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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum steuerbaren
Herstellen einer Schaltverbindung zwischen einem Anschlusskontakt
für eine elektrische
Last und einem Wechselspannungs-Netzanschluss, typischerweise auf
ein ein Ein- oder Ausschalten der elektrischen Last bezweckendes
Schaltsignal.
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Eine
gattungsbildende Vorrichtung ist aus der
DE 196 06 503 C2 bekannt.
Vor dem Hintergrund einer Verbesserung des Schaltverhaltens von
Relais und dergleichen Schalteinheiten und der bereits in diesem
Stand der Technik gewürdigten
Problematik, dass Schaltvorgänge
außerhalb
eines Spannungs-Nulldurchgangs
im geschalteten Wechselspannungsverlauf sich nachteilig auf die
Kontakte der Relais auswirken (genauer: einen sogenannten Kontaktbrand
verursachen), versuchte die aus der
DE 196 06 503 C2 bekannte Technologie, das
Schaltverhalten der Relais so zu beeinflussen, dass mit möglichst
großer
Genauigkeit der eigentliche Schaltvorgang stets im Spannungs-Nulldurchgang
ausgelöst
wird. Neben einer Phasendetektion des Wechselspannungsverlaufs ist
es dabei zusätzlich
notwendig, die sogenannte Einschaltverzögerung bzw. den Öffnungs-/Schließverzug
der Relaiseinheit zu berücksichtigen,
nämlich
jene (durch mechanische sowie induktive Effekte bedingte) Zeitdauer,
welche zwischen dem eigentlichen elektrischen Schaltsignal und der
dadurch bewirkten Kontaktgabe bzw. Kontaktöffnung der Relaiseinheit vergeht.
Im gattungsbildenden Stand der Technik wird dies durch eine Speichereinheit
gelöst,
welche, entsprechend darin abgelegter Verzugsdaten, eine Korrektur
des detektierten Spannungs-Nulldurchgangs um die Schaltverzögerung und
mithin einen Schaltvorgang ermöglicht,
welcher auf dem Spannungs-Nulldurchgang
im Spannungs-Zeitverlauf liegt.
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Allerdings
ist die aus der
DE 196 06 503 bekannte
Technologie konstruktiv aufwendig (insbesondere im Hinblick auf
die zur Phasendetektion und zur Messung der Verzögerungszeit erforderliche Peripherieelektronik
für die
Relaiseinheit), darüber
hinaus verursacht die Vorrichtung durch den Einsatz einer monostabilen
Relaiseinheit einen hohen Stromverbrauch im Einschaltzustand (durch
den permanent fließenden
Spulenstrom), und eine wesentliche Problematik der bekannten Technologie
im Alltagsbetrieb tritt insbesondere dann auf, wenn mit der bekannten
Vorrichtung nicht eine rein ohm'sche
Last zu schalten ist (also ein Verbraucher, bei welchem das Spannungs-
und das Stromwechselsignal phasensynchron verlaufen), sondern der
Verbraucher induktive (oder kapazitive) Eigenschaften besitzt, also
ein Phasenversatz zwischen dem Strom- und dem Spannungswechselsignal
besteht. Ein Ausschaltvorgang im Spannungs-Nulldurchgang, wie von
der
DE 196 06 503
C2 vorgeschlagen, würde
dann nämlich
dazu führen,
dass die Schaltkontakte der Relaiseinheit bei fließendem Strom,
also unter Last, geöffnet
werden, wobei wiederum die bekannten nachteiligen Wirkungen für die Relaiskontakte
entstehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Vorrichtung
zum steuerbaren Herstellen einer Schaltverbindung zwischen einem
Anschlusskontakt für
eine elektrische Last und einem Wechselspannungs-Netzanschluss so
zu verbessern, dass Stromverbrauch und Betriebseigenschaften der
Vorrichtung, insbesondere im Hinblick auf nicht-ohm'sche Lasten, verbessert
sind, darüber hinaus
die Vorrichtung konstruktiv einfacher realisiert werden kann und
insbesondere auch eine verbesserte Anpassung an veränderliche
Einschalt- bzw. Ausschalt-Verzögerungseigenschaften
einer Relaiseinheit (etwa bedingt durch Lage/Position, Temperatur oder
Alterung) erfolgen kann.
