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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum synchronen, also phasengenauen Schalten einer Wechselspannung mittels eines Relais.
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Pulsweitenmodulierte Stromregler oder Stromtreiber, kurz auch PWM-Stromregler, sind bekannt, um Relais, Magnetventile und andere induktive Lasten mit Strom zu versorgen. Ein solcher Stromregler ist beispielsweise aus der
DE 199 20 306 B4 bekannt. Darin ist eine Schaltungsvorrichtung beschrieben, die ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal liefert. Das PWM-Stellsignal öffnet und sperrt abwechselnd ein elektrisches Schaltelement, welches in dem Stromkreis einer induktiven Last liegt.
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Aus der
US 2005/0012505 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Mikrokontroller ein PWM-Steuersignal erzeugt, welches einen Transistor ansteuert, welcher veranlasst, dass die Schaltkontakte eines Relais zu einem vorbestimmten Zeitpunkt geschlossen oder geöffnet werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum phasengenauen Schalten einer Wechselspannung zu schaffen, welche ein energiesparendes und verlustleistungsreduziertes Schalten von Wechselspannungen und zudem ein kontaktschonendes und synchrones Schalten von Relaiskontakten ermöglicht.
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, eine Schaltungsanordnung mit einem PWM-Stromtreiber zu schaffen, mit dem ein Relaiskontakt und somit die mittels des Relais zu schaltende Wechselspannung synchron, das heißt phasengenau zu dieser Wechselspannung geschaltet werden können.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung ist darin zu sehen, den PWM-Stromtreiber als integrierten Baustein zu implementieren, der in einfacher Weise durch externe Beschaltung mit passiven Bauteilen dimensioniert werden kann, um einen vorbestimmten Aktivierungsstrom mit einstellbarer Dauer sowie einen vorbestimmten Haltestrom durch das Relais zur Verfügung stellen zu können.
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Das oben genannte technische Problem wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß ist eine Schaltungsanordnung zum phasengenauen Schalten einer Wechselspannung mittels eines Relais vorgesehen. Die Schaltungsanordnung weist ein Relais mit einem in einem Laststromkreis liegenden Schaltkontakt auf, wobei der Laststromkreis ein Anschlusspaar zum Anlegen einer Wechselspannung aufweist. Bei der Wechselspannung kann es sich um die 50 Hz-Netzspannung handeln. Das Relais ist mit einem PWM-Stromtreiber verbunden, der einen ersten Eingang zum Anlegen eines Freigabesignals und einen zweiten Eingang zum Anlegen eines gegenüber der Wechselspannung phasenverschobenen Steuersignals aufweist. Weiterhin enthält der PWM-Stromtreiber eine Steuereinrichtung, die unter Ansprechen auf das Freigabesignal und das Steuersignal das Relais derart ansteuert, dass der Schaltkontakt des Relais phasengenau zur Wechselspannung geschaltet wird. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin ein zwischen den zweiten Eingang des PWM-Stromtreibers und den Laststromkreis geschaltetes Rückkopplungsnetzwerk auf, welches eine vorbestimmte Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem Steuersignal einführt. Dank der durch das Rückkopplungsnetzwerk eingeführten Phasenverschiebung kann die Schaltverzögerung des Relais so kompensiert werden, dass eine im Laststromkreis angeschossene Last phasengenau, d. h. zu einem vorbestimmten Phasenwinkel der Wechselspannung geschaltet werden kann.
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Ist in den Laststromkreis beispielsweise eine ohmsche Last geschaltet, kann das Rückkopplungsnetzwerk derart dimensioniert sein, dass der Schaltkontakt des Relais im Nulldurchgang der Wechselspannung geschaltet wird, so dass die Last stromlos geschaltet werden kann.
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Ist alternativ eine induktive Last in den Laststromkreis geschaltet, so kann das Netzwerk derart dimensioniert sein, dass der Schaltkontakt des Relais im positiven oder im negativen Spannungsextremwert der Wechselspannung geschaltet wird. Auf diese Weise kann eine Stromüberhöhung, die ansonsten in der induktiven Last entstehen würde, vermieden werden.
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Vorteilhafterweise ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass sie ein erstes regelbares pulsweitenmoduliertes Steuersignal zum Ansteuern einer Schalteinrichtung erzeugen kann, um einen Aktivierungsstrom für das Relais auf einen ersten Sollwert zu regeln. Der Aktivierungsstrom ist der Strom, bei dem der Schaltkontakt des Relais betätigt wird.
