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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Stromstoßschalter gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Stromstoßschalter arbeiten mit bistabilen Relais, die ihren Zustand bei jedem Schaltimpuls ändern. Deshalb müssen sie ihren vorigen Zustand speichern. Eine weit verbreitete Anwendung ist die Schaltung von Lampen. Es gibt aber auch andere Anwendungen wie z. B. die Steuerung von Torantrieben oder Ventilatoren. Bei jeder Tasterbetätigung erhält der Stromstoßschalter einen elektrischen Impuls, der eine Schaltzustandsänderung bewirkt, welche bis zum nächsten Impuls mechanisch oder elektronisch gespeichert wird. Gelegentlich werden auch die Begriffe Stromstoßrelais, Impulsschalter, Fernschalter, oder Schrittschalter verwendet.
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Die
DE 10 2006 042 628 B4 offenbart einen elektronischen Stromstoßschalter, der seine Energie aus dem Steuerimpuls bezieht, sonst aber völlig stromlos ist.
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Die Firma Eltako bietet unter der Bezeichnung „ES61-8...230 V UC” einen Schließer für Lasten bis zu 10 A/250 V AC an. Das Gerät benötigt entweder eine Universal-Steuerspannung 8...230 V UC am Steuereingang +A1/–A2 oder 230 V mit bis zu 5 mA Glimmlampenstrom am Steuereingang (L)/–A2(N).
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Die Elektronik hat keine eigene Stromversorgung und daher sowohl im eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand keinen Stromverbrauch. Lediglich während des kurzen Steuerimpulses von nur 0,2 Sekunden fließt der Steuerstrom.
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Da keine ständige Stromversorgung erforderlich, gibt es auch keinen Stand-by-Verlust. Der Relaiskontakt kann bei der Inbetriebnahme offen oder geschlossen sein und synchronisiert sich bei der ersten Betätigung.
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Die
US4322632A zeigt einen elektronischen Stromstoßschalter mit einer binären Schalteinheit, wobei der Schaltzustand der binären Schalteinheit durch Unterbrechung und erneutes Zuschalten der Stromversorgung änderbar ist. Die Stromversorgung der binären Schalteinheit erfolgt über einen Vorwiderstand von 1 kOhm aus dem Netz. Nachteilig ist die Wärmeentwicklung im Vorwiderstand, denn bei einer Netzspannung von 110 Volt und einer internen Versorgungsspannung ca. 10 Volt entsteht trotz der in Reihe geschalteten Gleichrichterdiode eine Verlustleistung ca. 5 W. Bei einer Netzspannung von 230 Volt würde die Verlustleistung bei gleichem Strombedarf mehr als 10 W betragen. Das wäre so nicht akzeptabel
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Die
AT293530B zeigt einen elektronischen Stromstoßschalter mit einer Zählstufe, die aus zwei hintereinander geschalteten bistabilen Multivibratoren besteht. Die Befehle werden über das Stromversorgungsnetz übertragen. Hierbei wird von einem Sender ein Befehlsprogramm übertragen, welches aus längeren Startimpulsen und kürzeren Befehlsimpulsen besteht, die vom Empfänger decodiert werden müssen. Bezüglich der Stromversorgung der Decoderschaltung werden keine Hinweise gegeben. Diese Anordnung erscheint für die zu lösende Aufgabe entschieden zu aufwändig.
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Die
DE4141844A1 zeigt eine Installationsanordnung mit Steuergeräten zur Steuerung von an Netzspannung liegenden Verbrauchern. Die Netzspannungsseite und ein Niederspannungskreis sind durch Optokoppler getrennt. Die Steuerung von zwei Verbrauchern erfolgt über Steuergeräte, die in Bezug auf die Durchlassrichtung der Leuchtdioden in den Optokopplern antiparallel geschaltet sind. Die Druckschrift zeigt ein Kondensatornetzteil, nutzt aber wegen der Einweggleichrichtung nur eine Halbwelle aus. Nachteilig ist insbesondere die zusätzlich erforderliche Steuerleitung.