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Die
Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
sowie die Verwendung nach dem unabhängigen Patentanspruch 12 gelöst; vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Zusätzlich beansprucht
im Rahmen der Erfindung ist ein Ver fahren zum steuerbaren Herstellen
einer Schaltverbindung zwischen einem Anschlusskontakt für eine elektrische
Last und einem Wechselspannungs-Netzanschluss, wie es sich aus dem
Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergibt bzw. in der nachfolgenden näheren Beschreibung der Erfindung
und der Ausführungsbeispiele
dargelegt ist.
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So
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Steuereinheit als Reaktion auf das das Einschalten der
Last bezweckende Schaltsignal sowie den detektierten Spannungs-Nulldurchgang
das Einschalt-Steuersignal so auslöst, dass dieses um die Einschaltverzögerung der
Relaiseinheit (welche in den Speichermitteln abgelegt ist) korrigiert
wird. Demgegenüber
wird durch die Steuereinheit das Ausschalt-Steuersignal (wiederum
getriggert durch ein das Ausschalten der Last beabsichtigendes Schaltsignal)
ausgelöst,
wenn die erfindungsgemäß vorgesehenen
Strom-Phasendetektionsmittel einen Strom-Nulldurchgang detektieren,
wobei besonders vorteilhaft und weiterbildungsgemäß auch hier
noch eine Korrektur um eine Ausschalt-Verzögerungszeit erfolgen kann.
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Durch
diese erfindungsgemäße Maßnahme ist
zunächst
sichergestellt, dass das Ausschalten auch einer induktiven oder
kapazitiven Last stets stromlos erfolgt, so dass auch der für den Betrieb
der Relaiseinheit kritische Ausschaltvorgang ohne nachteilige Schädigung der
Relaiskontakte erfolgen kann. Damit kann im praktischen Betrieb
die vorliegende Vorrichtung Relais verwenden, bei denen (lediglich) die
Relaiskontakte für
den Dauerstrom bemessen werden müssen,
nicht etwa jedoch für
einen (üblicherweise
wesentlich höheren)
Einschaltstrom. So würde
zum Schalten einer 1000 Watt-Last
an 230 Volt-Netzspannung bereits ein 5-Ampere-Relais ausreichen,
in der Praxis zeigt jedoch bereits ein 2-Ampere-Relais keinerlei
Verschleiß (während bei
traditioneller Realisierung einer Schaltvorrichtung das Relais um
ein Mehrfaches überdimensioniert
sein müsste).
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Es
hat sich im Rahmen der Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt,
ein bistabiles Relais einzusetzen; in diesem Fall wären sowohl
das Einschalt-, als auch das Ausschalt-Steuersignal impulsförmig. Die
Bistabilität
des Relais führt
dann erfindungsgemäß dazu,
dass während
der Einschaltperiode (also z.B. ein Öffnungszustand) kein Spulenstrom
fließt,
mithin also der Stromverbrauch der Vorrichtung drastisch vermindert
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
eine tatsächliche
Einschalt- oder Ausschaltverzögerung
der Relaiseinheit bei jedem Schaltvorgang zu erfassen und mit den
gespeicherten Daten zu vergleichen, so dass diese kontinuierlich
an sich ändernde
Bedingungen angepasst werden können:
Es hat sich herausgestellt, dass verschiedene Faktoren das Schaltverhalten
von Relais teilweise kritisch beeinflussen, insbesondere im Hinblick
auf die Verzögerungszeiten
beim Ein- und Ausschalten. Hierzu gehört etwa das Altern eines Relais
(sowohl im Hinblick auf das reine Alter, als auch die Zahl der tatsächlich durchgeführten Schaltvorgänge), ferner
die Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder aber auch die Montageposition
der Einheit (etwa horizontal vs. vertikal vs. schräg). Entsprechend
sieht die Erfindung gemäß der bevorzugten Weiterbildung
vor, dass (in der Praxis durch einen separaten Schaltkontakt der
Relaiseinheit oder eine Erfassung des tatsächlich anliegenden Pegels am Schaltkontakt
im Schaltzeitpunkt) die tatsächliche Einschalt-
bzw. Ausschaltverzögerung
erfasst wird und aus einem Vergleich mit den gespeicherten Daten
dann eine Korrektur dieser Daten auf einen aktuellen Wert oder in
Richtung eines aktuellen Wertes erfolgt. Genauer gesagt und wie
weiterbildungsgemäß beansprucht,
hat es sich nämlich
als günstig
herausgestellt, einen solchen tatsächlich erfassten Verzögerungswert
nicht etwa vollständig
zu übernehmen und
dem nächsten
Schaltvorgang der Relaiseinheit zugrunde zu legen, sondern vielmehr
das Anpassen der gespeicherten Verzögerungsdaten schrittweise (in
Richtung auf den tatsächlichen
Wert bzw. das Korrekturbedürfnis) durchzuführen, jedoch
lediglich um einen Bruchteil der erfassten Abweichung, z.B. 20 % oder
25 %. In einem solchen Fall würde
dann erst über
vier oder fünf
aufeinanderfolgende Schaltvorgänge
eine vollständige
Korrektur auf einen neuen (tatsächlichen)
Verzögerungswert
erfolgen, was jedoch im Hinblick auf teilweise stochastisch schwankende
Werte oder Einmaleffekte eine sinnvolle Maßnahme ist, die zu gleichmäßigem, berechenbarem Schaltverhalten
führt.