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Zweckmäßigerweise weist die Schaltungsanordnung eine erste Einrichtung zum Bereitstellen des ersten Sollwertes auf.
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Um die Schaltungsanordnung energiesparend betreiben zu können, ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass sie nach einer vorbestimmten Zeit ein zweites regelbares pulsweitenmoduliertes Steuersignal zum Ansteuern der Schalteinrichtung erzeugt, um einen Haltestrom, der niedriger als der Aktivierungsstrom ist, für das Relais bereitzustellen.
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Die Schaltungsanordnung kann vorteilhafter Weise eine zweite Einrichtung zum Bereitstellen eines zweiten Sollwertes aufweisen, auf den der Haltestrom regelbar ist.
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Das erste und zweite pulsweitenmodulierte Steuersignal sorgen jeweils dafür, dass die Schalteinrichtung abwechselnd in einem einstellbaren Tastverhältnis geöffnet oder gesperrt wird, um den Aktivierungsstrom bzw. den Haltestrom auf den jeweiligen Sollwert regeln zu können.
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Eine kompakte und leistungsstarke Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn der PWM-Stromtreiber als integrierte Schaltung aufgebaut ist.
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Die Flexibilität der Schaltungsanordnung wird dadurch gesteigert, dass an die integrierte Schaltung ein externer Widerstand zum Einstellen des ersten Sollwertes, ein weiterer externer Widerstand zum Einstellen des zweiten Sollwertes und ein externer Kondensator zum Einstellen der Zeitdauer des Aktivierungsstroms anschaltbar sind.
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In kostengünstiger Weise ist das Rückkopplungsnetzwerk als passives RC-Netzwerk ausgebildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 das elektrische Ersatzschaltbild einer beispielhaften Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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2 den zeitlichen Verlauf einer an die Schaltungsanordnung angelegten Wechselspannung,
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3 den zeitlichen Verlauf eines an den PWM-Stromtreiber nach 1 angelegten Freigabesignals,
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4 den zeitlichen Verlauf eines gegenüber der in 2 gezeigten Wechselspannung phasenverschobenes Steuersignal,
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5 den zeitlichen Verlauf des Stroms durch die in 1 dargestellten Relaisspule und
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6 den zeitlichen Verlauf des durch die in 1 dargestellten Last fließenden Laststroms.
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1 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung 10, die einen PWM-Stromtreiber 20 aufweist, der vorzugsweise als integrierte Schaltung aufgebaut ist. Der PWM-Stromtreiber 20 weist einen ersten Eingang 22 auf, der auch als Enable-Eingang bezeichnet werden kann. An den Eingang 22 kann über einen Anschluss 40 das in 3 angelegte Freigabesignal VEN angelegt werden. Über einen GND genannten Masseanschluss 28 ist der PWM-Stromtreiber 20 mit Masse 42 verbunden. Weiterhin weist der PWM-Stromtreiber 20 eine Schalteinrichtung 24 auf, deren einer Kontakt 130 über einen Anschluss 29 ebenfalls mit der Masse 42 verbunden ist. Die Schalteinrichtung 24 kann beispielsweise als Feldeffekttransistor realisiert sein. Weiterhin weist der PWM-Stromtreiber 20 einen Anschluss 25 auf, an den eine externe Kapazität 100 angeschlossen werden kann. An einen Anschluss 26 kann ein Widerstand 105 und an einen Anschluss 27 kann ein Widerstand 107 angeschlossen sein.
