, der elektrische Energie aus dem (nicht dargestellten Kabel 105) für den Einsatz in der Schaltvorrichtung 5 (Thyristoren) bereitstellt. Der hier eingesetzte AC/DC-Wandler ist primärseitig an den Kontaktstiften 3a, 3b angeschlossen, sekundärseitig wird die vorhandene Elektronik (d.h. Schaltvorrichtung 5, Funk-Modul 9, Erweiterungseinheit 901) versorgt. Im eingesetzten AC/DC-Wandler ist die galvanische Kopplung in Form eines Transformators sichergestellt.
Durch eine elektrische Entkopplung von Hauptstromkreis (230 V) und Steuerstromkreis (5 V / 3,3 V) mit der internen Energieversorgung 7 sind isolierende Abstände (Überschlag) einzuhalten. Durch die Trennung zwischen Hauptstromkreis und Steuerstromkreis wird erreicht, dass die sekundärseitig angeschlossene Peripherie geringere isolierende Abstände aufweist und Bauteile mit geringerer Isolationsfestigkeit verwendet werden. Mit handelsüblichen Standardelementen der Elektronik wird erfindungsgemäß ein Miniatursystem realisiert (z.B. mit einem „surface mounted device“, SMD, d.h. oberflächenmontiertes Bauelement, auf flexiblen- bzw. teilflexiblen Leiterplatten), so dass sich eine hohe Integrationsdichte in dem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder ergibt.
Schließlich ist die Spule 11 dargestellt, hier als ein mit Draht (d.h. Spulendraht als elektr. Leiter) umwickelter Kern. Ausführungsvarianten sind unter anderem ein umwickelter Leiter (Hauptstromkreis) mit „Spulendraht“ oder ein Kern mit zwei durchgehenden Öffnungen für die Leiter des Hauptstromkreises und ein umwickelter Spulendraht zur Messauswertung
3 zeigt eine schematische Messanordnung für die Isolationsmessung mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder im Rahmen einer automatisierten Messung bei Einstecken des elektrischen Steckverbinders in eine Steckdose 19 bis zur Freigabeschaltung und Spannungsversorgung an den angeschlossenen Verbraucher 15.
Dabei ist das einspeisende Versorgungsnetz 17 als drei waagrechte Leiter des Kabels 105 (Phase L / Nullleiter N / Schutzleiter PE) im oberen Bildabschnitt dargestellt.
Senkrecht anschließend enden die drei Leiter L, N, PE in den Kontakten einer lösbaren Verbindung (Steckdose 19 mit Phase L, Nullleiter N, Schutzleiter PE). Der an den erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder angeschlossene Verbraucher 15 ist im unteren Bildabschnitt dargestellt. Mit den Kontaktstiften 3a, 3b und dem Schutzleiter PE sind die Kontakte des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders dargestellt. Knoten A und Knoten B sind beispielhaft an dem Kontaktstift 3b eingezeichnet. Im Inneren unteren Schaltbild des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders ist die Isolationsmessung symbolisiert. Der Generator G ist über einen Widerstandsmesser Ω an den Anschlüssen des Schutzleiters PE und des Nullleiters N des Verbrauchers 15 angeschlossen. Die Isolationsmessung erfolgt zwischen dem Schutzleiter PE und dem Nullleiter N des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders über das Kabel 105 bis zum Verbraucher 15.
Nachstehend wird auf die Funktionsweise des erfindungsgenmäßen elektrischen Steckverbinders eingegangen. Wenn in dieser Beschreibung der Funktionsweise (d.h. eines Verfahrens) gegenständliche Merkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf den erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder.