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Im
Rahmen einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind
Mittel zur Temperaturerfassung der Vorrichtung bzw. der Last vorgesehen. Auch
ein solches Signal wird unmittelbar zur Beeinflussung des Schaltverhaltens
ausgewertet, wobei erfindungsgemäß vorteilhaft
zusätzlich
eine Temperaturkompensation des Spulenstroms erfolgen kann, wenn
ein geeigneter temperaturabhängiger
Widerstand, z.B. ein NTC, eingesetzt wird.
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Ferner
liegt eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin, zusätzlich die
Einschalt-Prelldauer einer Relaiseinheit zu berücksichtigen. So hat sich nämlich bei
der Realisierung der Erfindung herausgestellt, dass ein Einschalt-Vorgang eines Relais kein
rein digitaler Vorgang mit senkrechter Flanke ist, vielmehr findet
beim Anziehen des Relais ein Prellen des Kontaktes statt, bis sich
nach einer gewissen Zeit ein stationärer Zustand einstellt. Im Rahmen
der bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird auch dieser Effekt
bei der Korrektur des Schaltverhaltens im Einschaltvorgang berücksichtigt,
weiterbildungsgemäß dergestalt,
dass die (vorab gespeicherte oder detektierte) Pralldauer der Relaiseinheit
so in die Korrektur einfließt,
dass der tatsächliche
Signalschaltvorgang auf die Mitte der Pralldauer gelegt wird.
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Im
Ergebnis lässt
sich durch die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Weise
das Schaltverhalten von Relais für
beliebige Verbraucher verbessern, so dass über die nachfolgend beschriebenen
Anwendungsbeispiele hinaus die vorliegende Erfindung sich für eine große Anzahl verschiedener
Schalterfordernisse eignet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen, diese zeigen in:
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1:
ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum steuerbaren Herstellen einer Schaltverbindung gemäß einer ersten,
bevorzugten Ausführungsform
und
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2:
Signaldiagramme zum Verdeutlichen des Korrekturverhaltens bei der
Einschaltverzögerung.
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Die
in 1 blockschaltbildartig dargestellte Vorrichtung
gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, typischerweise realisiert als kompaktes Elektronikmodul
zum Ersetzen eines traditionellen Relais zum Schalten einer Last 10,
weist als Steuereinheit eine Mikrocontrollereinheit 12 auf, welche
mit mittels einer Ausgangs-Steuerleitung 14 ein bistabiles
Relais 16 als Relaiseinheit schaltet und so die schematisch
als Leuchtmittel gezeigte Last 10 mit an Netzanschlüssen 20 anliegender
Netzspannung (z.B. 230 V/50 Hz) schaltbar versorgt.
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Die
Mikrocontrollereinheit 12, welche in ansonsten bekannter
Weise einer nicht-flüchtigen
Speichereinheit 22 zugeordnet ist (z.B. unmittelbar in
einen entsprechend integrierten Baustein integriert ist), wird über einen
Vorwiderstand 24 sowie eine Spannungsstabilisierungseinheit 26 (z.B.
realisiert durch eine Zenerdiode) mit Betriebsspannung versorgt.
