-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funktionsfähigkeit
eines Leistungsschalters sowie einen Leistungsschalter, in dem das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt
wird.
-
Ein
Leistungsschalter hat die Aufgabe, einen Stromkreis zu unterbrechen.
Hierfür
sind in dem Leistungsschalter Schaltglieder vorgesehen. Die Schaltglieder
werden durch Wirkung eines Stößels zum
Unterbrechen des Stromkreises bewegt, wobei der Stößel entweder
unmittelbar auf die Schaltglieder einwirkt oder über die Vermittlung eines Schaltschlosses.
Der Stößel ist
im nicht ausgelösten
Zustand von einem Permanentmagneten gegen die Kraft einer Feder
gehalten. Im Bereich des Permanentmagneten ist eine Spule vorgesehen.
Wird diese Spule mit Strom beaufschlagt, wird ein Magnetfeld erzeugt,
das dem Magnetfeld des Permanentmagneten entgegenwirkt, und der
Stößel wird
durch die Kraft der vorgespannten Feder bewegt. Die Spule steht
somit am Anfang der Wirkkette, die zum Unterbrechen eines Stromkreises
dient. Die Spule weist üblicherweise
an ihren beiden Enden Drähte
auf, die an Anschlüssen befestigt
sind, insbesondere angelötet
oder mittels Steckverbinder gesteckt sind. Ein Leistungsschalter kann,
insbesondere auch im Betrieb, starken Vibrationen ausgesetzt sein,
die zu einem Drahtbruch führen
können,
also zu einer Beschädigung
des Drahtes an sich oder insbesondere auch einem Abbrechen des Drahtes
von der Lötstelle
oder vom Steckverbinder. Dann ist unmittelbar die Funktionsfähigkeit
des Leistungsschalters nicht mehr gegeben: Die Spule kann nicht
mehr mit Strom beaufschlagt werden, was Voraussetzung für die Unterbrechung
eines Stromkreises ist. Der Leistungsschalter kann seine Aufgabe
nicht mehr wahrnehmen, und wenn der Fall gegeben ist, dass ein Unterbrechen
eines Stromkreises notwendig ist, kann es zu gefährlichen Situationen kommen,
z. B. eine Überlast auf
der Seite von dem Leistungsschalter nachgeordneten Verbrauchern oder
auch des Leistungsschalters selbst. Bei Überlast kann es zu einer Beschädigung von
Geräten
und insbesondere auch zu einem Brand kommen.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie die Funktionsfähigkeit
eines Leistungsschalters besser gewährleistet werden kann.
-
Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 und in zwei Alternativen durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch
5 oder 7 gelöst.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
beinhaltet, dass eine Spannung an einer Reihenschaltung aus der
Spule und einem weiteren Element, typischerweise einem Widerstandselement,
angelegt wird, und zwar soll diese Spannung nicht bewirken, dass über die
Spule ein Strom der Stärke
fließt,
dass eine Unterbrechung eines Stromkreises bewirkt wird. Die angelegte
Spannung bewirkt, dass bei einem Potenzialpunkt zwischen dem weiteren
Element und der Spule ein bestimmtes Potenzial anliegt, also eine
bestimmte Spannung über
den Lötanschlüssen für die Spule
abfällt.
Diese Spannung ist vom Zustand der Zuleitungen der Spule abhängig. Ermittelt
man nun eine von diesem bestimmten Potenzial abhängige Größe und wertet diese Größe aus,
lässt sich
auf die Funktionsfähigkeit
der Spule, also des Auslösemagneten,
zurückschließen.
-
Es
muss grundsätzlich
nur zwischen zwei Fällen
unterschieden werden: Entweder ist der Zustand des Leistungsschalters
fehlerfrei, so dass die Reihenschaltung aus Spule und weiterem Element wie
eine Spannungsteilerschaltung wirkt und sich das zwischen der Spule
und dem weiteren Element anliegende Potenzial aus den Widerstandswerten von
Spule und weiterem Element ergibt. Oder es gibt einen Fehlerzustand,
wenn die Reihenschaltung aufgrund Drahtbruchs unterbrochen ist.
Der Widerstand der zwischen dem Potenzialpunkt an dem weiteren Element und
dem dem weiteren Element abgewandten Anschluss der Spule geht dann
gegen unendlich, so dass ein zu vernachlässigender Anteil der Spannung
an dem weiteren Element abfällt
und an dem Potenzialpunkt das zur angelegten Spannung gehörige Potenzial
anliegt.