Mit dem Einstecken des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders in eine handelsübliche Steckdose 19 wird der AC/DC-Wandler (d.h. interne Energieversorgung 7) mit Strom versorgt. Die Gehäuse der Thyristoren (d.h. Schaltvorrichtung 5) die an den Kontaktstiften 3a, 3b angeschlossen sind, stehen mit dem Einstecken unter Netzspannung von z.B. 230 V Wechselstrom. In diesem Zustand sind die Halbleiter der Thyristoren geöffnete Schalter. Ein angeschlossener Verbraucher 15 wird in diesem Zustand nicht mit elektrischer Energie versorgt. Die Sekundärseite des AC/DC-Wandler versorgt jetzt die nachgeschaltete, im erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder integrierte Elektronik (d.h. Schaltvorrichtung 5, Funk-Modul 9, Erweiterungseinheit 901).
Die Einschaltbedingung ist die Freigabe einer positiv bestandenen Messung, das heißt, Messungen von Isolationswert und/oder Schutzleiterstrom und/oder Ableitstrom. So ist beispielsweise ein ermittelter Isolationswiderstandswert von 2 MOhm und größer als zulässiger Grenzwert eingestellt, so dass der Messwert ein Vergleich mit einem Grenzwert zur Freigabe wird. Diese werden durchgeführt, da über den AC/DC-Wandler Energie zur Verfügung steht. Bei bestandener Messung wird eine Freigabe auf der Erweiterungseinheit 901 generiert. Dieses Signal wird weitergegeben und signalisiert einem Mikrokontroller, der auf der Erweiterungseinheit 901 angeordnet ist, den Zustand der Überprüfung. Positiv bestandene Messungen/Prüfungen erzeugen Schaltbefehle (steuern diese an) an einen Optokoppler. Ein Optokoppler ist vorliegend je Schalter (an den Kontaktstiften 3a, 3b) vorhanden (nicht dargestellt in den Figuren). Die eine Seite des Optokopplers ist mit dem Schalter (Thyristor) über Steuerleitungen verbunden. Die andere Seite des Optokopplers ist mit der Erweiterungseinheit 901 über Steuerleitungen verbunden. Diese sind über Steuerleitungen angeschlossen (und somit an den Thyristoren) und in Freiräumen des Inneren des erfindungsmäßen elektrischen Steckverbinders platziert, konkret in Nähe der Basis 103, des Schutzleiters PE und der Kontaktstifte 3a, 3b,. Die Kontaktstifte 3a, 3b werden geschaltet. Die Messergebnisse sind über das WLAN-Modul übertragbar, beispielsweise als Daten wie Betriebsstrom, Isolationswiderstand, Schutzleiterstrom, Ableitstrom.
Wie vorstehend beschrieben ist das WLAN-Modul als Funk-Modul 9 mit Erweiterungseinheit 901 ein Teil der integrierten Elektronik. Wenn das WLAN-Modul durch den vorstehend beschriebenen AC/DC-Wandler mit elektrischer Energie versorgt wird, meldet es sich als üblicher WLAN-Teilnehmer in einem erreichbaren WLAN-Netz an.
Da jedes WLAN-Modul eine identifikationsmäßige MAC-Adresse aufweist, wird eine Zuordnung dieses WLAN-Moduls zu seinem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder ermöglicht, wodurch wiederum eine Zuordnung des an dem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder angeschlossenen Verbrauchers 15 möglich ist. Das WLAN-Modul sendet und empfängt dabei Daten als Teilnehmer in dem vorhandenen WLAN-Netz.
Eine weitere Funktion ergibt sich, wenn das WLAN-Modul als Access Point verwendet wird. Mit einem entsprechenden Code auf dem Microcontroller des WLAN-Moduls loggt es sich in ein bestehendes WLAN ein und bezieht von dort per DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) eine IP-Adresse. Als Access Point loggt sich das WLAN-Modul dann nicht in ein bestehendes WLAN ein, sondern erzeugt ein eigenes, internes WLAN. Mit diesem neuen, internes WLAN kann sich ein Nutzer mittels PC oder mobiler Endgeräte (Tablet, Smartphone, etc.) verbinden.
