DE102005061173A1 - Vorrichtung zum Schalten von Strom als Kombination von Stromstoß- und Zeitschalter - Google Patents

Abstract

Technisches Problem DOLLAR A Ein Zeitschalter läßt sich vor Ablauf der Zeit ausschalten. Er ist wie ein Stromstoßschalter von einer großen Anzahl von Schaltstellen bedienbar. DOLLAR A Lösung DOLLAR A Ein erfindungsgemäßer Zweipol ist in Reihe zur Last geschaltet. Er ist in der Lage, diese Last zu schalten. Parallel zu diesem Zweipol sind Taster als Steuerelement geschaltet. Der Zweipol erkennt einen externen Kurzschluß auch bei eigenem internen Kurzschluß. Aus den externen Kurzschlüssen wird der eigene Zustand abgeleitet. Er beschafft sich den Eigenstrom auch bei internem Kurzschluß. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Zum Schalten von z. B. Beleuchtung oder Heizung, die von Hand ein- bzw. ausgeschaltet wird. Das Ausschalten wird aber oftmals vergessen, so daß die Zeitschaltung dies ersetzt (Treppenhausschalter).

Description

• Die Erfindung erlaubt das zeitgesteuerte Schalten von Verbrauchern in Niederspannung- und Kleinspannungsnetzen. Die Schaltung von Gleich- bzw. Wechselspannung ist möglich. Die Zeitschleife kann abgebrochen werden. Die Erfindung besitzt nur 2 Anschlüsse und erlaubt so eine einfache Installation und Programmierung.
• Stand der Technik
• Der Zeitschalter mit Ausschaltung vor Ablauf der Zeit ist in der Kraftfahrzeugtechnik ein übliches Produkt. Diese Zeitschalter verfügen meist über 5 Anschlüsse.
• In der Niederspannungtechnik existiert die Funktion innerhalb von Steuerungen oder als Zusammenschaltung von mehreren Komponenten. Die Komponenten verfügen über 4 und mehr Anschlüsse.
• Diesen Anwendungen ist die Trennung von Steuer- und Laststromkreis gemeinsam.
• Es gibt Schaltungen, die die Steuerspannung durch verzögertes Einschalten nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung oder mit Stromwandlern die Energie aus dem Laststromkreis beschaffen. Die Strategie der Verzögerung der Einschaltung nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung ist mit dem Anstieg von Oberschwingungen verbunden. Dieser Schaltungstyp benötigt mindestens 3 Anschlüsse.
• Es sind auch einfachere Schaltungen bekannt, sie lassen sich aber bei gestarteten Timer nicht sofort wieder abschalten.
• Die Schaltzeit ist nicht veränderbar oder wird durch zusätzliche Bedienelemente eingestellt.
• Die Umstellung von Ein-Aus-Schaltungen auf zeitgesteuerte Schaltungen setzt immer eine Änderung der Installation voraus.
• Ziel der Erfindung
• Das Ziel der Erfindung ist es eine Baugruppe zu schaffen, die es erlaubt Schaltfunktion sofort und verzögert auszuführen. Es wird nicht mehr zwischen Steuerstromkreis und Laststromkreis unterschieden. Damit hat diese Baugruppe nur 2 Klemmen. Jede Ein-Aus-Schaltung ist ohne Änderung der Installation in eine Zeitsschaltung mit unabhängiger Schaltung änderbar. Zusätzlich ist die Schaltung um beliebige Schaltstellen erweiterbar. Die Schaltung wird mit einer voreingestellten Zeit ausgeliefert. Die Programmierung einer neuen Zeit erfolgt ohne zusätzliche Bedienelemente oder Technik.
• Erfindungsgemäße Lösung
• Die Funktion wird anhand von Bild 1 erklärt. Die Spannungsquelle 12 soll den Widerstand 11 versorgen. Die Elemente 2, 3, 5 und 6 bilden eine interne Stromversorgung. Der Kondensator 4 wird mit maximalen Strom bis zu einer von 6 bestimmten Spannung aufgeladen. Dann ergibt sich nur noch ein geringer Leerlaufstrom. Damit ist die Schaltung bereit. Die Schaltung 1 (die Kombination von Microprozessor, Anpassungsstrukturen und eventuellen logischen Funktionen) prüft den aktuellen Steuerzustand. Entsprechend wird der FET 7 gesperrt oder durchgesteuert. Für die weitere Betrachtung wird angenommen, daß der FET gesperrt ist.
• Durch Schalten von Taster 10 wird Widerstand 11 angeschalten. Damit wird Usw an 1 low. Die Schaltung 1 setzt Uon auf high. Der Widerstand 11 wird zusätzlich von FET 7 geschalten. Die Zeitsteuerung läuft an. Die Spannung Uon, der FET 7 und der Widerstand 8 bilden eine Konstantstromschaltung. Damit wird der Einschaltstrom begrenzt. Die Schaltung 1 überwacht die Spannung Ui. Liegt sie längere Zeit zu hoch wird an Uon eine Rechteckspannung angelegt. Damit wird der FET 7 vor Übertemperatur geschützt. An Widerstand 11 liegt nicht mehr die volle Spannung von 12.
• Um zu erkennen ob Taster 10 wieder zum Ausschalten geschlossen ist, wird der FET 7 für µs gesperrt. Damit wird der Widerstand 11 nur noch über den Kondensator 9 versorgt. Die Stromversorgung 2, 3, 5 und 6 lädt den Kondensator 4. Usw gleich high erkennt den offenen Zustand von Taster 11. Das Sperren des FET 8 führt nicht zur Unterbrechung des Strompfades. Er ist lediglich für kurze Zeit nicht niederohmig. Der Kondensator 4 ist im Minutenbereich in der Lage die Schaltung zu versorgen. So führt ein langes Schließen von Taster 10 nicht zu Fehlschaltungen. Bei geschlossenen Schalter erfolgt kein Nachladen der Stromversorgung. Die Spannung Usw gleich low erkennt den geschlossenen Schalter.
• Steueralgorythmus für die Kombination Stromstoß- und Zeitschalter

