EP2742565B1 - Mechatronisches steckverbindersystem - Google Patents

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EP2742565B1
EP2742565B1 EP12750994.1A EP12750994A EP2742565B1 EP 2742565 B1 EP2742565 B1 EP 2742565B1 EP 12750994 A EP12750994 A EP 12750994A EP 2742565 B1 EP2742565 B1 EP 2742565B1
Authority
EP
European Patent Office
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contact
plug
auxiliary
main
mechatronic
Prior art date
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Active
Application number
EP12750994.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2742565A1 (de
Inventor
Christian Strobl
Michael Naumann
Frank Gerdinand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ellenberger and Poensgen GmbH
Original Assignee
Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ellenberger and Poensgen GmbH filed Critical Ellenberger and Poensgen GmbH
Publication of EP2742565A1 publication Critical patent/EP2742565A1/de
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Publication of EP2742565B1 publication Critical patent/EP2742565B1/de
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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 a semiconductor electronics. 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 has for its object to provide a particularly suitable mechatronic connector system. Furthermore, a multiple plug-in system with a number of mechatronic connectors should be specified.
  • 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 contact of the main contact in parallel with the auxiliary contact with the load or the load terminal 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 counter contact which is suitably likewise 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.
  • connectors or connector systems S, S n are provided for applications in DC or DC networks with DC voltages from 15V to about 1500V and DC currents from 0.5A to about 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.
  • Fig. 1 schematically shows a hereinafter referred to as connector connector system S between a DC or DC voltage source (DC source) 2 and one operated on this load 3 or load group with a source-side jack 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 with the DC source 2.
  • Der 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 L Ha 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 Hi 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 contact 9a and the auxiliary mating contact 9b still mechanically and thus electrically connected when the direct connection between the main plug contact 8a and the main mating contact 8b of the main contact 8 is already solved during the Aussteckvorgangs 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 .DELTA.L H L Hi - L Ha between main and auxiliary contact 8 and 9 is dimensioned such that in the course of Aussteckvorgangs between the main plug contact 8a and the main counter contact 8b, an arc may occur.
  • the contact distance L Hi and L Ha are the distance between the respective contact tip of the plug contact 8a, 9a and the mouth or socket edge of the associated mating contact 8b or 9b.
  • the amount of the contact difference .DELTA.L H 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 for 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 relation to the auxiliary contact 9 and smaller with the main contact 8 same contact distance L Ha
  • the contact distance The third contact 13 equal to the contact distance L Hi of the auxiliary contact 9.
  • the plug or plug contacts 8a, 9a and / or 13a equal length and the mating contacts (sockets) 8b, 9b and 13b correspond to be designed differently long.
  • Fig. 3 occur by appropriate adjustment of the distance difference .DELTA.L H between the main contact 8 on the one hand and the auxiliary contact 9 and the third contact 13 on the other hand with appropriate setting of the timer 10e of the semiconductor electronics also no arcing at the auxiliary contact 9 and the third contact 13, ie between the plug and mating contacts 9a and 9b and 13a and 13b, respectively.
  • FIG. 4 schematically shown multiple plug-in system S n comprises a plurality of connectors S 1 , S 2 , S 3 , wherein further possible connector S may be present.
  • Each of the connectors S 1 ... n is analogous to the embodiment according to Fig. 2 with a main contact 8 and an auxiliary contact 9 and a third contact 13 in a female connector unit 4, 5 constructed.
  • the connectors S 1... N are connected in common to the DC source 2.
  • Each of the connectors S 1 ... n is assigned a load 3.
  • the only semiconductor electronics 10 which is analogous to Fig. 1 a series connection with the two semiconductor switches 10a and 10b and the energy storage 10d and the timer 10f of the control unit 10e comprises.
  • the main contacts 8 of the connector S 1 ... n are connected via a line 14 to the forward conductor 6.
  • the auxiliary contacts 9 of all connectors S 1 ... n are connected to the bypass line 11, 12 and thus the electronics 10 via a line 15.
  • the third contacts 13 of all connectors S 1 ... n are connected to the return conductor 7.
  • the diodes 17 of the other connectors S 1 , S 2 , S 3 prevent a short circuit of the semiconductor electronics 10 via inserted plug contacts 8, 9, 13 of the other plug connectors S 1 , S 2 , S 3 from the multiple plug-in system S n , since no current flow in 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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Description