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Die
Mikrocontrollereinheit 12 empfängt, wie in der Darstellung
der 1 gezeigt, an einem ersten, einen Analog-Digital-Wandler
(A/D) aufweisenden Eingang 28 über einen (nicht gezeigten)
Vorwiderstand das an den Netzanschlüssen 20 anliegende Wechselspannungssignal
als Phasenbezugssignal, welches damit geeignet digitalisiert zur
internen Weiterbearbeitung zur Verfügung steht (in der Darstellung
der 1 sind die Eingänge der Microcontrollereinheit 12 sowie
die zugehörigen
Signalleitungen gleich bezeichnet).
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Zusätzlich empfängt die
Mikrocontrollereinheit 12 über einen zweiten, einen A/D-Wandler
aufweisenden Eingang 30 ein von einer Stromsensoreinheit 32 ausgegebenes,
zum Stromfluss durch die Relaiseinheit 16 im eingeschalteten
Zustand proportionales Signal, welches ebenfalls nach entsprechender
Digitalisierung zur Weiterverarbeitung im Mikrocontroller 12 bereit
steht.
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Schließlich empfängt die
Mikrocontrollereinheit 12 über einen dritten, einen A/D-Wandler
aufweisenden Eingang 34 das auf dem lastseitigen Schaltkontakt
der Relaiseinheit 16 anliegende Signal, wobei hierdurch
einfach und wirksam die Kontaktgabe bzw. der Einschaltzustand der
Relaiseinheit gemessen werden kann und zusätzlich durch entsprechende
A/D-Wandlung die
Feststellung möglich
ist, ob tatsächlich
eine Schaltung im Nullpunkt erfolgt ist – wobei dann das Einschaltsignal
auch einen Nullspannungspegel aufweisen würde – oder aber ob bei der Ansteuerung
der Relaiseinheit 16 mittels des Steuerausgangs 14 der
Spannungs-Nullpunkt verfehlt wurde.
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Zusätzlich gezeigt
in der 1 ist über
einen vierten, einen A/D-Wandler aufweisenden Eingang 36 ein
eine Betriebstemperatur der Gesamtvorrichtung und/oder der Last 18 erfassender
Temperatursensor 38 verbunden, welcher am Eingang 36 ein temperaturproportionales
Signal zur Temperaturkorrektur bzw. Kompensation des Schaltverhaltens
bereitstellt.
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Der
Betrieb der in 1 gezeigten Einheit wird nachfolgend
erläutert,
wobei zunächst
der Einschaltprozess, dann der Ausschaltprozess erläutert wird.
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Als
Reaktion auf einen externen (z.B. von einem Benutzer oder durch
einen Sensor ausgelösten) Einschaltbefehl
für den
Mikrocontroller 12 liest dieser zunächst aus der Speichereinheit 22 einen
dort abgelegten Wert für
die Einschalt-Verzögerungszeit
des bistabilen Relais 16 aus, nämlich der Zeit, die vergeht zwischen
einem Anlegen des Steuersignals an die Steuerleitung 14 bis
zum tatsächlichen
Schließen
der Relaiskontakte und Erscheinen eines Spannungssignals am Kontakteingang 34.
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Ein
solcher, als digitaler Datenwert vorliegender Schaltbetrag wird
bei einer Synchronisation des Steuersignals (Steuerleitung 14)
mit der Wechselspannungsphase (detektiert über den Eingang 28) berücksichtigt,
denn, beginnend durch die Einschaltverzögerung, wäre zunächst das Einschaltsignal (Steuerleitung 14)
nicht genau zum Zeitpunkt des Spannungs-Nulldurchgangs des Netz-Wechselspannungs-Signals
auszulösen,
sondern um den Betrag der Einschaltverzögerung im Zeitablauf vorzuverlegen,
so dass der tatsächliche
Einschaltvorgang (Kontaktgabe durch die Relaiskontakte) dann auch
im Spannungsnull erfolgt. Dies geschieht im bevorzugten Ausführungsbeispiel
durch geeignete numerische Ablaufsteuerung und Datenverknüpfung mittels der
Mikrocontrollereinheit 12, aus der Sicht des Fachmannes
ist jedoch evident, dass auch alternative, analoge Schaltungsszenarien
zur Realisierung dieser Verknüpfung
möglich
sind.