  
• Die genannten Zeiten sind Empfehlungen. Neben der vorgestellten Treppenhausschaltung sind bei gleicher Hardware auch andere Schaltprogramme möglich (z.B. sleep-Schaltung oder Tonfrequenzsteuerung). Ebenso können weitere Pin der Schaltung 1 für Zusatzfunktionen benutzt werden.
• Sekundäre Effekte
• Wird der Spannungsquelle 12 von schnellen Impulsen hoher Spannung (Burst, Surge) überlagert, so überbrückt der Kondensator 9 die Schaltung und die Überspannung wird vom Verbraucher aufgenommen.
• Hohe Einschaltströme werden vom Taster 10 übernommen. Der FET 7 wird entlastet.
• Der Mikroprozessor der Schaltung 1 unterdrückt zufällige Netzstörungen bzw. Störungen im Schaltverhalten von Taster 10.
• Sinkt die Spannung +Ub so weit ab, das FET 7 über Uon nicht mehr niederohmig ist, bevor die Steuerung 1 wieder aktiv ist, wird die Stromversorgung 2, 3, 5 und 6 wieder aktiv und die Spannung Uon erreicht den notwendigen Wert.
• Zur Bildung der Spannung Usw ist die interne Diode des FET 2 notwendig. Wird der FET durch einen Transistor ersetzt, so muß die Diode zusätzlich eingebaut werden, oder ein Spannungsteiler übernimmt die Bildung von Usw.
• Die Schaltung kann von mehreren Stellen unabhängig gesteuert werden, wenn der Taster 10 durch Parallelschaltung weiterer Taster ergänzt wird. Hier zeigen sich die besonderen Vorteile bei der Verdrahtung solcher Strukturen.
• Der Mikroprozessor der Schaltung 1 ist in der Lage die Länge der Einschaltdauer von Taster 10 zu bewerten und spezielle Kommandos abzuleiten.
• Ausfälle der Steuerschaltung führen zu konstanten Ein- oder Ausschalten des Verbrauchers. Es kommt so nicht zum Abschalten von Sicherungen im übergeordneten Stromkreis.
• Bei Einsatz in Wechselstromnetzen mit Schaltnetzteilen ohne PFC oder „Energiesparlampen" wird nur impulsartig Strom dem Netz entnommen. Der Microprozessor in 1 erkennt diese Eigenart und berücksichtigt das Problem.
• Anwendung der Erfindung
• Die Erfindung dient zum Schalten von Lasten in Niederspannungs- bzw. Kleinspannungsnetzen. Sie ist für Wechselspannung- und Gleichspannungsnetze geeignet. Ihr wichtigster Vorteil ist die Vereinfachung der Verdrahtung bei der Steuerung von Verbrauchern von mehreren Punkten. Einfache Ein- Aus-Schaltungen können mit einem Zeitglied versehen werden ohne die Installation zu ändern. Es lassen sich in eine Schalterdose neben dem Schalter 2 Module einbauen.
• Es kann ein standartisiertes Schaltelement produziert werden und die eigentliche Funktion wird erst durch die Software bestimmt.
• Niederspannunginstallation