Neben einer Antenne und verschiedener Peripherie ist ein Microcontroller mit auf dem WLAN-Modul realisiert. Dies erlaubt das Anzeigen von Statuseigenschaften bzw. die Ansteuerung von Ausgängen des Microcontroller. Dadurch kann ein Ausgang über einen programmierten Webserver (z.B. Internetbrowser, PC etc.) angesteuert werden. Die Gates der Thyristoren (Halbleiter als Schalter) werden angesteuert und die Schalter schließen sich. Somit wird der Verbraucher 15 am Ende des Kabels 105 mit Spannung versorgt.
Ist dieser Verbraucher 15 zusätzlich mit einem Handbetätigungsschalter versehen und der Handbetätigungsschalter auch betätigt, wird der Verbraucher 15 mit Strom versorgt. Strom fließt nun von der herkömmlichen Netzsteckdose 19 über die Kontaktstiften 3a, 3b, weiter über die Thyristoren (als Schalter) und das Kabel 105 zum elektrisch angeschlossenen Verbraucher 15.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform weist das WLAN-Modul als Funk-Modul 9 die Erweiterungseinheit 901 aus. Mit dem betriebsbereiten WLAN-Modul und dem Stromfluss in der Zuleitung ist somit eine WLAN-Erweiterung zur Auswertung vorhanden. Das Prinzip beruht auf dem herkömmlichen eingesetzten Fehlererkennungsprinzip bei z.B. RCDs (nach dem Fehlerdifferenzstromverfahren) oder dem Verfahren in Personenschutzsteckern. Bei einer Variante wird die Summe aller Ström ausgewertet.
In einer anderen Variante wird die Spule 11 ausgewertet, in der ein elektrisches Feld einkoppelt, das von einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter des Kabels 105 (nachfolgend „Leiter im Hauptstromkreis“; z.B. Nullleiter N) entsteht.
Die Ausführung am WLAN-Modul beschreibt beispielhaft die Erfassung der Werte an der Spule 11. Die Isolationswerterfassung (Strom- und Spannungsmessung) kann auch auf weiterer separater Elektronik erfolgen (d.h. ein weiteres Modul im Gehäuse 1 des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders). Diese ist auch auf flexiblen Leiterplatten integrierbar und somit der Form des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders anpassbar. Die Isolationsmessung ist in den Figuren nicht mit aufgeführt.
Herkömmlicherweise führt bei einer Schutzschaltung ein definierter Stromfluss (z.B. 30 mA) im Schutzleiter/Potentialausgleichsleiter zum Öffnen von Kontakten im Hauptstromkreis (Außenleiter und Nullleiter), so dass im Fehlerfall die nachgeschalteten Verbraucher 15 spannungsfrei sind; im Fehlerfall wird ab-/freigeschaltet.
In der Erfindung wird die Erweiterungseinheit 901 des WLAN-Moduls in ähnlicher Art und Weise Art genutzt, indem ein definierter Stromfluss ausgewertet wird. Hierzu wird erfindungsgemäß die Spule 11 zur Auswertung des Stromflusses im Hauptstromkreis herangezogen. Durch die offene Mitte der Spule 11 wird ein Leiter des Kabels 105 des Hauptstromkreises, beginnend am Ausgang der Schaltvorrichtung 5 (z.B. Halbleiter im Thyristor) aus dem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder heraus zum Verbraucher 15 geführt. Dieser Leiter des Kabels 105 erzeugt ein Feld und lässt die entstehende Spannung in der Spule 11 an den Spulenenden durch die Schaltung auswerten. Diese Schaltung gibt einen definierten Schaltzustand wieder (z.B. ein/aus bzw. 0/1), wenn ein festgelegter Stromschwellenwert erreicht und/oder übertroffen wird. Das Signal wird von einem im WLAN-Modul integrierten Mikrocontroller ausgewertet und weiterverarbeitet.
