DE102010062921A1

DE102010062921A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers in einem Haushaltsgerät und Haushaltsgerät

Info

Publication number: DE102010062921A1
Application number: DE201010062921
Authority: DE
Inventors: Hasan Gökcer Albayrak; Dipl.-Ing. Klei Hans-Wilhelm; Sven-Stefan Krüger; Rudolf Seidl
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (2) zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers (3), für ein Haushaltsgerät (1). Sie umfasst einen Schaltungseingang (4) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss (L, N), einen elektrischen Zwischenkreis (6) zum Bereitstellen einer Zwischenkreisspannung (UZ) für den elektrischen Verbraucher (3), einen zwischen dem Schaltungseingang (4) und dem Zwischenkreis (6) geschalteten Einschaltstrombegrenzer (5) zum Begrenzen der Stromstärke eines elektrischen Einschaltstromes (I) sowie einen parallel zum Einschaltstrombegrenzer (5) geschalteten elektrischen Schalter (11), der zwischen einer Offenstellung und einer Überbrückungsstellung, in welcher er den Einschaltstrombegrenzer (5) überbrückt, schaltbar ist. Eine Steuerschaltung (17) schaltet den elektrischen Schalter (11) zwischen der Offenstellung und der Überbrückungsstellung. Die Steuerschaltung (17) kann an einem mit dem Einschaltstrombegrenzer (5) gekoppelten Abgriffknoten (16) eine elektrische Wechselspannung (UA) abgreifen. Die Erfindung betrifft auch ein Haushaltsgerät (1), wie auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers (3) in einem Haushaltsgerät (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Haushaltsgerät, welche zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers des Haushaltsgerätes ausgebildet ist. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Schaltungseingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss. Sie umfasst auch einen elektrischen Zwischenkreis zum Bereitstellen einer Zwischenkreisspannung für den elektrischen Verbraucher. Ein zwischen dem Schaltungseingang und dem Zwischenkreis geschalteter Einschaltstrombegrenzer begrenzt die Stromstärke eines elektrischen Einschaltstroms. Parallel zum Einschaltstrombegrenzer ist ein elektrischer Schalter geschaltet, der zwischen einer Offenstellung und einer Überbrückungsstellung, in welcher er den Einschaltstrombegrenzer überbrückt, geschaltet werden kann. Eine Steuerschaltung schaltet den elektrischen Schalter zwischen der Offenstellung und der Überbrückungsstellung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers in einem Haushaltsgerät, wie auch ein Haushaltsgerät mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
Also gilt das Interesse vorliegend der zuverlässigen Überbrückung eines Einschaltstrombegrenzers, nämlich mit Hilfe eines elektrischen Schalters – etwa eines Relais. Solche Einschaltstrombegrenzer werden in Schaltungsanordnungen eingesetzt, um Bauelemente der Schaltungsanordnung vor thermischer Überlastung zu schützen sowie um einen starken Spannungseinbruch der Netzspannung zu vermeiden. Einerseits wird also durch einen Einschaltstrombegrenzer die Schaltungsanordnung selbst geschützt; andererseits kann das elektrische Versorgungsnetz vor einer Überlast geschützt werden. Als Einschaltstrombegrenzer können beispielsweise Ohmsche Widerstände, NTC(Negative Temperature Coefficient)-Elemente oder aber PTC(Positive Temperature Coefficient)-Elemente eingesetzt werden. All diese Bauteile können die Stromstärke eines Einschaltstromes des Haushaltsgerätes verringern.
Würde jedoch ein solcher Einschaltstrombegrenzer auch im Dauerbetrieb mit Strom durchflossen werden, so würden unverhältnismäßige elektrische Verluste auftreten. Auf der anderen Seite würde sich die für den elektrischen Verbraucher zur Verfügung stehende elektrische Leistung verringern. Eine Abhilfe schafft hier ein elektrischer Schalter, mittels welchem der Einschaltstrombegrenzer im Dauerbetrieb überbrückt wird. Es ergeben sich hier jedoch zwei wesentliche Probleme bei der Ansteuerung des elektrischen Schalters: Einerseits muss sichergestellt werden, dass der elektrische Schalter zu einem richtigen Zeitpunkt nach Einschalten des Haushaltsgerätes den Einschaltstrombegrenzer überbrückt. Wird nämlich der Schalter zu früh in die Überbrückungsstellung verbracht, so erfüllt der Einschaltstrombegrenzer nicht seine Aufgabe, und es kann zu einer Überlastung der Bauelemente der Schaltungsanordnung, wie auch des Versorgungsnetzes kommen. Auf der anderen Seite muss die Steuerschaltung feststellen können, ob der elektrische Schalter seine Überbrückungsstellung sicher eingenommen hat oder aber trotz einer Ansteuerung in der Offenstellung geblieben ist. In letzterem Falle müsste dann ein weiterer Betrieb des Haushaltsgerätes abgebrochen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung der elektrische Verbraucher besonders sicher betrieben werden kann, insbesondere wie die jeweils augenblickliche Stellung des Schalters überprüft werden kann und/oder der elektrische Schalter zu einem günstigen Zeitpunkt nach Einschalten des Haushaltsgerätes in seine Überbrückungsstellung geschaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, durch ein Haushaltsgerät mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9, wie auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers in einem Haushaltsgerät. Sie umfasst einen Schaltungseingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss. In einem elektrischen Zwischenkreis wird eine Zwischenkreisspannung – in der Regel eine Gleichspannung – für den elektrischen Verbraucher bereitgestellt. Zum Beispiel kann die Zwischenkreisspannung an einem Zwischenkreiskondensator bereitgestellt werden. Es ist ein Einschaltstrombegrenzer zwischen dem Schaltungseingang und dem Zwischenkreis geschaltet. Der Einschaltstrombegrenzer begrenzt die Stromstärke eines elektrischen Einschaltstromes. Parallel zum Einschaltstrombegrenzer ist ein elektrischer Schalter geschaltet, welcher zwischen einer Offenstellung und einer Überbrückungsstellung geschaltet werden kann. In der Überbrückungsstellung überbrückt der Schalter den Einschaltstrombegrenzer. Eine Steuerschaltung ist zum Schalten des elektrischen Schalters zwischen der Offenstellung und der Überbrückungsstellung ausgebildet. Es ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung eine elektrische Wechselspannung abgreift, nämlich an einem mit dem Einschaltstrombegrenzer gekoppelten – insbesondere direkt verbundenen – Abgriffknoten. Der Abgriffknoten kann beispielsweise zwischen dem Einschaltstrombegrenzer und dem Zwischenkreis liegen, etwa an einem Phasenleiter. Die abgegriffene Wechselspannung ist also im Wesentlichen die am Schaltungseingang anliegende Spannung, nämlich insbesondere eine Netzspannung.
Der erfindungsgemäße Effekt wird also dadurch erzielt, dass die Steuerschaltung, durch welche der elektrische Schalter angesteuert und zwischen der Offenstellung und der Überbrückungsstellung geschaltet werden kann, die Wechselspannung am Abgriffknoten abgreift. Einerseits kann hierdurch der elektrische Schalter zu einem günstigen Zeitpunkt in die Überbrückungsstellung verbracht werden; denn anhand der Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung kann die Steuerschaltung auf die jeweils aktuelle Stromstärke des Einschaltstromes zurück schließen. Die Steuerschaltung kann anhand der abgegriffenen Wechselspannung außerdem auf die „Qualität” bzw. die Amplitude der Netzspannung zurück schließen und somit feststellen, bis zu welcher Amplitude die Zwischenkreisspannung überhaupt ansteigen kann und somit zu welchem Zeitpunkt der Einschaltstrombegrenzer überbrückt werden soll. Andererseits kann die Steuerschaltung. anhand der Wechselspannung die jeweils augenblickliche Stellung des elektrischen Schalters überprüfen, nämlich dann, wenn die Wechselspannung durch die Steuerschaltung über einen Hilfskontakt eines elektrischen Schalters abgegriffen wird. Insgesamt wird also durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein sicherer Betrieb des elektrischen Verbrauchers ermöglicht.
Der elektrische Verbraucher ist bevorzugt ein elektrischer Antriebsmotor, nämlich beispielsweise für eine Wäschetrommel des Haushaltsgerätes. Der Zwischenkreis beinhaltet bevorzugt einen Zwischenkreiskondensator, an welchem die Zwischenkreis(gleich)spannung bereitgestellt wird. Diese Zwischenkreisspannung kann beispielsweise durch einen Wechselrichter abgegriffen werden, welcher dann aus der Zwischenkreisspannung zumindest eine Wechselspannung erzeugt, nämlich insbesondere für einen elektrischen Antriebsmotor als elektrischen Verbraucher.
Unter einem Haushaltsgerät wird vorliegend insbesondere ein Gerät verstanden, welches zur Haushaltsführung eingesetzt wird. Das kann ein Haushaltsgroßgerät sein, wie beispielsweise eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner, eine Geschirrspülmaschine, ein Gargerät, eine Dunstabzugshaube, ein Kältegerät, eine Kühl-Gefrier-Kombination oder ein Klimagerät. Das kann aber auch ein Haushaltskleingerät sein, wie beispielsweise ein Kaffeevollautomat oder eine Küchenmaschine.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn der elektrische Schalter einen Hilfskontakt aufweist, welcher in der Offenstellung des Schalters mit dem Abgriffknoten elektrisch gekoppelt und in der Überbrückungsstellung von diesem getrennt ist. Die Steuerschaltung kann dann mit dem Hilfskontakt des Schalters gekoppelt sein, so dass sie über den Hilfskontakt die Wechselspannung – am Abgriffknoten – abgreift. Auf diesem Wege gelingt es, die jeweils aktuelle Stellung des Schalters zu überprüfen. Befindet sich nämlich der Schalter in der Offenstellung, so kann die Steuerschaltung die Wechselspannung detektieren. Ist hingegen der elektrische Schalter in die Überbrückungsstellung geschaltet, so liegt an dem Hilfskontakt des Schalters keine Spannung an, und die Steuerschaltung kann die Wechselspannung nicht mehr detektieren. Auf diese Weise kann die Steuerschaltung feststellen, ob der Schalter die Überbrückungsstellung sicher eingenommen hat oder aber trotz einer Ansteuerung in der Offenstellung verblieben ist – dann liegt die Wechselspannung immer noch am Hilfskontakt an. Es kann somit ein weiterer Betrieb des Haushaltsgerätes bei einem nicht überbrückten Einschaltstrombegrenzer verhindert werden. Die Steuerschaltung kann nämlich nach Erkennen einer fehlerhaften Stellung des elektrischen Schalters beispielsweise das Haushaltsgerät abschalten oder aber erneut versuchen, den Schalter in die korrekte Stellung zu schalten.