• 1. Im Wohnbereich ist eine Zeitschaltung von 12 h sinnvoll. Man erreicht so bei längerer Abwesenheit, daß alle Verbraucher ausgeschaltet sind.
• 2. Die Beleuchtung in Toiletten, Gängen oder Kellern wird meist eingeschalten ohne das an das Ausschalten gedacht wird. Werden nur Treppenhausschalter eingesetz sind kurze Zeiten lästig und lange Zeiten ergeben keine Energieeinsparung.
• 3. Schreibtischlampen im Büro werden meist früh eingeschalten und dann vergessen. Selbst der Feierabend ist oftmals kein Grund fürs Ausschalten.
• 4. Sleep-Schalter für das Kinderzimmer oder Heizgeräte
• 5. In Ergänzung mit einem Schallsensor wird die Beleuchtung nach einer Zeit der Ruhe ausgeschalten (z.B. Konferenzräume).
• KFZ-Technik
• 1. Scheibenheizung
• 2. Nebelrücklicht
• Vorteile der Erfindung
• Der wichtigste Nutzen besteht in der Einsparung von Energie, der Verminderung der Betriebsstunden von Technik, wenn diese eine bestimmte maximale Betriebszeit hat bzw. die Abwehr von Gefahr durch Wärmegeräte die unbeabsichtigt ohne Aufsicht aktiv sind.
• Am Beispiel einer Toilette in einer Firma wird der Vorteil deutlich:
  Wenn man annimmt, daß die Beleuchtung mit 120 W 5 h pro Tag statt 10 h leuchtet, so bedeutet dies bei einem Strompreis von 0,18 EUR/kWh und 250 Arbeitstagen eine Einsparung von 27 EUR pro Jahr. Gleichzeitig halten die Glühbirnen etwa 2 Jahre statt 1 Jahr.
• Ein weiterer Vorteil ist die einfache Installation. Die im Wohnbereich gern angewendete Serienschaltung wird für 2 Schaltstellen wegen der vielen Kabel praktisch nicht benutzt. Für weitere Schaltstellen werden keine Schalter angeboten.
• Die geringe Baugröße der Erfindung erlaubt den Einbau in vorhandene Schalter, ohne ihre Maße zu ändern. Der Eigenstromverbrauch liegt weit unter dem der Glimmlampen zur Schalterbeleuchtung.
• Ausführungsbeispiel
• Bild 2 zeigt einen vollständig dimensierten Stromstoß- Zeitschalter, wie er als Treppenhausschalter benutzt werden kann. Im Unterschied zu Bild 1 ist er für 230 V Wechselspannung ausgelegt. Der Kurzschlußschutz ist durch zusätzliche Bauteile unabhängiger von der Steuerung durch den Microprozessor. Der eingefügte Grätz-Gleichrichter erweitert die Schaltung für Wechselstrom. Der Timer verfügt über einen Zeitbereich von 30 s bis 12 h. Zeiten außerhalb wurden als nicht sinnvoll eingestuft. Als technisch kostengünstige Lösung erwies sich der Microprozessor. Normale Logik oder ASICs sind ebenfalls möglich. Ebenso ist der Einsatz von FETs nicht notwendig. Bei der Bewertung von Vor- und Nachteilen ist er optimal. Für große Leistungen sind IGBTs ein kostengünstiges Schaltelement.

