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Die
Erfindung betrifft eine programmgesteuerte Schaltvorrichtung mit
Mikroprozessor und Speicher als Vorschaltgerät in Netzverbindungen zur zeitlichen
Beschränkung
der ununterbrochenen Verbindung eines elektrischen Gerätes am Netz.
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Weit
verbreitet sind Zeitschaltuhren, in die Ein- und Ausschaltzeiten,
z.B. pro Tag, pro Woche, programmiert eingegeben werden und so ein
angeschlossenes Gerät
regelmäßig zu vorgegebenen
Zeiten ein- und ausschaltet. Die Programmzeiten bleiben dabei gespeichert
und sind manuell änderbar. Ein
Radio, eine Kaffeemaschine oder eine Heizvorrichtung können so
sinnvoll zu festgelegten Zeiten ein- und ausgeschaltet werden.
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Bei
derartigen Schaltvorrichtungen nicht vorgesehen ist die Möglichkeit
des variablen Einschaltens mit einer Beschränkung der ununterbrochenen oder
einer täglichen
Betriebszeit, die zur Vermeidung von Beeinträchtigungen, wie Gesundheitsschäden, durch
unkontrollierte und exzessive Nutzung von elektrischen Geräten, insbesondere
Geräte
der Heimelektronik, elektronische Spielgeräte und Spielautomaten, PCs,
elektrische Geräte
für kosmetische Anwendungen,
wie Bräuner
u.ä., z.B.
täglich
nur eine bestimmte Zeit genutzt werden sollen.
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So
kann mit herkömmlichen
Schaltvorrichtungen beispielsweise Jugendlichen die Möglichkeit der
Nutzung eines PC, z.B. das Surfen im Medium Internet, Spielen u.ä., ohne
persönliche
Kontrolle des Erziehungsberechtigten bzw. der Aufsichtsperson nur
unabhängig
vom Nutzungsprofil und nur in starren Zeitrastern vorgegeben werden.
Für das
Einsatzgebiet 'Personalcomputer' sind Softwarelösungen zur
Beschränkung
des Dauerbetriebes bekannt, welche allerdings leicht manipulierbar
sind bzw. Funktionsrisiken für
andere Anwendungen auf dem PC bergen.
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In
der
DE 40 25 703 C3 ist
eine Schaltvorrichtung als Vorschaltgerät in Netzverbindungen bekannt,
die ein Grenzzeit-Register zur Speicherung eines Zeitwertes aufweist,
der bei Einschalten des Anschlussgerätes dekremental gegen NULL
abnimmt. Sie weist eine Betriebsstandsanzeige zur Anzeige der aufgelaufenen
Betriebsstunden und eine Erkennungseinrichtung für den Code eines Nutzers auf.
Bei Ablauf der vorgegebenen Grenzzeit ist die Vorrichtung erst nach
Ablauf einer voreingestellten Zeitperiode wieder voll betriebsbereit.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine programmgesteuerte
Schaltvorrichtung zu entwickeln, welche innerhalb eines Zeitrahmens den
Betrieb eines elektrischen Gerätes
jederzeit zulässt,
bei Überschreiten
des Zeitrahmens jedoch den weiteren Betrieb des Gerätes durch
Unterbrechen der Stromversorgung unterbindet.
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Die
Aufgabenstellung wird gelöst
durch eine Schaltvorrichtung, welche in die Netzzuleitung des zu überwachenden
elektrischen Gerätes
geschaltet wird. Diese Schaltvorrichtung wird mittels eines Mikroprozessors
gesteuert. Kernstück
der zu realisierenden Funktionsweise ist ein sogenanntes Grenzzeit-Register.
Der Wert in diesem Register gibt die noch verbleibende Nutzungszeit
für das
zu überwachende
Gerät an.
Beim Einschalten des zu überwachenden
Gerätes
wird der Wert des Grenzzeit-Registers dekrementiert. Wird der Wert
NULL erreicht, wird das zu überwachende
Gerät abgeschaltet.
Ist das zu überwachende
Gerät ausgeschaltet,
wird das Grenzzeit-Register bis zu einem Maximalwert inkrementiert.
Sowohl die Geschwindigkeit, mit welcher der Wert im Grenzeit Register
geändert
wird, als auch der Maximalwert des Grenzzeit-Registers kann nur durch
autorisierte Personen geändert
werden. Eine geeignete optische Anzeige informiert den Nutzer über die
noch verbleibende Betriebszeit des zu überwachenden Gerätes. Wenige
Minuten vor Ablauf der Betriebszeit des zu überwachenden Gerätes wird
der Nutzer durch ein zusätzliches
akustisches und/oder optisches Signal auf das bevorstehende Abschalten des
Gerätes hingewiesen,
um so gegebenenfalls laufende Anwendungen ordnungsgemäss abschliessen zu
können.