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Die äußeren Anschlüsse des Kondensators 100 sowie der beiden Widerstände 105 und 107 können mit der Masse 42 verbunden sein. Über die Schalteinrichtung 24 ist der PWM-Stromtreiber 20 mit einem Relais 70 verbunden. Das Relais 70 weist eine Relaisspule 71 auf, deren einer Kontakt über einen Anschluss 140 mit einem weiteren Kontakt 131 der Schalteinrichtung 24 und deren anderer Kontakt mit einem Anschluss 30 verbunden ist. An den Anschluss 30 kann das positive Potential einer Betriebsspannung VB angelegt werden. Das Relais 70 weist ferner einen Schaltkontakt 72 auf, der zusammen mit einer, beispielsweise ohmschen Last 120 in einem Laststromkreis angeordnet sind. Der Laststromkreis weist zwei Anschlüsse 80 und 82 auf, an die eine Wechselspannung VAC angelegt werden kann. Bei der Wechselspannung kann es sich um die 50 Hz-Netzspannung handeln, die beispielsweise über die Phase und den Nullleiter an den Anschluss 80 bzw. 82 angeschlossen wird. Zweckmäßigerweise ist dann die Masse 42 mit dem Schutzleiter verbunden. Zwischen den Anschlüssen 80 und 82 des Laststromkreises und einem als SYNC bezeichneten zweiten Eingang 21 des PWM-Stromtreibers 20 ist ein Rückkopplungsnetzwerk geschaltet. Das Rückkopplungsnetzwerk enthält im vorliegenden Beispiel die Kondensatoren 60 und 65 sowie eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 50 und einem Widerstand 55. Erste miteinander verbundene Anschlüsse des Widerstands 55 und des Kondensators 50 sind an der Masse 42 und zweite miteinander verbundene Anschlüsse des Widerstands 55 und des Kondensators 50 sind an den Eingangsanschluss 21 des PWM-Stromtreibers 20 angeschlossen. Ein Anschluss des Kondensators 65 ist mit dem Eingang 21 und der andere Anschluss des Kondensators 65 ist mit dem Anschluss 80 des Laststromkreises sowie mit einem Anschluss des Schaltkontakts 72 verbunden. Der Kondensator 60 hingegen ist mit einem Anschluss ebenfalls am Eingang 21 des PWM-Stromtreibers 20 und mit seinem anderen Anschluss am Anschluss 82 des Laststromkreises 82 angeschlossen. Dieses Rückkopplungsnetzwerk bewirkt, dass dem Eingang 21 ein Steuersignal zugeführt wird, welches in Phase gegenüber der Wechselspannung VAC um einen vorbestimmten Wert verschoben ist.
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Parallel zur Relaisspule 71 ist in an sich bekannter Weise eine Freilaufdiode 23 geschaltet, die den Stromfluss durch die Relaisspule 71 in den Schaltpausen der Schalteinrichtung 24 aufrecht erhält. Der Kathodeanschluss der Diode ist mit dem Anschluss 30 verbunden, während der Anodenanschluss mit dem Schalter 24 verbunden ist. Die Freilaufdiode 23 ist Teil der integrierten Schaltung.
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Der PWM-Stromtreiber 20 weist weiterhin eine programmierbare Steuereinrichtung 110 auf, die pulsweitenmodulierte Steuersignale zum Ansteuern der Schalteinrichtung 24 erzeugen kann. Die Steuereinrichtung 110 kann ferner aus dem am Eingang 22 angelegten Freigabesignal und dem dem Eingang 21 zugeführten Steuersignal den Zeitpunkt zum Ansteuern der Schalteinrichtung 24 und damit den Zeitpunkt zum Ansteuern des Relais 70 ermitteln.
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Mittels des an den PWM-Stromtreiber 20 angeschlossenen Widerstandes 105 wird ein erster Sollwert eingestellt, auf den die Steuereinrichtung 110 unter Ansteuerung der Schalteinrichtung 24 den durch die Relaisspule 71 fließenden Aktivierungsstrom regelt. Der Aktivierungsstrom sorgt dafür, dass der Schaltkontakt 72 betätigt, vorzugsweise geschlossen wird. Mittels des an den PWM-Stromtreiber 20 angeschlossenen Widerstandes 107 wird ein zweiter Sollwert eingestellt, auf den die Steuereinrichtung 110 unter Ansteuerung der Schalteinrichtung 24 den durch die Relaisspule 71 fließenden Haltestrom regelt. Der Haltestrom hält den Schaltkontakt 72 im geschlossenen Zustand. Mit dem an den PWM-Stromtreiber 20 angeschlossenen Kondenstaor 100 wird die Dauer des Aktivierungsstroms eingestellt. Der Kondensator 100 dient somit dazu, die Dauer des Aktivierungsstroms und somit den Zeitpunkt zu definieren, zu dem der PWM-Stromtreiber 20 vom Aktivierungsstrom auf einen niedrigeren Haltestrom geschaltet wird. Ein möglicher Stromverlauf des Aktivierungs- und Haltestroms ISW ist in 5 wiedergegeben.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 10 in Verbindung mit den 2 bis 6 näher erläutert.
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Angenommen sei für die weitere Funktionsbeschreibung, dass die Last 120 ein Widerstand ist, die stromlos geschaltet werden soll. Unter Berücksichtigung der Schaltverzögerung des Relais 70 wird das die Kondensatoren 60, 65 und 50 und den Widerstand 55 umfassende Rückkopplungsnetzwerk derart dimensioniert, dass der Schaltkontakt 72 des Relais 70 phasengenau zur Wechselspannung VAC, im vorliegenden Beispiel genau im Nulldurchgang der Wechselspannung VAC, geschlossen wird.