-
Die
im Verfahren ermittelte Größe muss
lediglich geeignet sein, dass anhand von ihr die beiden Zustände unterschieden
werden können:
Wenn die Größe in einem
ersten Werteintervall liegt, wird ein fehlerfreier Zustand angenommen,
und wenn sie in einem zweiten Werteintervall liegt, wird das Vorliegen eines
Fehlerzustands angenommen; im letzteren Fall umfasst das Verfahren
zum Überwachen
der Funktionsfähigkeit
insbesondere einen gesonderten Schritt, nämlich dass ein Signal ausgegeben
wird. Bevorzugt aktiviert das Signal eine Einheit, über die mitgeteilt
wird, dass ein Fehlerzustand vorliegt. Das Mitteilen kann insbesondere
optisch, akustisch oder haptisch erfolgen. Beispielsweise kann die
Einheit ein Lämpchen
umfassen, über
dessen Leuchten oder Blinken die entsprechende Mitteilung erfolgt.
Genau so kann die Einheit einen Lautsprecher umfassen, über den
ein Warnsignal, z. B. ein Warnton, ausgegeben wird.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann das Anlegen einer Spannung auf zwei unterschiedliche Weisen
erfolgen, die sich durch das Vorzeichen der angelegten Spannung
unterscheiden:
In einem Fall wird eine Gleichspannung eines
solchen Vorzeichens angelegt, dass ein Prüfstrom in dieselbe Richtung
fließen
kann wie ein ein Unterbrechen eines Stromkreises bewirkender Auslösestrom, wobei
dieser Prüfstrom
dann tatsächlich
fließt,
wenn die Spule fehlerfrei in der Reihenschaltung angeschlossen ist.
Der Prüfstrom
sollte aber eine geringere Stromstärke haben, als sie ein Auslösestrom braucht,
um ein Unterbrechen eines Stromkreises zu bewirken. Die Stromstärke des
Prüfstroms
wird durch den Betrag der Gleichspannung festgelegt. Die Stromstärke sollte
bevorzugt deutlich geringer sein, als es für das Vorliegen eines Auslösestroms
notwendig ist, z. B. nur ein Fünftel
so groß sein,
möglicherweise
sogar nur ein Zehntel so groß sein.
-
In
einem zweiten Fall wird eine Gleichspannung eines solchen Vorzeichens
angelegt, dass ein Prüfstrom
in die entgegen gesetzte Richtung fließen kann bzw. tatsächlich fließt wie ein
Auslösestrom. Dann
schwächt
der Prüfstrom
die Wirkung des Permanentmagneten nicht, der den Stößel hält, sondern verstärkt sogar
dessen Wirkung, so dass der Permanentmagnet schwächer ausgebildet sein kann.
-
Die
beiden Alternativen, was das Vorzeichen der anzulegenden Gleichspannung
betrifft, spiegeln sich in zwei alternativen Ausgestaltungen eines
erfindungsgemäßen Leistungsschalters
wider.
-
Es
wird bei beiden Alternativen von einem Leistungsschalter ausgegangen,
in dem eine Spule zum Bewirken des Unterbrechens eines Stromkreises
vorgesehen ist, wobei in Reihe zur Spule ein Transistor geschaltet
ist. Ferner gibt es Mittel zum Anlegen einer Spannung an die Reihenschaltung
aus Spule und Transistor. Je nach dem Schaltzustand des Transistors
fließt
ein Auslösestrom über die
Spule oder nicht.
-
Bei
der Alternative, dass ein Prüfstrom
gleichen Vorzeichens wie ein Auslösestrom fließt, kann zur
Erzeugung des Prüfstroms
die ohnehin an die Reihenschaltung aus Spule und Transistor angelegte Spannung
verwendet werden: Es wird ein Widerstandselement parallel zum Transistor
in Reihe mit der Spule geschaltet, ferner gibt es Mittel zum Auswerten
eines zwischen dem Widerstandselement und der Spule anliegenden
Potenzials.
-
Bei
der Alternative, dass der Prüfstrom
in entgegen gesetzter Richtung wie der Auslösestrom fließt, wird
ebenfalls mit dem spulenseitigen Anschluss des Transistors ein Widerstandselement
gekoppelt, allerdings nicht mit beiden Enden mit dem Transistor
gekoppelt und parallel zu diesem geschaltet; viel mehr ist das nicht
spulenseitige Anschlussende des Widerstandselements frei. Dann können gesonderte
Mittel zum Anlegen einer Spannung bereitgestellt sein, nämlich zum
Anlegen einer Spannung an die Reihenschaltung aus Spule und Widerstandselement.