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Über die
Einschaltverzögerung
des Relais 16 hinaus findet jedoch noch zusätzlich eine
Temperaturkompensation der Einschaltzeitverzögerung statt: In Abhängigkeit
von dem am Temperatursensoreingang 36 anliegenden, einer
Betriebstemperatur der Einheit bzw. der Last (je nach Position des
Temperatursensors 38) entsprechenden Signal wird nämlich im
Rahmen des vorliegenden Ausführungsbeispiels
der Umstand berücksichtigt,
dass die Einschalt-Verzögerungszeit
selbst temperaturabhängig ist,
insbesondere positiv mit der Temperatur korreliert. Durch Wirkung
der Mikrocontrollereinheit 16 findet also zusätzlich eine
Temperaturkompensation durch Korrektur der Verzögerungszeitdaten (geeignet
in einer Tabelle oder in Funktionsform in der Speichereinheit 22 abgelegten
Weise) statt, wobei typischerweise der Verzögerungszeit-/Temperaturzusammenhang
vorab ermittelt und mit konstanten Parametern gespeichert ist.
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Eine
weitere Beeinflussung und Kompensation der Einschalt-Verzögerungszeit
zur Bestimmung eines tatsächlichen
Ausgabe-Steuerzeitpunktes für das
Steuersignal (Leitung 14) findet dann noch statt um die
sog. Prelldauer der Kontakte der Relaiseinheit 16 (wobei
hier der Effekt berücksichtigt
wird, dass das Schließen
der Relaiskontakte kein rein digitaler, stufenartiger Vorgang im
Zeitdiagramm ist, sondern ein über
einen vorbestimmten Zeitraum, die Prelldauer, stattfindender Prellvorgang
erfolgt). Im Rahmen des gezeigten Ausführungsbeispiels ist auch die Prelldauer
(Anzugsprellzeit) in der Speichereinheit 22 abgelegt und
wird von der Mikrocontrollereinheit bei der Berechnung des genauen
Zeitpunkts zum Auslösen
des Steuersignals dergestalt berücksichtigt,
dass eine Vorverlegung des Einschaltens um die Hälfte der Prelldauer erfolgt,
mithin also das Schaltsignal in die Mitte des Prellvorgangs gelegt
wird.
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Aus
diesen Einflussgrößen – detektierter Nulldurchgang
bzw. die Zeitpunkte zukünftiger
Nulldurchgänge
gemäß Netzfrequenz,
Einschalt-Verzögerungszeit
gemäß im Speicher 22 abgelegtem
Wert, tatsächlicher
Temperatur sowie Anzugsprelldauer der Relaiseinheit gemäß abgelegtem
Wert – wird dann
in der beschriebenen Weise ein Einschaltzeitpunkt errechnet, welcher
nach diesen Einflussgrößen möglichst
genau ein tatsächliches
Einschalten des Relais im Nullpunkt bezweckt, und das (impulsförmige) Einschalt-Steuersignal über die
Steuerleitung 14 wird an die Relaiseinheit 16 ausgelöst. Daraufhin wird
die Last 10 mit der Netzspannung beaufschlagt, und das
im gezeigten Ausführungsbeispiel
symbolisch gezeigte Leuchtmittel leuchtet (da im Ausführungsbeispiel
die Relaiseinheit als bistabiles Relais realisiert ist, verbleibt
das Relais im Einschaltzustand, auch wenn die Steuerleitung 14 kein
Steuersignal trägt).
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Durch
das Einschalten der Relaiskontakte liegt am Schaltkontakteingang 34 der
Mikrocontrollereinheit 12 ein Signal an; im Idealzustand
ist es genau zu diesem Zeitpunkt Null, für den Fall, dass jedoch durch
die Ansteuerung der Relaiseinheit der Spannungs-Nulldurchgang verfehlt
wurde, ein durch den A/D-Wandler zu quantifizierendes (und damit auch
zeitlich einzuordnendes) positives oder negatives Spannungssignal.