Mit dem WLAN-Modul wird somit eine 0 bzw. 1 an einen Webserver im WLAN-Netz übertragen. Im zyklischen Abfrage-Modus, ob der Ausgang 0 oder 1 ist, ist die Zeit des Betriebsmodus ersichtlich. Die Messwerte für die Messung nach DIN VDE 0701-0702:2008-06 sind dann als Werte übermittelt.
Bricht der Stromfluss im Hauptstromkreis zum Verbraucher 15 ab, erfasst der Mikrocontroller ein gegenteiliges Signal. Dieses zweite Signal stellt den Bereitschaftsmodus des angeschlossenen Verbrauchers 15 dar und ist auch im Webserver erkennbar, da das WLAN-Modul bei eingestecktem erfindungsgemäßem elektrischen Steckverbinder mit elektrischer Energie versorgt wird und im WLAN-Netz senden/empfangen kann.
Weiter dient eine auf Induktion beruhende Messung in einer Spule 11 zum Messen von Schutzleiterströmen / Ableitströmen für die Anforderungen nach DIN VDE 0701-0702:2008-06. In Erweiterung mit einer weiteren Spule 11 ist auch diese Prüfung durch das Umstecken des elektrischen Steckverbinders automatisiert, so dass der Forderung der Messung in unterschiedlichen Spannungspolarität entsprochen wird. Bei den vorgeschriebenen Widerholungsprüfungen sind Anschlussstecker von Verbrauchern 15 nach einer Messung zu drehen, damit die Spannungspolarität überprüft werden kann. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen weiteren Spule 11 wird messtechnisch diese Spannungspolarität erfasst und somit beide Polaritäten gemessen.
Über den Webserver ist damit nicht nur der Modus des angeschlossenen Verbrauchers 15 sichtbar, sondern es lassen sich auch Mikrocontrollerausgänge ansteuern. An den Ausgängen des Mikrocontrollers können Schalter in Form von Relais oder Halbleitern über Hilfsschalter (z.B. Optokoppler) angeschlossen sein.
In einer Weiterbildung sind die Kontaktstifte 3a, 3b und die Schaltvorrichtung 5 als integriertes Bauteil ausgeführt. Eine spezielle Ausführungsform nutzt Thyristoren in einem beispielsweise modifizierten TO-65 Gehäuse. Dabei ist das Thyristorgehäuse als „Anode“ ausgeführt. Zwei weitere Anschlüsse an jedem Thyristor sind das „Gate“ und die „Kathode“. Die Kathode wird genutzt, um die Leitung zum Verbraucher 15 anzuschließen, das Gate dient zur Ansteuerung des Schalters. An der Anode ist einer der Kontaktstifte 3a, 3b angeschlossen.
In der 2 sind beide Kontaktstifte 3a, 3b schaltbar dargestellt. Damit ist eine allpolige Abschaltung des angeschlossenen Verbrauchers 15 möglich. Die Thyristoren als Schaltvorrichtung 5 sind dabei in Innengewinde in den Kontaktstiften 3a, 3b eingeschraubt. Alternativ können die Kontaktstifte 3a, 3b auch als Halbleiter komplett gefertigt werden. Dabei ist auf die Materialwahl hinsichtlich der Eigenschaften zu achten (siehe Normung). Wird eine Gehäuseform vorgegeben, kann anschließend der Kontaktstifte 3a, 3b gebondet werden. Das Gehäuse (z.B. Anode) kontaktiert dann ein spannungsführendes Teil in der Netzsteckdose 19.
Dabei sind die Halbleitereigenschaften variabel anwendbar, z.B. kann ein Siliziumkristall nach den Eigenschaften eines T112-16-7-2 zum Einsatz kommen, wobei die Kathode und das Gate am Ende des Kontaktstifts 3a, 3b herausgeführt sind. Bei dieser Bauweise als Schaltvorrichtung 5 ist eine kompakte Bauweise möglich, welche von etablierten Varianten (z.B. Relais bzw. Halbleiterelemente auf Platinen platziert) abweicht. Dadurch sind erfindungsgemäß minimale Leitungswege möglich, woraus ein geringeres mögliches Bauvolumen sowie eine Verringerung von Kontakt- und Übergangswiderständen folgt.