Bevorzugt schaltet die Steuerschaltung den elektrischen Schalter von der Offenstellung in die Überbrückungsstellung dann, wenn ein Schaltkriterium erfüllt ist. Die Steuerschaltung kann also nach Einschalten des Haushaltsgerätes überprüfen, ob das Schaltkriterium erfüllt ist oder nicht; nach Erfülltsein des Schaltkriterium wird dann bevorzugt der elektrische Schalter in die Überbrückungsstellung geschaltet, so dass der Einschaltstrombegrenzer überbrückt wird.
In einer Ausführungsform misst die Steuerschaltung eine Amplitude der Zwischenkreisspannung. Dann kann das Schaltkriterium, eine auf die Amplitude der Zwischenkreisspannung bezogene Bedingung beinhalten. Beispielsweise kann das Schaltkriterium die Bedingung beinhalten, dass die Amplitude der Zwischenkreisspannung einen Grenzwert überschreitet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der elektrische Schalter zu einem günstigen Zeitpunkt in die Überbrückungsstellung geschaltet werden kann. Die Stromstärke des Einschaltstromes ist nämlich insbesondere zu Beginn des Ladevorgangs des Zwischenkreiskondensators sehr hoch und wird während des Ladevorgangs immer geringer. Überschreitet die Zwischenkreisspannung einen Grenzwert, so ist dies auch ein Zeichen dafür, dass die Stromstärke des Einschaltstromes eine bestimmte Schwelle unterschritten hat. In Abhängigkeit von der Amplitude der Zwischenkreisspannung kann also besonders genau auf die Stromstärke des Einschaltstromes zurückgeschlossen werden, was alleine anhand der abgegriffenen Wechselspannung nicht möglich ist, nämlich aufgrund von Schwankungen der Netzspannung. Als der zu überwachende Grenzwert kann neben der Amplitude der Zwischenkreisspannung auch alternativ die zeitliche Änderung der Zwischenkreisspannung genutzt werden.
Beim Überprüfen des Erfüllsteins des Schaltkriteriums kann die Steuerschaltung auch die Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung berücksichtigen. Also kann auch die Amplitude der Wechselspannung in das Schaltkriterium mit einfließen, so dass das Schaltkriterium noch genauer und situationsgerechter festgelegt werden kann. Die Amplitude der Wechselspannung liefert nämlich Informationen über die Qualität und die aktuelle Amplitude der Netzspannung. Die Berücksichtigung der Amplitude der Wechselspannung kann beispielsweise wie folgt aussehen: Das Schaltkriterium kann eine Bedingung beinhalten, welche in Abhängigkeit von der Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung verändert wird. Diese veränderbare Bedingung kann die auf die Amplitude der Zwischenkreisspannung bezogene Bedingung sein. Auf diesem Wege gelingt es, das Schaltkriterium – nämlich seine Bedingung – abhängig von der Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung und somit abhängig von der Qualität und der jeweils aktuellen Amplitude der Netzspannung bedarfsgerecht zu variieren. Somit kann das Schaltkriterium an die jeweils aktuelle Amplitude der Netzspannung angepasst werden. Die Amplitude der Netzspannung kann nämlich – auch innerhalb einer bestimmten Region bzw. eines Landes – von einem Sollwert (in der Regel 230 V) abweichen. Diese Abweichung kann auch relativ groß sein, etwa 10% bis 15%.
Die Veränderung des Schaltkriteriums erfolgt in einer Ausführungsform derart, dass der Grenzwert für die Amplitude der Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit von der Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung verändert wird. Es kann beispielsweise eine lineare Beziehung bzw. Abhängigkeit des Grenzwertes von der Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung gelten. Ist beispielsweise die Amplitude der Wechselspannung um 10% höher als ein Sollwert (z. B. 230 V), so kann auch der Grenzwert um 10% erhöht werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der elektrische Schalter bei einer geringeren Amplitude der Netzspannung früher als bei einer höheren Amplitude der Netzspannung in die Überbrückungsstellung geschaltet wird. Bei einer geringeren. Amplitude der Netzspannung ist nämlich auch die Stromstärke des Einschaltstromes entsprechend geringer. Der Zeitpunkt der Überbrückung des Einschaltstrombegrenzers wird also jeweils an die Amplitude der Netzspannung angepasst, und der elektrische Schalter wird in die Überbrückungsstellung jeweils zu einem günstigen Zeitpunkt geschaltet. Es wird insbesondere ein zu frühes Umschalten des Schalters in die Überbrückungsstellung verhindert.