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Als
Reaktion auf das Signal am Schaltkontakteingang 34 (typischerweise über einen
nicht-gezeigten Vorwiderstand) wird zunächst ermittelt, um welche Zeitdauer
(Zeitbetrag) der tatsächlich
bewirkte Einschalt-Steuervorgang den Spannungs-Nulldurchgang verfehlt hat (etwa durch
Berechnen des tatsächlichen
Zeitschaltpunktes bzw. des vom Nulldurchgang entfernten Schaltzeitpunktes
gemäß eines
aus dem sinusförmigen
Spannungsverlauf bekannten funktionalen Zusammenhangs), und es erfolgt
mittels der Mikrocontrollereinheit 12 eine Korrektur des
gespeicherten Wertes für
die Einschaltverzögerungszeit.
Genauer gesagt wird im gezeigten Ausführungsbeispiel jedoch nicht
der in der Speichereinheit 22 für die Einschalt-Verzögerung gespeicherte
Datenwert durch einen entsprechend der Messung und Berechnung am
Eingang 34 tatsächlich
signalisierten ersetzt, vielmehr erfolgt die Korrektur schrittweise
und über
vorbestimmte Zeitschritte (z.B. 25 Mikrosekunden) in die jeweils
zu korrigierende Richtung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel führt dies faktisch
zu einer Mittlung der Korrektur über
fünf aufeinanderfolgende
Schaltzyklen (wobei jeweils hier auch wieder andere Korrektureinflüsse auftreten
können),
so dass sprunghaftes und stochastisch bedingtes Schaltverhalten
vermieden werden kann.
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Dieser
so erzeugte und abgespeicherte Wert für die Einschalt-Verzögerungszeit
steht dann für
den nächsten,
in der vorgeschriebenen Weise durchzuführenden kompensierten Einschaltvorgang
zur Verfügung.
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Anhand
der 2 soll dies näher
im Detail erläutert
werden. Es zeigt das oberste Diagramm den Spannungsverlauf über der
Last 10 (1) bei fünf aufeinanderfolgenden Einschaltvorgängen, wobei zur
Vereinfachung der Beschreibung die Einschaltverzögerung (Δ) als konstant über die
fünf Schaltvorgänge angenommen
werden soll, insbesondere also unabhängig von Temperaturschwankungen
in diesem Zeitraum ist und damit das physikalische Schaltverhalten
des Relais beschreibt (wie im mittleren Diagramm der 2 gezeigt,
entspricht diese tatsächlich
gemessene Einschaltverzögerungszeit
einem Winkel α0, welcher, bezogen auf den idealen Nulldurchgang,
von 0° zu
subtrahieren ist).
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Das
dritte Diagramm in 2 verdeutlicht dann, wie durch
Wirkung des beschriebenen Ausführungsbeispieles
der Erfindung sukzessive und um den festen Zeitversatz von 25 Mikrosekunden
eine kontinuierliche Annäherung
an den wirklichen Nulldurchgang durch schrittweise Korrektur der
Einschaltverzögerung
erfolgt, wobei durch diese Maßnahme
in erfindungsgemäß vorteilhafter
Weise in wenigen aufeinanderfolgenden Einschaltvorgängen dann
eine Korrektur auf den wahren Nullpunkt erfolgen kann, ohne dass
etwa (z.B. zufallsbedingte) Ausschläge im Messwert für die Einschaltverzögerungszeit
zu unberechenbaren und letztendlich instabilem Korrektur- und Schaltverhalten
führen.
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Nachfolgend
wird gemäß Darstellung
in 1 der Ausschaltvorgang beschrieben, nachdem in
der oben beschriebenen Weise durch Auslösen eines Einschaltsignals
auf der Steuerleitung 14 die Relaiskontakte des Relais 16 geschlossen
wurden. Sobald etwa durch einen externen Benutzerzugriff oder eine
Sensorsteuerung ein Ausschaltbefehl der Mikrocontrollereinheit 12 zugeleitet
wird, wird zunächst eine
Synchronisation mit dem durch die Relaiseinheit bzw. die Last fließenden Laststrom
dergestalt erzeugt, dass ein Ausschal ten, d.h. Öffnen der Relaiskontakte, im
Strom-Nulldurchgang des Netzwechselsignals erfolgen kann. Dies geschieht
mittels der Stromsensoreinheit 32 (welche entweder als
Shunt, oder aber als magnetisch wirksame Einheit, z.B. Hall-Sensor
realisiert ist), wobei ein dem Laststrom proportionales Signal dann
am Stromsensoreingang 30 anliegt.