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Mittels
einer geeigneten Einrichtung, z.B. eines Potentiometers (R 18) kann
die Geschwindigkeit der Wertänderung
des Grenzzeit-Registers eingestellt werden. Der Mikroprozessor erkennt über einen Stromfluss-Sensor,
ob das zu überwachende
Gerät ein- oder ausgeschaltet
ist und übernimmt
die entsprechende Verwaltung des Grenzzeit-Registers sowie die Steuerung der Schaltelemente
und der Betriebsanzeige.
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Der
der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden
Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung näher
dargestellt ist, erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild der Schaltvorrichtung,
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2 ein
Prinzipschaltbild der Schaltvorrichtung,
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3 ein
Diagramm zum Verlauf der Akkumulation von zur Verfügung stehender
Betriebszeit im dynamischen Grenzzeit-Register mit gespeichertem
Wert für
die Dauerbetriebszeit in Abhängigkeit der
Potentiometerstellung,
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4 ein
Diagramm zum Verlauf der Änderung
des Wertes im Register für
die Dauerbetriebszeit bei Dauerbetrieb des zu kontrollierenden Gerätes,
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5 ein
Diagramm zum Verlauf der zur Verfügung stehenden Dauerbetriebszeit
in Abhängigkeit
eines eingeschalteten Anschlußgerätes;
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Das
Blockschaltbild – 1 – zeigt
die zur Realisierung der Funktion benötigten Komponenten. Die Erfindung
ist hier in einem Steckernetzteilgehäuse realisiert und wird über einen üblichen
Stecker in die Energiezuführungsleitung
des zu überwachenden
Gerätes
geschaltet. Der Manipulationsschutz der lösbaren Steckverbindungen kann
mit bekannten einfachen und versiegelten Sicherungsbanderolen o.ä. realisiert
sein.
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In 2 ist
ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Die Schaltung ist dabei in zwei Einheiten aufgeteilt, die Komparatoreinheit
und die Auswerteeinheit. Aus Gründen der
Betriebssicherheit sind die Komparator- und die Auswerteeinheit
galvanisch voneinander getrennt (Relais K1, Transformator TR1, Optokoppler
OK1). Der Transformator TR1 sorgt in Verbindung mit dem Gleichrichter
GL1. dem Lade-Kondensator C3 dem Spannungsregler-Schaltkreis IC1
und dem Block-Kondensator
C4 für
die Betriebsspannung des Auswerteteils. Der Widerstand R2 in Verbindung
mit der Gleichrichterdiode VD2, dem Lade-Kondensator C2 und der
Zener-Diode VD4
erzeugen die Betriebsspannung für
die Komparatoreinheit der Schaltung.
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Als
Schaltelement zur Steuerung der Energiezufuhr für das zu überwachende Gerät dient
das Relais K1. Dieses Relais K1 wird vom Transistor VT1 geschaltet
und die Freilaufdiode VD3 dient dem Abbau der im Abschaltmoment
auftretenden Selbstinduktionsspannung in der Relaisspule. Im Ruhezustand
ist der Relaiskontakt geschlossen, sodaß das zu überwachende Gerät seitens
der Energiezufuhr jederzeit betriebsbereit ist.
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Über dem
Strommesswiderstand R1 entsteht beim Zuschalten des zu überwachenden
Gerätes.
angeschlossen zwischen den Klemmen KL1 und KL3, ein dem fließenden Betriebsstrom
proportionaler Spannungsabfall, welcher durch R3 und VD1 in seinem
Spitze-Spitze-Werte (hier ca. 0,7 Vss) begrenzt wird.
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Der
Spannungteiler R4/R5 erzeugt die Vergleichsspannung für den Komparator-Schaltkreis IC4A.
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Sobald
der am Strommeßwiderstand
R1 infolge des Zuschaltens des zu überwachenden Gerätes bei
geschlossenem Kontakt des Relais K1 entstehende Spannungsabfall
betragsmäßig den
Wert der von R4/R5 erzeugten Vergleichsspannung übersteigt, schaltet der Komparator
IC4A den Optokoppler OK1 ein. Der Widerstand R9 begrenzt dabei die Stärke des
durch die Optokoppler-Leuchtdiode fließenden Stromes. Der Optokoppler-Ausgangstransistor
setzt das entsprechende Lichtsignal mit Hilfe des pull-up-Widerstandes
R10 in ein vom Prozessor IC3 auswertbares Spannungssignal um. Durch
die geeignete Gestaltung der Software-Routine zum Abfragen dieses
Spannungssignales am Pin 6 des Prozessors kann der Prozessor erkennen,
ob das zu überwachende
Gerät eingeschaltet
ist oder nicht.