Die Steuerschaltung kann als Herzstück beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen, durch welchen der elektrische Schalter zwischen der Offenstellung und der Überbrückungsstellung geschaltet wird. Die Wechselspannung kann mithilfe eines Spannungsteilers abgegriffen werden, welcher die Wechselspannung teilt und die geteilte Spannung an den Mikrocontroller abgibt. Der Mikrocontroller kann also die geteilte Spannung messen, welche ein Maß für die Wechselspannung ist. Die geteilte Spannung kann an einem Knoten abgegriffen werden, welcher über eine Diode – in Sperrrichtung – mit einem Bezugspotential gekoppelt sein kann. Auf diese Weise kann an diesem Knoten lediglich eine positive Spannung auftreten, und der Mikrocontroller misst lediglich eine positive Spannung. Die geteilte Spannung kann auch nach oben begrenzt werden: Zu diesem Zwecke kann der genannte Knoten über eine weitere Diode – in Durchlassrichtung – mit einer Spannungsquelle gekoppelt sein, etwa einer Spannungsquelle von 5 V. Dann wird die geteilte Spannung auf 5 V nach oben begrenzt.
Die Erfindung betrifft auch ein Haushaltsgerät, welches eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers in einem Haushaltsgerät, nämlich mithilfe einer Schaltungsanordnung. In einem elektrischen (Spannungs-)Zwischenkreis der Schaltungsanordnung wird eine Zwischenkreisspannung für den elektrischen Verbraucher bereitgestellt. Die Stromstärke eines Einschaltstroms wird durch einen zwischen einem Schaltungseingang der Schaltungsanordnung und dem Zwischenkreis geschalteten Einschaltstrombegrenzer begrenzt. Ein parallel zum Einschaltstrombegrenzer geschalteter elektrischer Schalter wird durch eine Steuerschaltung zwischen einer Offenstellung und einer Überbrückungsstellung geschaltet, in welcher der Schalter den Einschaltstrombegrenzer überbrückt. An einem mit dem Einschaltstrombegrenzer gekoppelten Abgriffknoten wird eine elektrische Wechselspannung durch die Steuerschaltung abgegriffen.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Haushaltsgerät sowie das Erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematischer Darstellung ein Haushaltsgerät einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2A einen zeitlichen Verlauf eines Einschaltstromes;
2B einen zeitlichen Verlauf einer elektrischen Wechselspannung, die an einem Abgriffknoten der Schaltungsanordnung abgegriffen wird;
2C einen zeitlichen Verlauf einer elektrischen Zwischenkreisspannung; und
2D einen zeitlichen Verlauf einer Messspannung, welche in einer Steuerschaltung aus der abgegriffenen Wechselspannung erzeugt wird.
Ein in 1 in schematischer Darstellung gezeigtes Haushaltsgerät 1 ist beispielsweise eine Waschmaschine. Es beinhaltet eine Schaltungsanordnung 2, welche zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers 3 des Haushaltsgerätes 1 dient. Der elektrische Verbraucher 3 kann z. B. ein elektrischer Antriebsmotor zum Antreiben einer nicht dargestellten Wäschetrommel sein. Der elektrische Verbraucher ist z. B. ein permanenterregter Synchronmotor bzw. ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC).
Die Schaltungsanordnung 2 weist einen Schaltungseingang 4 auf, welcher einen ersten Eingangsanschluss L sowie einen zweiten Eingangsanschluss N umfasst. Die Eingangsanschlüsse L, N sind Netzanschlüsse und können mit einem elektrischen Versorgungsnetz gekoppelt werden. Dann liegt zwischen den Eingangsanschlüssen L, N eine elektrische Netzspannung UN an, welche eine Wechselspannung ist. Der erste Eingangsanschluss L ist mit einem Phasenleiter verbunden, während der zweite Eingangsanschluss N mit einem Neutralleiter (Nulleiter) verbunden ist. In den Phasenleiter ist ein Einschaltstrombegrenzer 5 integriert, welcher beispielsweise ein NTC-Element oder ein Festwiderstand ist. Einerseits ist der Einschaltstrombegrenzer 5 mit dem ersten Eingangsanschluss L verbunden; andererseits ist er mit einem elektrischen Zwischenkreis 6 gekoppelt, nämlich über einen Gleichrichter 7. Der Gleichrichter 7 beinhaltet vier Dioden 8 und stellt eine gleichgerichtete Spannung bereit, nämlich aus der Netzspannung UN. Die gleichgerichtete Netzspannung wird mittels eines Zwischenkreiskondensators 9 des Zwischenkreises 6 geglättet. Am Zwischenkreiskondensator 9 liegt eine Zwischenkreisspannung UZ an, welche eine Gleichspannung ist. Die Zwischenkreisspannung UZ wird von einem Wechselrichter 10 abgegriffen und kann in eine Wechselspannung gewandelt werden, nämlich für den elektrischen Verbraucher 3. Der Wechselrichter 10 kann auch drei Wechselspannungen bereitstellen, die gegeneinander um jeweils 120° in der Phase verschoben sind.
Der Einschaltstrombegrenzer 5 dient zum Begrenzen der Stromstärke eines Einschaltstromes I, welcher nach Einschalten des Haushaltsgerätes 1 fließt. Durch den Einschaltstrom I wird der Zwischenkreiskondensator 9 aufgeladen. Der Einschaltstrom I fließt also im Wesentlichen so lange, bis der Zwischenkreiskondensator 9 aufgeladen wird.