Ferner erzeugt jeder Halbleiter (bzw. jedes Relais) mit seinem inneren Widerstand (z.B. als Kontaktwiderstand in Relais oder als R_Son in Halbleitern) Verlustenergie in Form von Wärme. Es ist dabei vorteilhaft, diese Wärme abzuführen. Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Kontaktstifte 3a, 3b wird erzeugte Wärme vom Gehäuse des Thyristors direkt an die Kontaktstifte 3a, 3b abgegeben. Die Oberfläche wird so ohne zusätzliche Kühlflächen vergrößert und damit eine bessere Wärmeabfuhr sichergestellt. Die Wärmeabfuhr wird also über technisch notwendige Bauteile eines Steckverbinders vorgenommen.
Ein Ablaufschema zur Verfahrensbeschreibung des Betriebs des erfindungsgemäßen elektrischen Steckvorbinders wird in 4 abgebildet. Der erste Schritt bestimmt das Einstecken des erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinders in die Steckdose 19. Die Kontaktstifte 3a, 3b sind in Kontakt mit spannungsführenden Teilen in der Steckdose 19. Dadurch wird der Bereitschaftsmodus im erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder hergestellt. Das bedeutet, dass die interne Elektronik (d.h. WLAN-Modul, Erweiterungseinheit 901 etc.) mit Energie versorgt wird. Messwerte (z.B. Isolationswert und Schutzleiterstrom) werden ermittelt. Im Schritt der Messwertauswertung werden ermittelte Messwerte mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen. Daraus ergeben sich Möglichkeiten, sowohl positiv wie auch negativ. Bei bestandenem Vergleichsverfahren (z.B. Grenzwert für Isolationsmessung überschritten) erfolgt die Freigabe. Der Schritt der Freigabe umfasst beispielsweise die Ansteuerung der Kontaktstifte 3a, 3b. Bei negativer Bewertung des Grenzwertes (z.B. Isolationswert geringer als Grenzwert) bleiben die Kontaktstifte 3a, 3b ungesteuert. Im Schritt Bereitschaftsmodus baut das WLAN-Modul eine Verbindung zu einem bestehenden internen Netzwerk auf. Die Daten von Messwerten werden übermittelt. Nicht mit dargestellt ist die Übertragung für die Übermittlung von Daten für den Betriebsmodus.
Das Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf:

- Dezentralisierung von sicherheitstechnischen Anforderungen an elektrisch ortsveränderliche Betriebsmittel
- Dezentralisierung und Intelligenz bei Verbrauchern 15 / Geräten
- zentrales Monitoring
- automatisierte Messungen und Messwerte-Dokumentation
- Speicherung von Betriebszuständen in z.B. Cloudsystemen - somit wird der Speicherbedarf von Messwerten in dem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder reduziert

Darüber hinaus werden nachstehende Ziele durch die vorliegende Erfindung erreicht.
Nach den Publikationen „Verband der Sachversicherer“ (VdS - Vertrauen durch Sicherheit) sind Verlustleistungen ab 60 W als Brandgefährdung eingeordnet, so dass Isolationsfehler bei einem Stromfluss in Anlagen (bei einer Wechselspannung von 230 V) ab 260 mA (ca. 300 mA - Baugruppenzusammenfassung) potentielle Gefährdungen bedeutet. So sind die Detektion und Abschaltung pro Betriebsmittel als essentiell präventive Maßnahme einzuordnen.