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Analog
zur vorbeschriebenen Weise liest die Mikrocontrollereinheit 12 dann
einen gespeicherten Wert für
die Ausschaltverzögerung
(Zeitdauer zwischen einem Auslösen
eines Ausschaltsignals auf der Steuerleitung 14 und einem
tatsächlichen Öffnen der
Relaiskontakte) aus der Speichereinheit 22 aus, führt in der
vorbeschriebenen Weise eine Temperaturkompensation durch Berücksichtigung
des Temperatursignals am Temperatur-Eingang 36 der Mikrocontrollereinheit
aus und bestimmt daraufhin den Ausschaltzeitpunkt, woraufhin das
Ausschaltsignal auf der Steuerleitung 14 für das bistabile
Relais 16 zu diesem Zeitpunkt generiert wird, mit der Erwartung, dass
dann eine Unterbrechung des Stromflusses zur Last im Strom-Nulldurchgang
erfolgt.
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Während beim
beschriebenen Ausführungsbeispiel
in 1 die Ausschaltverzögerung als konstant angenommen
wird (und i.ü.
für den
Ausschaltvorgang eine Prelldauer nicht zu berücksichtigen ist), ist es auch
von der vorliegenden Erfindung umfasst, analog zum Vorgehen bei
der Korrektur der gespeicherten Werte für die Einschaltverzögerung eine
Erfassung für
den tatsächlichen
Stromfluss zum Ausschaltzeitpunkt vorzunehmen (dies kann zwanglos zunächst auch
mittels des Stromsensors erfolgen), woraufhin dann entsprechend
dem tatsächlich
gemessenem Ausschaltwert eine weiter bevorzugt schrittweise Anpassung
bzw. Korrektur des gespeicherten Ausschaltverzögerungswertes für die Speichereinheit 22 erfolgt.
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In
der praktischen Realisierung der Erfindung, z.B. bei Verwendung
eines 1000 Watt-Leuchtmittels an 230 Volt-Netzspannung, lässt sich
durch die beschriebene Ausführungsform in überaus einfacher
Weise das (praktisch lastlose) Ein- und Ausschalten mit geringstem konstruktiven
Aufwand im Hinblick auf die einzusetzende Relaiseinheit realisieren;
in der praktischen Erprobung erwies sich bereits ein 2 Ampere-Relais
als für
diese Schaltzwecke ausreichend (dies gewinnt besondere Bedeutung
etwa im Zusammenhang mit Verbrauchern, die einen niedrigen Einschaltwiderstand
und entsprechend hohe Einschaltströme aufweisen; so würde etwa
ein Einschaltwiderstand von 3,5 Ohm (wie er typischerweise etwa
bei einem einzuschaltenden Halogenstrahler auftritt) zu einem traditionellen,
nicht auf den Nullpunkt bezogenen Einschaltstrom von bis zu 65 Ampere
(!) führen,
was der Hauptgrund dafür
ist, dass traditionell beim Schalten derartiger Lasten ein entsprechend
hoher Aufwand mit – großen und
teuren – Relais
betrieben werden muss). Auch bekannte Nullpunktschaltungen, die
aus den dargestellten Gründen
den tatsächlichen
Spannungsnullpunkt nicht exakt treffen und insbesondere auch temperaturbedingte
Schwankungen des Spannungsnullpunkts nicht berücksichtigen können, weisen
in derartigen Umgebungen Probleme auf bzw. machen das Überdimensionieren
des Relais notwendig.
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Dagegen
ermöglicht
es die Erfindung, äußerst elegant
und flexibel anpassbar auf verschiedene Betriebs-, Last-, Lage- und Temperatursituationen,
stets optimale Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte zu definieren,
wobei zusätzlich
hervorzuheben ist, dass gerade bei nicht rein ohm'schen Lasten trotzdem
der optimale (da strom- und leistungslose) Ausschaltzeitpunkt gewählt wird,
so dass die Voraussetzungen für
sehr lange Relais-Standzeiten ohne Kontaktschädigung geschaffen sind.