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Der
mit SW1 bezeichnete Schlüsselschalter dient
zur Anwahl der im weiteren Text genauer beschriebenen Betriebsart-Modi
Einstell-Modus und Betriebs-Modus. Im Einstell-Modus dient das Potentiometer
R18 zur Bereitstellung der entsprechenden Informationen für den Prozessor
IC3.
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Für die Realisierung
der Ansteuerung der Betriebszustandsanzeigen VD6 bis VD12 mit ihren dazugehörenden Vorwiderständen R11
bis R17 und der Ansteuerung des Relaisschalttransistors VT1 wurde
in der vorliegenden Lösung
ein seriell/parallel-Wandler-Schaltkreis
IC2 verwendet.
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Die
Erfindung ist natürlich
mit entsprechenden Modifikationen auch an Gleichspannungsnetzen betreibbar.
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In
Abhängigkeit
der Stellung des Schlüsselschalters
lassen sich zwei prinzipielle Betriebszustände unterscheiden.
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1. der statische Zustand (Einstell-Modus):
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Die
autorisierte Person hat über
den Schlüsselschalter
die Vorrichtung deaktiviert. Die Vorrichtung befindet sich im Einstell-Modus.
Das von der Vorrichtung überwachte
Gerät ist
ohne zeitliche Einschränkungen
jederzeit betriebsbereit. Das Grenzzeit-Register für die Betriebszeit
wird dadurch unabhängig
weiter bis zu seinem Maximalwert allmählich höher eingestellt.
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2. Normalbetriebszustand (Betriebs-Modus)
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Die
autorisierte Person hat die Vorrichtung über den Schlüsselschalter
aktiviert. Das zu überwachende
Gerät wird
nun in Abhängigkeit
vom Wert des Grenzzeit-Registers nach einem entsprechenden Zeitraum
durch die Vorrichtung abgeschaltet.
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Allgemeine Funktionsbeschreibung:
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Das
Relais K1 als Schaltglied in der Energiezufuhr-Leitung des kontrollierenden
Gerätes
ist, solange die im Grenzzeitregister gespeicherte Dauerbetriebszeit
nicht abgelaufen ist, im Ruhezustand. Das bedeutet, daß das zu überwachende
Anschlußgerät jederzeit
betriebsbereit ist.
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Der
Stromsensor meldet den Betriebszustand (AN oder AUS) des zu kontrollierenden
Gerätes über einen
geeigneten Verstärker
und Signalformer an den Mikroprozessor IC3.
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Die
autorisierte Person gibt sich der Vorrichtung mittels Schlüsselschalter
als autorisiert zu erkennen und über
eine Eingabemöglichkeit
(hier: Potentiometer R 18) vor, in welchem Zeitraum sich der Wert
für die
Betriebszeit bis zu seinem maximalen SOLL-Wert (100%) ändert (Zeitraum
T1) und in welchem Zeitraum es wieder zu NULL werden soll (Zeitraum
T2). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wurde die Einstellmöglichkeit
von T2 nicht realisiert. Dafür
wurde die 100%ige Einstellung für
den Wert der Dauerbetriebszeit mit einer Zeitspanne von 4 Stunden
gleichgesetzt. Das heißt,
wenn der Wert für
die Dauerbetriebszeit zu 100 % eingestellt ist, stehen dem zu kontrollierenden
Gerät 4
Stunden Dauerbetriebszeit zur Verfügung.
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Nach
Verlassen des Einstell-Modus durch Bestätigung der Voreinstellzeit
(Abziehen des Schlüssels
o.ä.) testet
die erfinderische Vorrichtung, ob das von der Vorrichtung kontrollierte
elektrische Gerät
eingeschaltet ist oder nicht. Eine Betätigung des Potentiometers oder
anderer Eingabevorrichtungen außerhalb
des Einstellmodus bleibt für
die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Bedeutung.
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Ist
das an die Vorrichtung angeschlossene Gerät nicht eingeschaltet, beginnt
sich der Wert für die
Betriebszeit im Grenzzeit-Register zu erhöhen.