1

Steuerung, Sie enthält die in der Beschreibung genannten Regeln zur Steuerung. Sie kann aus einem Microprozessor, logischen Elementen, ASICs und Pegelanpassungen bestehen.

2

Transistor (FET)

3

Diode

4

Kondensator zur Speicherung von Energie für den fortlaufenden Betrieb der Schaltung

5

Widerstand

6

Z-Diode Die Elemente 2, 3, 5 und 6 bilden einen Spannungsregler

7

Trasistor (FET) Er bildet den Leistungsschalter.

8

Widerstand zur Strommessung, Er bildet zusammen mit 7 und Uon eine Konstantstrom-Schaltung.

9

Kondensator, begrenzt die Steilheit von Aus- und Einschaltflanken, Begrenzt die Wirkung von Burst und Surge,

10

Steuertaster

11

Last

12

Stromquelle für Gleichstrom

+Ub

Interne Stromversorgung +

–Ub

Interne Stromversorgung –

Usw

Spannung die den Zustandt 10 beschreibt

Uon

Spannung zur Steuerung von 7

Ui

Strommeßspannung

Claims (16)

1. Die Vorrichtung zum Schalten von Strom als Kombination von Stromstoß- und Zeitschalter ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter im leitenden Zustand sein Schaltelement öffnet, und trotz geöffneten Schaltelement seinen Leitwert langsam verändert, um in dieser Zeit einen äußeren Kurzschluß zu erkennen, der zur Steuerung des Schaltelements dient.
2. Das Schaltelement von 1. wird sofort wieder leitend, wenn kein äußerer Kurzschluß erkannt wird und der interne Status von 1. als „Geschalten" zu betrachten ist.
3. Wird das Schaltelement von 1. von Stromimpulsen durchflossen, so öffnet das Schaltelement, der Strompfad ist aber weiterhin bis zum Beginn des Stromimpulses geschlossen, sodaß der Vorgang nach 1. und 2. stattfindet.
4. Das Schaltelement nach 1. ist elektrisch gesehen ein Zweipol.
5. Das geöffnete Schaltelement von 1. erlaubt die Bewertung der Impendanz des umliegenden Netzwerkes.
6. Das umliegende Netzwerk wird als niederohmig erkannt, wenn der Zweipol durch einen Taster überbrückt ist und somit einen Schaltbefehl signalisiert.
7. Das geöffnete Schaltelement von 1. erlaubt gleichzeitig die Beschaffung des Stroms zur Versorgung der Steuerschaltung.
8. Ist der Schalter nach 1. geschlossen, so erfolgt ein periodisches Öffnen des Schaltelements von 1., um Schaltbefehle zu erkennen.
9. Die interne Steuerung des Schaltelement nach 1. erkennt Netzstörungen, die in ihrer Wirkung scheinbar einem äußeren Kurzschluß entsprechen und verhindert in Grenzen, daß ein Steuerbefehl daraus abgeleitet wird.
10. Die Erfindung wird über Taster oder steuerbare Impedanzen, die parallel zur Erfindung nach 1. geschalten sind, gesteuert.
11. Schaltfehler des Steuerelementes entsprechend 10. werden von der internen Steuerung von 1. erkannt und es kommt in Grenzen zur Bildung des echten Steuerbefehls.
12. Das Schaltelement von 1. schützt sich gegen Kurzschlüsse der Last durch einen integrierten Schutz.
13. Die Einrichtung von 1. zur langsamen Veränderung des Leitwertes des Schalters schützt die Erfindung gegen hochfrequente Impulsspannungen (Burst, Surge).
14. Die langsame Veränderung des Leitwertes des Schalters verhindert die Abstrahlung von leitungsgebundenen Störungen.
15. Ist das Schaltelement nach 1. geschlossen, realisiert der Timer der internen Steuerung die Zeitschalterfunktion:
16. Die Zeit unendlich ist ein Spezialfall des Timers der Steuerung des Schaltelements nach 1.