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Die an den Anschlüssen 80 und 82 anliegende Wechselspannung VAC ist in 2 gezeigt, während der nach dem Schließen des Schaltkontakts 72 durch die Last 120 fließende Strom IRL in 6 dargestellt ist.
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Nunmehr sei angenommen, dass am Eingang 21 des PWM-Stromtreibers 20 das in 4 gezeigte phasenverschobene Steuersignals anliegt. Zu einem Zeitpunkt t0 wird an den Eingang 22 des PWM-Stromtreibers 20 das in 3 gezeigte Freigabesignal VEN angelegt. Die Steuereinrichtung 110 ist in dem vorliegenden Beispiel derart programmiert, dass sie mit dem ersten, nach dem Zeitpunkt t0 erkannten Nulldurchgang des am SYNC-Eingang 21 anliegenden phasenverschobenen Steuersignals den Schalter 24 im Rhythmus eines regelbaren pulsweitenmodulierten Steuersignals ansteuert. Dieser Zusammenhang ist in den 4 und 5 dargestellt. Sobald die Steuereinrichtung 110 den Nulldurchgang des phasenverschobenen Steuersignals erkennt, wird der in 5 gezeigte Ausgangsstrom ISW des PWM-Stromtreibers 20 erzeugt, der durch eine Aktivierungsphase 90 und eine Haltephase 95 gekennzeichnet ist. Dieser Ausgangsstrom fließt als Steuerstrom durch die Relaisspule 71. Das entsprechende PWM-Steuersignal liefert die Steuereinrichtung 110. Während der Aktivierungsphase 90, die mit dem Erfassungszeitpunkt des ersten Nulldurchgangs des am Eingang 22 anliegenden Steuersignals beginnt, wird der Ausgangsstrom ISW, zuvor auch Aktivierungsstrom genannt, auf den durch den Widerstand 105 definierten Sollwert geregelt und für eine vorbestimmte Zeit, welche durch den Kondensator 100 vorgegeben worden ist, auf diesem Wert gehalten. Hierzu erzeugt die Steuereinrichtung 110 ein PWM-Steuersignal mit einem Tastverhältnis, dass so eingestellt wird, dass der Aktivierungsstrom auf den durch den Widerstand 105 eingestellten Sollwert geregelt wird.
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Nachdem der Aktivierungsstrom eine Zeit TREL durch die Spule 71 geflossen ist, wird der Schaltkontakt 72 geschlossen und der in 6 gezeigte Wechselstrom fließt durch die Lest 120. Der Betrag der Phasenverschiebung zwischen dem am Eingang 21 anliegenden Steuersignal und der Wechselspannung Vac entspricht genau der Zeit TREL, so dass im vorliegenden Beispiel die Wechselspannung VAC genau im Nulldurchgang mittels des Relais 70 geschaltet und somit die Last 120 stromlos geschaltet wird, wie dies in den 2 und 6 dargestellt ist. Die in 6 gezeigte Zeit TREL entspricht somit der Schaltverzögerung des Relais 70.
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Am Ende der Aktivierungsphase, die eine einstellbare zeitliche Länge besitzt, beginnt die Haltephase 95. Während dieser Phase wird der Ausgangsstrom ISW auf den niedrigeren Haltestrom reduziert. Hierzu erzeugt die Steuereinrichtung 110 ein PWM-Steuersignal mit einem Tastverhältnis, dass so eingestellt wird, dass der Haltestrom auf den durch den Widerstand 107 eingestellten Sollwert geregelt wird. Der Haltestrom ist so dimensioniert, dass der Schalter 72 im geschlossenen Zustand gehalten werden kann.
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Wird das Freigabesignal VEN, das einer Gleichspannung mit einem Low- und einem High-Pegel entspricht, wieder abgeschaltet, das heißt der Pegel geht auf „LOW” zurück, wird der Schalter 24 erst nach dem Detektieren eines weiteren Nulldurchgangs der Steuerspannung VSYNC geöffnet und das Relais 70 somit deaktiviert.
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Wie bereits erwähnt, sorgt die Freilaufdiode 23 dafür, dass während der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Schalters 24 der Stromfluss durch die Spule 71 während der geöffneten Phasen des Schalters 21 weiter aufrecht erhalten wird.
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Dank der beschriebenen Schaltungsanordnung 10 kann mit Hilfe des RC-Rückkopplungsnetzwerkes das Schalten des Relais 70 gezielt an die Phase der Wechselspannung VAC des Laststromkreises angepasst werden.