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In 3 ist
die Abhängigkeit
der Akkumulationsgeschwindigkeit der im Grenzzeitregister gespeicherten
Dauerbetriebszeit von der Potentiometerstellung dargestellt. Wie
zu entnehmen ist, erreicht der Wert für die Betriebszeit der Vorrichtung
bei der Potentiometerstellung entsprechend der Kurve 1 (Rechtsanschlag)
innerhalb eines Tages (24h) 100% der maximal zulässigen ununterbrochenen Betriebsdauer.
Wird danach das zu überwachende
Gerät dauerhaft
zugeschaltet (4, Zeitpunkt t2), nimmt der
Wert für
die gespeicherte Betriebszeit im voreingestellten Zeitraum T2, beispielsweise
innerhalb von 4 Stunden ab. Ist der Wert der Betriebszeit NULL geworden
(4, Zeitpunkt t7), wird durch die Vorrichtung die
Energiezufuhr für
das zu überwachende
Gerät unterbrochen
und der Wert für
die Betriebszeit beginnt wieder zu steigen (4, Zeitpunkt
t7).
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Der
ununterbrochene Betrieb des zu kontrollierenden Anschlußgerätes von
maximal 4 Stunden ist immer erst nach einer Pausenzeit von 24 Stunden möglich. Kürzere Pausenzeiten
ziehen zwangsläufig kürzere Betriebszeiten
nach sich. Bei einer Potentiometerstellung entsprechend der Kurve
7 (Linksanschlag) wird eine maximale Betriebszeit erst nach einer
Pausenzeit von 7 Tagen erreicht. Zwischenwerte sind durch entsprechende
Potentiometerstellungen einstellbar. Andere Größenordnungen der Zeiträume sind
entsprechend der vorgesehenen Anwendung softwaremäßig realisierbar.
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Wird
das zu überwachende
Gerät abgeschaltet,
egal ob durch die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung
oder durch die bedienende Person, beginnt sich der Wert für die Betriebszeit
im Register sofort wieder bis zum voreingestellten Maximalwert oder
bis zum erneuten Einschalten des Gerätes entsprechend der Potentiometereinstellung
zu erhöhen.
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Das
Diagramm in 5 zeigt unterschiedliche Betriebszustände der
Vorrichtung und den zugehörigen
IST-Wert des Grenzzeit-Registers. Zwischen t1 und t2 ist der maximale
Wert der Betriebszeit erreicht. Entweder ist das von der Vorrichtung
zu kontrollierende Gerät
ausgeschaltet oder die Erfindung befindet sich im Einstell-Modus.
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Zum
Zeitpunkt t2 wird das zu kontrollierende Gerät eingeschaltet, der Einstell-Modus
ist verlassen, der Wert des Grenzzeit-Registers beginnt stets abzunehmen.
Zum Zeitpunkt t4 wird das zu kontrollierende Gerät abgeschaltet, der Wert des
Grenzzeit-Registers beginnt sich zu erhöhen.
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Die
Geschwindigkeit, mit der sich der Wert für des Grenzzeit-Registers erhöht, wurde
von der autorisierten Person mittels Potentiometer R 18 im Einstell-Modus
voreingestellt. Zum Zeitpunkt t6 wird das zu kontrollierende Gerät wieder
eingeschaltet, der Wert des Grenzzeit-Registers verringert sich
mit konstanter Geschwindigkeit. Zum Zeitpunkt t10 wird die Vorrichtung
in den Einstell-Modus versetzt. Ein Betrieb des zu kontrollierenden
Gerätes
ist uneingeschränkt
möglich.
der Wert für
das Grenzzeit-Register steigt an. Zum Zeitpunkt t11 wird bei abgeschalteten
Gerät und
geänderter
Voreinstellung des Potentiometers R 18 der Einstell-Modus verlassen.
Die geänderte
Voreinstellung ist am steileren Anstieg der Kurve zwischen den Zeitpunkten
t11 und t12 erkennbar. Zum Zeitpunkt t12 wird das zu überwachende Gerät wieder
eingeschaltet.
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Zum
Zeitpunkt t15 schaltet die Vorrichtung das zu kontrollierende Gerät wegen
Erreichens des Wertes NULL im Grenzzeit-Register ab.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich das Nutzungsprofil des überwachten
Gerätes auf
die zur Verfügung
stehende Betriebszeit desselben auswirkt. Weiterhin kann ein durch
die Vorrichtung überwachtes
Anschlußgerät eine maximale Dauerbetriebszeit
nicht überschreiten.
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Durch
Einsatz des Mikroprozessors und geeigneter Bedienelemente, wie Tastatur
o.ä., lassen sich
auch mehrere und unterschiedliche Grenzzeit-Register verwalten.