Zum Überbrücken des Einschaltstrombegrenzers 5 ist ein elektrischer Schalter 11 bereitgestellt, welcher im Ausführungsbeispiel ein Relais ist. Der elektrische Schalter 11 umfasst ein bewegliches Kontaktelement 12 sowie ein ortsfestes Kontaktelement 13, wie auch einen Hilfskontakt 14. Der Schalter 11 kann zwischen einer in 1 dargestellten Offenstellung und einer Überbrückungsstellung geschaltet werden. In der Offenstellung ist der Hilfskontakt 14 mit dem beweglichen Kontaktelement 12 in Kontakt, während in der Überbrückungsstellung das bewegliche Kontaktelement 12 mit dem ortsfesten Kontaktelement 13 elektrisch verbunden ist und somit der Einschaltstrombegrenzer 5 durch den Schalter 11 überbrückt ist. Das ortsfeste Kontaktelement 13 ist nämlich mit einem Knoten 15 verbunden, welcher zwischen dem ersten Eingangsanschluss L und dem Einschaltstrombegrenzer 5 liegt, und das bewegliche Kontaktelement 12 ist mit einem auf der anderen Seite des Einschaltstrombegrenzers 5 liegenden Abgriffknoten 16 verbunden. Am Abgriffknoten 16 greift der Schalter 11 eine elektrische Wechselspannung UA ab, welche im Wesentlichen der Netzspannung UN entspricht.
Also kann das bewegliche Kontaktelement 12 wahlweise entweder mit dem Hilfskontakt 14 oder aber mit dem ortsfesten Kontaktelement 13 verbunden sein. Der Hilfskontakt 14 ist mit einer Steuerschaltung 17 elektrisch verbunden, durch welche der Schalter 11 angesteuert wird, also zwischen der Offenstellung und der Überbrückungsstellung geschaltet wird. Die Steuerschaltung 17 beinhaltet einen Mikrocontroller 18, welcher den Schalter 11 ansteuern kann. Zum Bewegen des beweglichen Kontaktelements 12 umfasst der Schalter 11 ein Steuerelement 19 – etwa eine Spule. Das Steuerelement 19 ist einerseits mit einer Gleichspannungsquelle 20 verbunden, welche eine Gleichspannung V_S bereitstellt. Die Gleichspannung V_S kann beispielsweise in einem Wertebereich von 5 V bis 20 V liegen. Sie kann z. B. 15 V betragen. Andererseits ist das Steuerelement 19 mit dem Kollektor eines Bipolartransistors 21 verbunden, dessen Emitter mit einem Bezugspotential 22 verbunden ist. Wird der Bipolartransistor 21 in seinen leitenden Schaltzustand geschaltet, so fließt über das Steuerelement 19 elektrischer Strom, und das bewegliche Kontaktelement 12 wird in die Überbrückungsstellung verbracht. Die Basis des Bipolartransistors 21 ist über einen Ohmschen Widerstand 23 mit dem Bezugspotential 22 verbunden. Sie ist auch über einen weiteren Ohmschen Widerstand 24 sowie über einen weiteren Schalter 25 mit einer Gleichspannungsquelle 26 gekoppelt, welche eine Gleichspannung V_CC bereitstellt. Die Gleichspannung V_CC kann in einem Wertebereich von 3 V bis 7 V liegen; sie kann beispielsweise 5 V betragen. Der Schalter 25 kann ebenfalls ein Transistor oder aber ein Relais sein. Der Schalter 25 wird durch den Mikrocontroller 18 angesteuert. Wird der Schalter 25 geschlossen, so fließt auch über den Bipolartransistor 21 elektrischer Strom, und der Schalter 11 befindet sich in der Überbrückungsstellung.
Wie bereits ausgeführt, wird die Wechselspannung UA am Abgriffknoten 16 abgegriffen. Der Hilfskontakt 14 ist auch mit der Steuerschaltung 17 verbunden. In der Offenstellung des Schalters 11 greift also die Steuerschaltung 17 die Wechselspannung UA am Abgriffknoten 16 ab, nämlich (ausschließlich) über den Hilfskontakt 14 des Schalters 11. Die abgegriffene Wechselspannung UA wird mithilfe eines Spannungsteilers 27 geteilt, welcher drei Ohmsche Widerstände aufweist. Zwei Widerstände 28, 29 sind in Reihe geschaltet und verbinden den Hilfskontakt 14 mit einem Knoten 30, welcher mit einem Messeingang 31 des Mikrocontrollers 18 verbunden ist. Ein weiterer Widerstand 32 verbindet den Knoten 30 mit dem Bezugspotential 22. Der Knoten 30 bzw. der Messeingang 31 sind auch über einen Kondensator 33 mit dem Bezugspotential 22 gekoppelt. Die Widerstände 28, 29 können jeweils einen Widerstandswert von 110 kΩ aufweisen, während der Widerstand 32 einen Widerstandswert von 5,2 kΩ aufweisen kann.