Es werden automatisierte Messungen für die Verringerung des Gefährdungspotentials, die Erhöhung der Sicherheit von Bedienpersonal der angeschlossenen Verbraucher 15 - Ableitstrommessung und Schutzleiterstrommessung ordnen sich den Personenschutz zu (etablierte Technik), die Erhöhung der Erkennung von Brandlasten (Isolationsmessung) von elektrische angeschlossenen Leitern/Verbrauchern 15 und die Verringerung von Messaufwand bei Wiederholungsprüfungen für Fachpersonal, dadurch unterwiesene Elektropersonen einsetzbar sind, erreicht.
Ein zentrales Monitoring wird ermöglicht mit eindeutiger Identifikation und Zuordnung von Betriebsmitteln und deren Zustand sowie angeschlossener Geräte, ebenso wie eine Minimierung von Bauteilen im Hauptstromkreis um die Kontakt- und Überganswiderstände (P_verlust=I^2*(R_Kontakt+R_Übergang)) auf ein Minimum zu beschränken. Dadurch erfolgt eine Verringerung von Kontakt- und Übergangswiderständen im Leistungsanschlussbereich (Hauptstromkreis).
Die Hauptstromkreisbelastung ist geringer, da keine Gruppenabschaltung erfolgt, sondern einzelne Verbraucher 15 geschalten werden. Die Realisierung einer möglichen allpoligen Trennung vom elektrischen Energieversorgungsnetz zum Verbraucher 15 dient der effektiven Messung und der Sicherheit.
Es wird eine automatische Abschaltung (Strommessung z.B. Schutzleiterstrom - bekannt aus Personenschutzstecker) bzw. deaktivierte Einschaltmöglichkeit des Betriebsmittels im Fehlerfall (Isolationsmessung) ermöglicht sowie eine Verringerung von Gefährdungen durch Verringerung der Anzahl von spannungsführenden Teilen bei deaktivierten Betriebsmitteln. So sind das in die Steckdose 19 eingesteckte ortsveränderliche Betriebsmittel mit dieser Erfindung bei abgeschalteten Kontaktstiften 3a, 3b die Anschlussleitung 105 und der Verbraucher 15 spannungsfrei. Wird die Isolierung der Anschlussleitung 105 beschädigt und der elektrisch leitfähige Leiter berührt, besteht keine akute Gefahr.
Ferner wird eine Minimierung des Speicherbedarfs in dem erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbinder, beispielsweise durch die WLAN-Auslagerung von Werten, erreicht.
In Deutschland sind Steckdosen mit einer Netzspannung von 230 V (Effektivwert) und einer Frequenz von 50 Hz versorgt. Mit angeschlossenem rein ohmschem Verbraucher 15 ergibt sich ein Wechselstrom, der phasengleich zur Spannung liegt. Diese sinusförmigen Wechselgrößen werden ein- und ausgeschaltet. Im Schaltzeitpunkt wird die zeitabhängige und somit wechselgrößenabhängige Leistung im Schaltkontakt umgesetzt. Die Leistung berechnet sich P(t)=U(t)*I(t). Ist die Spannung vom Wechsel positive zu negativer Halbwelle, also im Nulldurchgang, gleich 0 V, so ist die umgesetzte Schaltleistung 0 Watt. Der Schalter (Thyristor) erwärmt sich geringer. Bei rein induktiv angeschlossenem Verbraucher 15 sind Strom und Spannung um 90° phasenverschoben, so dass ein günstiger Schaltmoment im Maximum liegt. Solid-State-Relais weisen die Schalteigenschaft auf, jedoch wurde für die Prototypen keine platzsparende Gehäuseform gefunden und mit diesen experimentiert. Somit hat die Erfindung den weiteren Vorteil, dass sich die Wärmeverluste weiter verringern und Lichtbögen nicht entstehen.