Auch hier wird durch geeignete Mittel zum Auswerten ein zwischen
dem Widerstandselement und der Spule anliegendes Potenzial ausgewertet.
-
Die
Mittel zum Auswerten können
bei beiden Ausführungsformen
zwei parallel zur Spule geschaltete Widerstandselemente umfassen.
Diese wirken als Spannungsteiler, so dass das Potenzial an dem Potenzialpunkt
zwischen den beiden Widerstandselementen ein durch die Werte der
Widerstandselemente festgelegter Bruchteil des Potenzial zwischen dem
Widerstandselement und der Spule ist. Das Potenzial an dem Potenzialpunkt
kann bei der ersten Alternative gemäß Patentanspruch 5 unmittelbar
einem Mikrokontroller oder Mikroprozessor zugeführt werden. Bei der zweiten
Alternative gemäß Patentanspruch
7 ist dieses Potenzial negativ, und es muss durch eine geeignete
Elektronikschaltung aufbereitet werden, damit es von einem Mikrokontroller
oder Mikroprozessor auswertbar ist. In beiden Fällen kann derjenige Mikrokontroller
oder Mikroprozessor als Teil der Mittel zum Auswerten des Potenzials
eingesetzt werden, der ohnehin in dem Leistungsschalter vorhanden
ist: Typischerweise wird die Auslösebedingung von einem Mikrokontroller überwacht,
z. B. eine Stromstärke
in dem zu unterbrechenden Stromkreis gemessen, und eben dieser Mikrokontroller steuert
auch den Transistor an.
-
Nachfolgend
werden zwei bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
-
1 ein
Schaltbild einer bei einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters
verwendeten Schaltung zeigt und
-
2 ein
Schaltbild einer bei einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters
verwendeten Schaltung zeigt.
-
Den
beiden Ausführungsformen
aus 1 und 2 ist gemeinsam, dass eine in
den Figuren schematisch gezeigte und mit S bezeichnete Spule in Reihe
zu einem Transistor T geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung
im Betrieb mit einer Spannung beaufschlagt wird. Bei der Ausführungsform
gemäß 1 ist
dies die Spannung U, bei der Ausführungsform gemäß 2 ist
es die Spannung U1. Im nicht ausgelösten Zustand
des Leistungsschalters sperrt der Transistor T, so dass über den
Transistor T kein Strom fließt.
Im Auslösefall
ermittelt ein Mikrocontroller ”μC” das Vorliegen
einer eine Auslösung
des Leistungsschalters bedingenden Situation und steuert den Transistor
T so an, dass er durchschaltet. Dann fließt ein Strom über die
Reihenschaltung aus Transistor T und Spule S, der so stark ist,
dass die Spule ein Magnetfeld erzeugt, das das Magnetfeld eines
in den Figuren nicht gezeigten Permanentmagneten aufhält, so dass
ein von dem Permanentmagneten gegen die Kraft einer Feder gehaltener
Stößel (ebenfalls
nicht gezeigt) sich unter der Kraft der Feder von dem Permanentmagneten
wegbewegen kann und hierbei auf weitere Elemente einwirkt, z. B. über ein Schaltschloss
auf ein Schaltglied des Leistungsschalters.
-
Der
Transistor T ist üblicherweise
auf einer Schaltungsplatine angeordnet. die Spule ist mit einem
Draht an einem Kontaktpunkt P1 angelötet oder angesteckt und mit
einem anderen Draht an einem Kontaktpunkt P2 angelötet oder
angesteckt. Die Lötstellen
oder Steckkontakte sind fehleranfällig, es kann aufgrund der
Vibrationen im Leistungsschalter zu einem Drahtbruch bzw. einem
Sich-Ablösen
des Drahts von der Lötstelle
oder Abrutschen des Steckers kommen. Dann würde auch bei einem Durchschalten
des Transistors T kein Strom mehr über die Spule S fließen, der
Leistungsschalter würde
nicht auslösen.
Dies ist gefährlich.