  • Die Erfindung betrifft ein mechatronisches Steckverbindersystem mit einem Hauptkontakt und mit einem bei einem Aussteckvorgang dem Hauptkontakt nacheilenden Hilfskontakt sowie mit einer Halbleiterelektronik. 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.
  • Aus der DE 198 38 492 A1 ist eine Steckverbindungsanordnung mit zwei Steckverbinderleisten bekannt, über die im zusammengesteckten Zustand der Strom von einer Stromquelle zu einem Verbraucher fließt. Zwischen einer Steckverbinderleiste und der Stromquelle beziehungsweise dem Verbraucher sitzt eine Schalteinrichtung, deren Steuersignal ebenfalls über die beiden Steckverbinderleisten führt. Die Kontakte für die Hauptstromkreise eilen vor, während die Kontakte für den Steuerstrom nacheilen. Dadurch wird sowohl beim Stecken als auch beim Trennen der Kontakte ein Stromfluss im Hauptstromkreis verhindert, solange die Steuerstromkontakte im Zuge des Steckvorgangs noch nicht kontaktieren beziehungsweise im Zuge des Aussteckvorgangs voreilend bereits kontaktlos sind.
  • US 4 346 419 A zeigt ein Steckverbindungssystem geeignet zur Löschung eines Lichtbogens
  • 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 Halbleiterelektronik 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 5. 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. Gleichspannungsquelle (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 LHa 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 Hilfssteckkontakt 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 transistor) 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 ΔLH = 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 ΔLH 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 ΔLH 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 Kontaktdistanz 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 ΔLH 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 S1, S2, S3, wobei weitere mögliche Steckverbinder S vorhanden sein können. Jeder der Steckverbinder S1...n 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 S1...n sind gemeinsam an die DC-Quelle 2 angeschlossen. Jedem der Steckverbinder S1...n ist eine Last 3 zugeordnet. Ebenfalls gemeinsam ist allen Steckverbindern S1...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 S1...n sind über eine Leitung 14 mit dem Hinleiter 6 verbunden. Ebenso sind die Hilfskontakte 9 aller Steckverbinder S1...n mit der Bypassleitung 11, 12 und somit der Elektronik 10 über eine Leitung 15 verbunden. Über eine Leitung 16 sind die dritten Kontakte 13 aller Steckverbinder S1...n mit dem Rückleiter 7 verbunden.
  • Zur Vermeidung eines Kurzschlusses im Zuge eines Aussteckvorgangs einzelner Steckverbinder S1...n des Mehrfachstecksystems Sn ist dem Hilfskontakt 9 jedes Steckverbinders S1...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 S1...n verbunden.
  • Beim Aussteckvorgang eines der Steckverbinder Sn verhindern die Dioden 17 der anderen Steckverbinder S1, S2, S3 einen Kurzschluss der Halbleiterelektronik 10 über gesteckte Steckkontakte 8, 9, 13 der anderen Steckverbinder S1, 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 Steckverbinder/-system
    3 Last Sn Mehrfachstecksystem
    4 Buchseneinheit LHa Kontaktdistanz des Haupt-/dritten Kontakts
    5 Steckereinheit
    6 Hinleiter LHi Kontaktdistanz des Hilfs-/dritten Kontakts
    7 Rückleiter
    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/-leitung
    13 dritter Kontakt
    13a Steckkontakt
    13b Gegenkontakt
    14 Leitung
    15 Leitung
    16 Leitung
    17 Diode

Claims (6)

  1. Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) mit mindesten zwei Steckverbindern (S), die jeweils einen Hauptkontakt (8) mit einem Hauptsteckkontakt (8a) und mit einem Hauptgegenkontakt (8b) sowie jeweils einen dem Hauptkontakt (8) bei einem Aussteckvorgang nacheilenden Hilfskontakt (9) mit einem Hilfssteckkontakt (9a) und mit einem Hilfsgegenkontakt (9b) aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet, das zur Löschung eines im Zuge des Aussteckvorgangs entstehenden Lichtbogens eine einzige, den Steckverbindern (S) gemeinsame Halbleiterelektronik (10) vorgesehen ist, die mit dem Hilfskontakt (9) jedes Steckverbinders (S) über eine Diode (17) zur Vermeidung eines Kurzschlusses im Zuge eines Aussteckvorgangs einzelner Steckverbinder (S) in Reihe geschaltet ist, und
    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.
  2. Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Hauptkontakt (8) jedes Steckverbinders (S) in einen von einer Gleichspannungsquelle (2) zu einer Last (3) führenden Hinleiter (6) oder Rückleiter (7) geschaltet ist, und
    - dass der Hilfskontakt (9) jedes Steckverbinders (S) dem Hauptkontakt (8) parallel geschaltet ist.
  3. Mechatronisches Mehrfachstecksystem (S) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der oder jeder Steckverbinder (S) einen dritten Kontakt (13) aus einem Steckkontakt (13a) und einem Gegenkontakt (13b) aufweist.
  4. Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) nach Anspruch 3,
    durch gekennzeichnet,
    dass der dritte Kontakt (13) aus einem Steckkontakt (13a) und einem Gegenkontakt (13b) in den Rückleiter (7) bzw. in den Hinleiter (6) geschaltet ist.
  5. Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der dritte Kontakt (13) dem Hilfskontakt (9) im Zuge des Aussteckvorgangs vor- oder nacheilt.
  6. Mechatronisches Mehrfachstecksystem (Sn) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Halbleiterschalter (10a, 10b) eine IGBT und ein mit diesem in Reihe geschalteter MOSFET vorgesehen sind.
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