Eine zwischen dem Knoten 30 und dem Bezugspotential 22 in Sperrrichtung geschaltete Diode 34 bewirkt, dass am Knoten 30 lediglich eine positive Spannung auftreten kann. Ferner ist der Knoten 30 über eine weitere Diode 35 – in Durchlassrichtung – mit einer weiteren Gleichspannungsquelle 36 gekoppelt, welche eine Gleichspannung V_C bereitstellt. Diese Gleichspannung V_C liegt beispielsweise in einem Wertebereich von 3 V bis 7 V. Sie beträgt beispielsweise 5 V. Auf diese Weise wird die Spannung am Knoten 30 auf 5 V nach oben begrenzt. Die zwischen dem Knoten 30 und dem Bezugspotential 22 abfallende elektrische Spannung (Wechselspannung) wird nachfolgend als Messspannung US bezeichnet. Sie wird durch den Mikrocontroller 18 gemessen, nämlich am Messeingang 31. Die Messspannung US ist ein Maß für die abgegriffene Wechselspannung UA.
Der Mikrocontroller 18 misst auch die Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ. Zu diesem Zwecke ist ein Spannungsteiler 37 parallel zum Zwischenkreiskondensator 9 geschaltet, nämlich mit zwei Ohmschen Widerständen 38, 39. Gegebenenfalls kann auch ein weiterer Widerstand in Serie zum Widerstand 38 eingesetzt werden. Der Ohmsche Widerstand 38 (oder zwei an dieser Stelle in Reihe geschaltete Widerstände) kann einen Widerstandswert von insgesamt etwa 700 kΩ aufweisen, während der Ohmsche Widerstand 39 einen Widerstandswert von etwa 5,2 kΩ haben kann. Der Mikrocontroller 18 erfasst die geteilte Zwischenkreisspannung UZ am weiteren Messeingang 40.
Zwischen den Anschlüssen des Steuerelementes 19 des Schalters 11 ist weiterhin eine Diode 41 geschaltet, die im Zeitpunkt des Abschaltens des Steuerelements 19 durch den Transistorschalter 21 dessen Stromfluss übernehmen und abklingen lassen kann. Dadurch wird gewährleistet, dass beim Abschalten des Steuerelements 19, das beispielsweise eine Spule ist, keine Überspannung erzeugt wird, die zur Beschädigung des Transistors 21 führen könnte. Die Kathode der Diode 41 ist dabei mit der Gleichspannungsquelle 20 verbunden, während ihre Anode mit dem Kollektor des Bipolartransistors 21 verbunden ist.
Also greift die Steuerschaltung 17 über den Hilfskontakt 14 ein elektrisches Potential am Abgriffknoten 16 ab, nämlich die Wechselspannung UA. In der Steuerschaltung 17 wird die Wechselspannung UA in die Messspannung US umgewandelt, welche der Mikrocontroller 18 misst. Weil die Wechselspannung UA über den Hilfskontakt 14 abgegriffen wird, kann. der Mikrocontroller 18 die jeweils augenblickliche Stellung des Schalters 11 – nämlich des beweglichen Kontaktelementes 12 – überprüfen. Ist der Schalter 11 in der Offenstellung, so liegt die Messspannung US am Messeingang 31 an bzw. ist ihre Amplitude größer als Null. Ist der Schalter 11 hingegen in der Überbrückungsstellung, so liegt am Messeingang 31 keine Spannung an bzw. beträgt die Amplitude der Messspannung US 0 V. „Klebt” das bewegliche Kontaktelement 12 in der Offenstellung, so kann dies durch den Mikrocontroller 18 erkannt werden. In diesem Falle detektiert der Mikrocontroller 18 nämlich die Messspannung US (größer als Null) am Messeingang 31. In einem derartigen Fehlerfall kann der Mikrocontroller 18 beispielsweise den Schaltungseingang 4 von dem elektrischen Versorgungsnetz bzw. der Netzspannung UN trennen, etwa mithilfe eines elektrischen Schalters. Das Gleiche kann auch für die Situation gelten, bei welcher das bewegliche Kontaktelement 12 in der Überbrückungsstellung „klebt”.
Wird das Haushaltsgerät 1 eingeschaltet bzw. der Schaltungseingang 4 mit der Netzspannung UN gekoppelt, befindet sich der elektrische Schalter 11 zunächst in der Offenstellung und der Einschaltstrombegrenzer 5 ist nicht überbrückt. Es fließt der Einschaltstrom I durch den Einschaltstrombegrenzer 5, und der Zwischenkreiskondensator 9 wird aufgeladen. Wegen des Ladevorgangs des Zwischenkreiskondensators 9 überprüft der Mikrocontroller 18 fortlaufend, ob ein Schaltkriterium erfüllt ist oder nicht. Erst nach Erfülltsein des Schaltkriteriums wird der elektrische Schalter 11 in die Überbrückungsstellung geschaltet, und der Einschaltstrombegrenzer 5 wird überbrückt.