-
Um
nun einen solchen Fall von Nichtfunktionsfähigkeit des Leistungsschalters
frühzeitig
erkennen zu können,
ist bei der ersten Ausführungsform gemäß 1 ein
Widerstandselement R1 parallel zu dem Transistor T geschaltet. Dadurch
fließt üblicherweise
ein Strom über
die Spule S, auch wenn der Transistor T sperrt: die Reihenschaltung
aus Widerstandselement R1 und Spule S wirkt als Spannungsteiler.
Parallel zur Spule S sind zwei Widerstandselemente R2 und R3 geschaltet,
und ein Potenzialpunkt P3 zwischen diesen beiden Widerstandselementen ist
mit dem Mikrocontroller μC
gekoppelt.
-
Anhand
des am Punkt P3 anliegenden Potenzials, also der über das
Widerstandselement R3 abfallenden Spannung, lässt sich auf die Funktionsfähigkeit
oder Nichtfunktionsfähigkeit
rückschließen: Solange
die Spule S korrekt an den Potenzialpunkten P1 und P2 angeschlossen
ist, fließt
bei sperrendem Transistor T ein Prüfstrom über die Spule S. Der Wert des
Widerstands des Widerstandselements R1 soll hierbei so gewählt sein,
dass der Prüfstrom
nicht ausreicht, eine Bewegung des Stößels zu bewirken. Der Widerstand
des Widerstandselements R1 sollte daher größer als der der Spule S sein.
Sobald sich die Verbindung der Spule S mit dem Potenzialpunkt P1, aber
auch mit dem Potenzialpunkt P2 last, fließt kein Strom mehr über die
Spule, und es fließt
ein Strom allenfalls über
die Widerstandselemente R2 und R3, deren Widerstand deutlich höher sein
soll als der des Widerstandselements R1. Dadurch ist das Potenzial am
Potenzialpunkt P1 im Falle eines Defekts höher als bei über die
Spule S fließendem
Prüfstrom.
-
Dies
schlägt
sich im Potenzial am Potenzialpunkt P3 nieder, und der Mikrocontroller
kann daher aufgrund einer Messung eben dieses Potenzials bzw. der
Spannung gegenüber
Masse auf den Zustand des Leistungsschalters rückschließen. Er muss lediglich zwischen ”logisch
hoch” und ”logisch
tief” unterscheiden
können.
Ist alles in Ordnung, so erfasst der Mikrokontroller ”logisch
tief”,
im Fehlerfall erfasst er ”logisch
hoch”.
Im Fehlerfall bewirkt der Mikrokontroller dann das Ab geben eines
Warnsignals durch den Leistungsschalter durch Ansteuerung eines
in den Figuren nicht gezeigten Elements.
-
Die
zweite Ausführungsform
der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 1 dadurch,
dass das Widerstandselement R1 mit seinem der Spule abgewandten
Anschlussende nicht mit dem Anschlussende des Transistors T, das
der Spule abgewandt ist, gekoppelt ist. Daher liegt die Spannung
U1, welche an der Reihenschaltung aus Transistor
T und Spule S anliegt, nicht gleichzeitig an der Reihenschaltung
aus dem Widerstandselement R1 und der Spule S an. Es kann somit
an letztere Reihenschaltung eine andere Spannung U2 angelegt werden,
insbesondere eine Spannung mit umgekehrten Vorzeichen wie die Spannung
U1. Das Anlegen der Spannung U2 bewirkt
genauso wie bei der Ausführungsform
gemäß 1 das
Fließen
eines Prüfstroms,
allerdings in einer Richtung, die der Richtung eines eine Auslösung bewirkenden
Auslösestroms entgegengesetzt
ist. Am Potenzialpunkt P1 liegt dann entsprechend ein negatives
Potenzial an, dieses liegt auch am Potenzialpunkt P3 an, und da
ein negatives Potenzial nicht unmittelbar von einem Mikrocontroller
auswertbar ist, ist dem Mikrokontroller eine Elektronikschaltung
E vorgeschaltet, die eine Vorzeichenumkehr und gegebenenfalls Aufbereitung des
Potenzials derart bewirkt, dass sie vom Mikrokontroller auswertbar
ist. Auch bei der zweiten Ausführungsform
gemäß 2 ist
das am Potenzialpunkt P3 anliegende und daher vom Mikrocontroller erfassbare
Potenzial davon abhängig,
ob die Spule S korrekt mit den Potenzialpunkten P1 und P2 gekoppelt
ist oder nicht. Somit kann auch hier bei einem Drahtbruch ein Warnsignal
abgegeben werden.