Bezugszeichenliste

1: isolierendes Gehäuse
101: Kabeleinführung
103: Basis
105: zumindest zweiadriges Kabel
107: Führungselement
3a, 3b: Kontaktstifte
5: Schaltvorrichtung
7: interne Energieversorgung
9: Funk-Modul
901: Erweiterungseinheit
11: Spule
15: Verbraucher
17: Versorgungsnetz
19: Steckdose
A: Knoten am Übergang von Kontaktstift (3a, 3b) auf Schaltvorrichtung (5)
B: Knoten am Übergang von Schaltvorrichtung (5) auf einen Leiter des Kabels (105)
G: Generator
L: Phase des zumindest zweiadrigen Kabels 105
N: Nullleiter Phase des zumindest zweiadrigen Kabels 105
Ω: Widerstandsmesser
PE: Schutzleiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/083029 A1 [0003]
DE 102014004449 A1 [0004]
DE 202010015424 U1 [0008]
DE 2149812 [0009]
DE 202004008334 U1 [0010]
GB 2128047 A [0011]
WO 2016/166156 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN VDE 0701-0702:2008-06 [0046, 0058, 0059, 0088, 0090]
DIN VDE 0620-1:2005-04 [0063]

Claims

Elektrischer Steckverbinder, umfassend - ein elektrisch isolierendes Gehäuse (1) mit einer Kabeleinführung (101) an einem ersten Ende und einer Basis (103) an einem zweiten Ende, - mindestens zwei Kontaktstifte (3a, 3b), die in der Basis (103) aufgenommen sind, wovon zumindest ein Kontaktstift (3a, 3b) schaltbar ist, -ein in das elektrisch isolierende Gehäuse (1) führendes, zumindest zweiadriges Kabel (105) zur Verbindung mit einem Verbraucher (15), dessen zumindest zwei Adern mit den mindestens zwei Kontaktstiften (3a, 3b) verbunden sind, - zumindest eine Schaltvorrichtung (5) zum Schalten des zumindest einen Kontaktstifts (3a, 3b) und - zumindest eine interne Energieversorgung (7) für die zumindest eine Schaltvorrichtung (5).
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Funk-Modul (9), das mit der zumindest einen internen Energieversorgung (7) verbunden ist und mit der zumindest einen Schaltvorrichtung (5) in funktioneller Verbindung steht.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 2, wobei das Funk-Modul (9) ferner eine Erweiterungseinheit (901) zur Erfassung und Auswertung von elektrischen Messwerten aufweist.
Elektrischer Steckverbinder nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Funk-Modul (9) ausgewählt ist aus einem WLAN-Modul, einem Bluetooth-Modul, ein auf einem LTE- Standard basierendes Modul, einem GSM-Modul und/oder einem Sub-GHz-Funktechnik-Modul.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zumindest eine schaltbare Kontaktstift (3a, 3b) und die zumindest eine Schaltvorrichtung (5) als integriertes Bauteil ausgeführt sind, bei dem die Schaltvorrichtung (5) am internen Ende des Kontaktstift (3a, 3b) angebracht ist.
Elektrischer Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend eine Spule (11) zur Erfassung und Auswertung des Stromflusses in dem zumindest zweiadrigen Kabel (105).
Elektrischer Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zumindest eine interne Energieversorgung (7) ein AC/DC-Wandler ist, der primärseitig an die mindestens zwei Kontaktstifte (3a, 3b) und sekundärseitig an die zumindest eine Schaltvorrichtung (5) und/oder das WLAN-Modul (9) angeschlossen ist.
Verwendung eines elektrischen Steckverbinders nach einem der Ansprüche 2 bis 7 als Teilnehmer in einem externen WLAN-Netz.
Verwendung eines elektrischen Steckverbinders nach einem der Ansprüche 2 bis 7 als Access Point zum Aufbau eines internen WLAN-Netzes.
Verwendung eines elektrischen Steckverbinders nach einem der Ansprüche 3 bis 7 zur Betriebszustandserfassung von elektrischen Betriebsmittel und/oder zur Isolationsüberwachung und/oder zur Widerstandsmessung.