Wie bereits ausgeführt, misst der Mikrocontroller 18 am Messeingang 31 die Messspannung US, welche ein Maß für die abgegriffene Wechselspannung UA bzw. die Netzspannung UN darstellt. Der Mikrocontroller 18 kann also anhand der Amplitude der Messspannung US auch auf die Amplitude der Netzspannung UN sowie – insbesondere weil bei einer Ausführung des Einschaltstrombegrenzers 5 als Festwiderstand der Widerstandswert bekannt ist – auf die Stromstärke des Einschaltstromes I zurück schließen. Außerdem misst der Mikrocontroller 18 die Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ, die am Zwischenkreiskondensator 9 abfällt. Beide Messgrößen, nämlich die Amplitude der Messspannung US sowie die Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ, fließen in das Schaltkriterium ein. Und zwar beinhaltet das Schaltkriterium die Bedingung, dass die Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ einen Grenzwert überschreitet, welcher wiederum von der Amplitude der Messspannung US und somit von der Amplitude der Netzspannung UN variabel ist. Mit anderen Worten variiert das Schaltkriterium in Abhängigkeit von der Amplitude der Netzspannung UN. Bei dem Schaltkriterium wird somit die Amplitude der Netzspannung UN berücksichtigt, welche je nach Tageszeit sowie je nach Region (auch innerhalb einer Region mit dem gleichen Sollwert von z. B. 230 V) variieren kann. Die Amplitude der Netzspannung UN kann sogar bis zu 15% variieren. Es kann sich somit bei einem Sollwert von 230 V beispielsweise eine Amplitude der Netzspannung UN von etwa 200 V oder aber 250 V ergeben. Gerade diese Schwankungen werden bei der Festlegung des Zeitpunkts der Umschaltung des Schalters 11 in die Überbrückungsstellung berücksichtigt.
Die Abhängigkeit des Grenzwertes für die Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ von der Amplitude der Messspannung US (Netzspannung UN) kann eine lineare Beziehung sein. Beträgt der Grenzwert für die Zwischenkreisspannung UZ bei einer Amplitude der Netzspannung UN von 230 V beispielsweise 300 V, so kann dieser Grenzwert bei einer Amplitude der Netzspannung UN von 207 V schon beispielsweise bei 270 V liegen. Es kann somit die Beziehung gelten, dass der Grenzwert für die Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ um den gleichen Faktor verändert wird, um welchen die Amplitude der Netzspannung UN gegenüber einem Sollwert (z. B. 230 V) variiert.
In den 2A bis 2D sind beispielhafte Verläufe der in 1 bezeichneten Signale dargestellt. Und zwar zeigt 2A einen Verlauf des Einschaltstromes I über der Zeit t. 2B zeigt den korrespondierenden zeitlichen Verlauf der abgegriffenen Wechselspannung UA. In 2C ist der korrespondierende zeitliche Verlauf der Zwischenkreisspannung UZ dargestellt. Schließlich zeigt 2D den zeitlichen Verlauf der Messspannung US, die durch den Mikrocontroller 18 gemessen wird. Die in 2D auf der Zeitachse t aufgetragenen Zeitwerte gelten dabei für alle in den 2A bis 2D dargestellten Verläufe. Wie aus der 2A hervorgeht, wird die Stromstärke des Einschaltstromes I mit der Zeit t immer geringer, während der Zwischenkreiskondensator 9 aufgeladen wird. Entsprechend wird die Amplitude der Wechselspannung UA und somit der Messspannung US größer. Auch die Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ steigt an. Nach Ablauf einer Zeitdauer von etwa 250 ms erreicht die Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ einen Grenzwert UG, und der Schalter 11 wird in die Überbrückungsstellung geschaltet. Erfolgt diese Umschaltung ordnungsgemäß, so sinkt die Amplitude der Messspannung US auf 0 V, weil die Wechselspannung UA am Hilfskontakt 14 nicht mehr abgegriffen wird. Der Mikrocontroller 18 stellt somit fest, dass der Schalter 11 die Überbrückungsstellung eingenommen hat.
Wie bereits ausgeführt, variiert der Grenzwert UG in Abhängigkeit von der Amplitude der Messspannung US bzw. der Netzspannung UN. Der Grenzwert UG wird durch den Mikrocontroller 18 fortlaufend bzw. „online” eingestellt, nämlich abhängig von der jeweils augenblicklichen Amplitude der Messspannung US. Diese Amplitude kann nämlich auch innerhalb der 250 ms variieren bzw. von einem Sollwert abweichen.
Als der zu überwachende Grenzwert UG kann neben der Amplitude der Zwischenkreisspannung UZ auch alternativ die zeitliche Änderung der Zwischenkreisspannung UZ genutzt werden. Es ist aus erkennbar, dass mit zunehmender Ladezeit des Zwischenkreiskondensators 9 der Spannungsanstieg sich stark verlangsamt. Der Grenzwert UG beinhaltet dann beispielsweise einen festgelegten, minimalen Spannungsanstieg der Zwischenkreisspannung UZ. Dieser Spannungsanstieg kann beispielsweise durch zeitlich aufeinanderfolgende Messungen der Spannungen am Messeingang 40 des Mikrocontrollers 18 erfasst werden. Eine vom Mikrocontroller 18 festgestellte Unterschreitung des Grenzwerts UG löst die Überbrückung des Einschaltstrombegrenzers 5 durch den Überbrückungsschalter 11 aus. Dabei ist es von Vorteil, dass die Überwachung des Grenzwerts UG weitgehend unabhängig von möglichen Toleranzen der Netzspannung ist.