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Die
US2010/0270982A1 zeigt einen elektronischen Stromstoßschalter zur Steuerung eines Wechselstromverbrauchers mit Überlastschutz und einer Reihe von weiteren Steuerfunktionen. Nachteilig ist, dass bei stromloser Last eine Stromversorgung (Off-State Power Supply 222) notwendig ist.
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Der Nachteil des Standes der Technik wird der betriebene Schaltungsaufwand und die Wärmeentwicklung in den Stromversorgungsschaltungen gesehen.
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Angesichts von steigenden Strompreisen besteht beispielsweise der Wunsch, bei mehrstrahligen Deckenleuchten je nach Bedarf nur einen Teil der Lampen einzuschalten, obwohl nur ein einfacher Lichtschalter (Öffner/Schließer) mit einer zweiadrigen Netzleitung zur Zimmerdecke vorhanden ist. Darüber hinaus besteht manchmal der Wunsch, eine zusätzliche Deckenleuchte zur Beleuchtung einer Arbeitsfläche oder einen getrennt schaltbaren Deckenventilator zu installieren. Der Installationsaufwand soll in solchen Fällen möglichst gering gehalten werden. Die Unterputzverlegung einer zusätzlichen Stromversorgungsleitung oder Steuerleitung ist jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden. Funk- oder Infrarot-Fernsteuerungen erfordern ein zusätzliches Handgerät, das auch noch mit Batterien versorgt werden muss.
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Deshalb besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen elektronischen Stromstoßschalter mit mehreren Schaltzuständen zu schaffen, der die o. g. Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Das Blockschaltbild eines Stromstoßschalters
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2 Einen Stromstoßschalter für mittlere Lastströme
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3 Einen erfindungsgemäßen Stromstoßschalter für kleine Lastströme
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4 Einen erfindungsgemäßer Stromstoßschalter für die abfallend Schaltflanke
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5 Einen erfindungsgemäßer Stromstoßschalter mit geringerem Platzbedarf
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Der Stromstoßschalter 1 besteht im Wesentlichen aus einer Stromversorgung 2, die als Kondensatornetzteil oder Schaltregler ausgeführt ist, einer binären Schalteinheit 3 mit einem Zähler und mindestens zwei steuerbaren Schaltern. Weiterhin weist der Stromstoßschalter einen Schmitt-Trigger 8 und einen Energiespeicher 7 auf, der einen Informationsspeicher für eine bestimmte Zeit mit Energie versorgt, oder selbst als Informationsspeicher dienen kann. Bei Betätigung des Netzschalters 9 nach einer längeren Pause wird am Ausgang der Stromversorgung 2 eine positive Spannung aufgebaut, was zunächst zur Aufladung des Kondensators 7 führt und bei Überschreiten der Schaltschwelle den Trigger 8 auslöst. Der vom Trigger 8 erzeugte Taktimpuls führt zur Veränderung des zunächst zufällig eingestellten Zustandes der binären Schalteinheit 3, und die Verbraucher 6 werden in Abhängigkeit vom aktuellen Zählerstand mit Energie versorgt. Bei kurzzeitiger Unterbrechung der Stromversorgung bleibt der Zählerstand bis zur Entladung des Kondensators 7 erhalten. Bei Verwendung von CMOS-Schaltkreisen erreicht man mit Kondensatoren im μF-Bereich völlig ausreichende Haltezeiten von einigen Sekunden. Bei erneuter Betätigung des Netzschalters 9 erzeugt der Trigger 8 wiederum einen Taktimpuls, der zur Erhöhung des Zählerstandes und der Zuschaltung oder auch Abschaltung eines der Verbraucher 6 führt. Bei zwei Verbrauchern 6 kann man den Zähler als Modulo-3-Zähler ausführen, um den Zustand ”beide Verbraucher ausgeschaltet” zu vermeiden. Die Erfindung erlaubt allerdings auch, einen Aus-Taster als Netzschalter 9 einzusetzen. In diesem Fall ist die Zustand „alle Verbraucher ausgeschaltet” durchaus sinnvoll.
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Wie weiter unten gezeigt wird, kann der Zustand der binären Schalteinheit 3 auch mit der abfallenden Flanke, d. h. durch Ausschalten des Netzschalters 9 verändert werden.