Bezugszeichenliste

1: Haushaltsgerät
2: Schaltungsanordnung
3: Verbraucher
4: Schaltungseingang
5: Einschaltstrombegrenzer
6: Zwischenkreis
7: Gleichrichter
8: Dioden
9: Zwischenkreiskondensator
10: Wechselrichter
11: Schalter
12: bewegliches Kontaktelement
13: ortsfestes Kontaktelement
14: Hilfskontakt
15: Knoten
16: Abgriffknoten
17: Steuerschaltung
18: Mikrocontroller
19: Steuerelement
20: Gleichspannungsquelle
21: Bipolartransistor
22: Bezugspotential
23, 24: Ohmscher Widerstand
25: Schalter
26: Gleichspannungsquelle
27: Spannungsteiler
28, 29, 32: Widerstände
30: Knoten
31, 40: Messeingang
33: Kondensator
34, 35, 41: Dioden
36: Gleichspannungsquelle
37: Spannungsteiler
38, 39: Ohmsche Widerstände
I: Einschaltstrom
L, N: Eingangsanschlüsse
UA: Wechselspannung
UN: Netzspannung
US: Messspannung
UZ: Zwischenkreisspannung
V_S, V_C, V_CC: Gleichspannungen

Claims

Schaltungsanordnung (2) zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers (3), für ein Haushaltsgerät (1), mit: – einem Schaltungseingang (4) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss (L, N), – einem elektrischen Zwischenkreis (6) zum Bereitstellen einer Zwischenkreisspannung (UZ) für den elektrischen Verbraucher (3), – einem zwischen dem Schaltungseingang (4) und dem Zwischenkreis (6) geschalteten Einschaltstrombegrenzer (5) zum Begrenzen der Stromstärke eines elektrischen Einschaltstromes (I), – einem parallel zum Einschaltstrombegrenzer (5) geschalteten elektrischen Schalter (11), der zwischen einer Offenstellung und einer Überbrückungsstellung, in welcher er den Einschaltstrombegrenzer (5) überbrückt, schaltbar ist, und – einer Steuerschaltung (17) zum Schalten des elektrischen Schalters (11) zwischen der Offenstellung und der Überbrückungsstellung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (17) dazu ausgebildet ist, an einem mit dem Einschaltstrombegrenzer (5) gekoppelten Abgriffknoten (16) eine elektrische Wechselspannung (UA) abzugreifen.
Schaltungsanordnung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schalter (11) einen Hilfskontakt (14) aufweist, welcher in der Offenstellung des Schalters (11) mit dem Abgriffknoten (16) elektrisch gekoppelt und in der Überbrückungsstellung von diesem getrennt ist, und dass die Steuerschaltung (17) mit dem Hilfskontakt (14) gekoppelt ist, so dass sie über den Hilfskontakt (14) die Wechselspannung (UA) abgreift, um die jeweils aktuelle Stellung des Schalters (11) zu überprüfen.
Schaltungsanordnung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (17) dazu ausgebildet ist, nach Erfülltsein eines Schaltkriteriums den elektrischen Schalter (11) von der Offenstellung in die Überbrückungsstellung zu schalten.
Schaltungsanordnung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (17) zum Messen einer Amplitude der Zwischenkreisspannung (UZ) oder die zeitliche Änderung der Zwischenkreisspannung (UZ) ausgebildet ist und das Schaltkriterium eine auf die Amplitude oder die zeitliche Änderung der Zwischenkreisspannung (UZ) bezogene Bedingung umfasst.
Schaltungsanordnung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltkriterium die Bedingung beinhaltet, dass die Amplitude der Zwischenkreisspannung (UZ) einen Grenzwert (UG) überschreitet oder die zeitliche Änderung der Zwischenkreisspannung (UZ) einen Grenzwert (UG) unterschreitet.
Schaltungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (17) dazu ausgebildet ist, beim Überprüfen des Erfülltseins des Schaltkriteriums die Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung (UA) zu berücksichtigen.
Schaltungsanordnung (2) nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltkriterium eine Bedingung, insbesondere die auf die Amplitude oder die zeitliche Änderung der Zwischenkreisspannung (UZ) bezogene Bedingung, beinhaltet, welche in Abhängigkeit von der Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung (UA) veränderbar ist.
Schaltungsanordnung (2) nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (17) dazu ausgebildet ist, den Grenzwert (UG) in Abhängigkeit von der Amplitude der abgegriffenen Wechselspannung (UA) zu verändern.
Haushaltsgerät (1) mit einer Schaltungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers (3) mithilfe einer Schaltungsanordnung (2) in einem Haushaltsgerät (1), bei welchem in einem elektrischen Zwischenkreis (6) der Schaltungsanordnung (2) eine Zwischenkreisspannung (UZ) für den elektrischen Verbraucher (3) bereitgestellt wird, die Stromstärke eines Einschaltstromes (I) durch einen zwischen einem Schaltungseingang (4) der Schaltungsanordnung (2) und dem Zwischenkreis (6) geschalteten Einschaltstrombegrenzer (5) begrenzt wird und ein parallel zum Einschaltstrombegrenzer (5) geschalteter elektrischer Schalter (11) durch eine Steuerschaltung (17) zwischen einer Offenstellung und einer Überbrückungsstellung geschaltet wird, in welcher der Schalter (11) den Einschaltstrombegrenzer (5) überbrückt, dadurch gekennzeichnet, dass an einem mit dem Einschaltstrombegrenzer (5) gekoppelten Abgriffknoten (16) eine elektrische Wechselspannung (UA) durch die Steuerschaltung (17) abgegriffen wird.