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Die binäre Schalteinheit 3 kann bei Bedarf problemlos erweitert werden, so dass mehr als zwei Verbraucher 6 mit einem einzigen Netzschalter 9 unabhängig voneinander geschaltet werden können. Durch eine Programmierung des Zählers über DIP-Schalter kann er an die Anzahl der tatsächlichen Verbraucher 6 angepasst werden. Auch eine automatische Leerstellenerkennung ist sinnvoll und kann durch Widerstandsmessung an den Schaltanschlüssen 5 erreicht werden.
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Anstatt der zufälligen Einstellung des Zählers beim erstmaligen Einschalten können durch Kondensatoren an den Setzeingängen des Zählers bestimmte Zustände beim Einschalten nach längerer Pause reproduzierbar eingestellt werden.
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Selbstverständlich kann die Anordnung durch einen Mikrocontroller nachgebildet werden. Wenn er einen nichtflüchtigen Speicher aufweist, kann der Kondensator 7 mit einem Port verbunden und so als zeitabhängiger 1-Bit-Speicher verwendet werden. Nach einer längeren Pause ist der Kondensator 7 entladen und der Mikrocontroller nimmt seinen Ausgangszustand an. Ist der Kondensator 7 beim erneuten Einschalten noch ausreichend geladen, zählt der Mikrocontroller ab dem gespeicherten Zählerstand weitrer. Die Voreinstellung bestimmter Zustände ist somit unproblematisch.
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Die 2 zeigt den Schaltplan eines Stromstoßschalters für mittlere Ströme. Die Stromversorgung 2 ist als Kondensatornetzteil ausgeführt. Um beide Phasen des Wechselstroms auszunutzen, wurde ein Brückengleichrichter (B80C1000 oder B40D) verwendet. Die interne Betriebsspannung wird durch eine Zenerdiode auf 15 Volt eingestellt, und mit einem 22 μF-Ladekondensator geglättet. Als Energiespeicher 7 dient ebenfalls ein 22 μF-Kondensator, der durch eine Diode von der Stromversorgung 2 getrennt ist, um die vorzeitige Entladung beim Abschalten der Netzspannung zu verhindern. Der Zähler ist als Madulo-3-Zähler ausgeführt und besteht aus zwei D-Flip-Flops in einem Schaltkreis CD4013. Der zweite CMOS-Schaltkreis ist ein CD4093 mit 4 NAND-Schmitt-Triggern mit je zwei Eingängen. Das erste Gatter wird nach Zuschalten der Netzspannung und dem Durchlaufen einer Verzögerungsschaltung getriggert. Der nachfolgende Inverter erzeugt die zum Weiterschalten des Zählers erforderliche positive Taktflanke.
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Die beiden anderen Gatter des CD4093 treiben die Opto-Triacs IL4020. Sie werden erst mit der positiven Taktflanke freigegeben, um eine unerwünschte weitere Umschaltung des Zählers beim erstmaligen Einschalten zu vermeiden. Die Opto-Triacs ermöglichen die potentialfreie Ansteuerung der mit Triacs vom Typ TIC226 bestückten Schaltstufen. Es können auch BT136 oder BT138 eingesetzt werden. Mit dem BT138 sind Lasten bis zu 8A schaltbar.
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Die 3 zeigt den Schaltplan eines erfindungsgemäßen Stromstoßschalters für kleinere Lastströme bis zu einem Ampere. Wegen ihrer kleineren Bauform wurden in der Schaltstufe Opto-Triacs des Typs AQH3213 eingesetzt werden. Diese benötigen allerdings deutlich mehr Streuerstrom als die in der 2 gezeigten Treiber IL420. Um Strom zu sparen, sind die Optokoppler in Reihe geschaltet. Um sie trotzdem unabhängig voneinander steuern zu können, werden sie wahlweise durch Schalttransistoren (steuerbare Schalter) überbrückt. Es ist sinnvoll, Transistoren mit hoher Stromverstärkung zu verwenden. Je hochohmiger die Basisvorwiderstände gewählt werden können, desto weniger wird der Energiespeicher 7 belastet. Diese Anordnung ist in Verbindung mit dem bereits genannten Modulo-3-Zähler besonders vorteilhaft, weil der Zustand „alle Verbraucher ausgeschaltet”, d. h. „kein Opto-Triac bestromt” hier nicht vorkommt. Da die Infrarotemitterdioden der Opto-Triacs eine Flussspannung von nur 1,2 Volt besitzen, fließt bei allen drei möglichen Konstellationen praktisch nur der Treiberstrom für einen Opto-Triac. Wenn beide Transistoren gesperrt sind, fließen etwa 10 mA. Wenn einer der Transistoren leitend ist, fließen etwa 10,8 mA. Wie bereits oben erwähnt, können beide Transistoren niemals gleichzeitig leitend sein. So wird eine erhebliche Volumen- und Kosteneinsparung ereicht, denn sonst müsste der 220 nF-Netzkondensator deutlich größer gewählt werden.
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Der in der 4 gezeigte erfindungsgemäße Stromstoßschalter nutzt die abfallende Flanke der Versorgungsspannung zum Weiterschalten des Zählers. Hier kann auf die in der Beschreibung der 2 erwähnte Verriegelung der Opto-Triacs verzichtet werden, weil der beim Zuschalten der Stromversorgung eingenommene Zustand erst nach deren Ausschalten verändert wird. Die Eingänge der nicht benötigten Gatter wurden mit der Betriebsspannung verbunden. So wird zwar kein Material, aber Verdrahtungsaufwand eingespart.
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Der in der 5 gezeigte erfindungsgemäße Stromstoßschalter verwendet einen CMOS-Timer des Typs ICM 7555 als Trigger. In Ihrer Funktion entspricht die Schaltung der aus 4. Sie hat jedoch einen etwas geringeren Platzbedarf. Der eingesetzte CMOS-Timer benötigt allerdings mehr Betriebstrom als der CD4093.
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Der erfindungsgemäße Elektronischer Stromstoßschalter 1 weist ein Netzteil 2, eine binäre Schalteinheit 3 mit mindestens drei unterschieidlichen Schaltzuständen, Stromversorgungsanschlüsse 4 und Schaltanschlüsse 5 auf, wobei der Schaltzustand der binären Schalteinheit 3 änderbar ist und an die Schaltanschlüsse 5 elektrische Verbraucher 6 anschließbar sind. Sowohl die Stromversorgung des Stromstoßschalters 1 als auch seine Steuerung erfolgt über die Stromversorgungsanschlüsse 4, wobei der Zustand der binären Schalteinheit 3 durch Unterbrechung und erneute Zuschaltung der Versorgungsspannung geändert wird. Das Netzteil 2 weist einen Netzkondensator und einen Brückengleichrichter auf. Die Steuereingänge von zwei Opto-Triacs werden derart in Reihe geschaltet und durch ihre steuerbaren Schalter überbrückt, so dass sie bei geöffneten Schaltern vom gleichen Steuerstrom durchflossen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromstoßschalters 1 wird der Schaltzustand der binären Schalteinheit 3 mit der abfallenden Flanke, d. h. beim Abschalten der Versorgungsspannung geändert. Auf diese Weise wird das ist beim erstmaligen Einschalten nach einer längerer Betriebspause beim Hochlaufen der Spannung evtl. auftretende Schaltzustandswechsel vermieden. Andernfalls ist eine Verzögerungsschaltung erforderlich, welche die Freigabe der Schaltstufen nach dem Einschalten um eine Zeitspanne verzögert.
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Ein erfindungsgemäßer elektronischer Stromstoßschalter 1 kann auch einen nichtflüchtiger Speicher aufweisen, der den aktuellen Zustand der binären Schalteinheit 3 auch ohne Versorgungsspannung oder einen Energiespeicher 7 speichern kann.
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Der erfindungsgemäße Stromstoßschalter 1 kann vorteilhaft in eine Deckenleuchte eingebaut werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronischer Stromstoßschalter
- 2
- Netzteil
- 3
- Binäre Schalteinheit mit mindestens drei Schaltzuständen
- 4
- Stromversorgungsanschlüsse
- 5
- Schaltanschlüsse
- 6
- Elektrischer Verbraucher
- 7
- Energiespeicher (Speicherkondensator)
- 8
- Schmitt-Trigger
- 9
- Netzschalter (Öffner/Schließer oder auch Aus-Taster)
