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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen einer Schalterstellung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erkennen einer Schalterstellung.
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Stand der Technik
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Elektrische Geräte (z.B. Elektrowerkzeuge) weisen oftmals Schalter auf, um die Geräte manuell ein- und auszuschalten. Dabei ist bekannt, eine Stellung der genannten Schalter zu erkennen, wozu dafür bestimmte elektrische und elektronische Bauteile und Komponenten verwendet werden.
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Die Erkennung der Schalterstellung ist beispielsweise wichtig, weil im Falle, dass bei eingeschaltetem Schalter ein Netzstecker des Geräts in eine Steckdose gesteckt wird, das elektrische Gerät nicht anlaufen bzw. hochfahren darf. Dieses Betriebsverhalten ist unter der Bezeichnung „Wiederanlaufschutz“ bekannt, und ist teilweise in Normen definiert. Auch bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen während des Betriebs darf das Gerät anschließend nicht wieder undefiniert hochlaufen. Wenn der Schalter geöffnet ist, darf ein ansteuernder Halbleiter prinzipiell nicht gezündet werden.
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Je nach Gefährlichkeitsgrad des Geräts kann auch gefordert sein, dass eine redundante Schaltererkennung vorzusehen ist, mit der eine erhöhte Sicherheitsstufe des Geräts unterstützt ist.
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DE 10 2011 088 411 A offenbart eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Erkennen einer Schalterstellung. Dabei wird ein Mikrocontroller programmiert, eine an einem Anschluss anliegende Spannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen und anhand dieses Vergleichs festzustellen, ob der Schalter geöffnet oder geschlossen ist. Nachteilig ist dabei ein spezieller Typ von Mikrocontroller mit einer internen Spannungsreferenz oder ein Mikrocontroller mit externer Spannungsreferenz erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schaltererkennung für einen Schalter eines elektrischen Geräts bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zum Erkennen einer Schalterstellung, aufweisend:
- – einen ersten Schaltungsknoten und einen zweiten Schaltungsknoten zum Anschließen der Vorrichtung an eine elektrische Wechselspannung;
- – einen zwischen dem ersten Schaltungsknoten und einem dritten Schaltungsknoten verschalteten Schalter;
- – einen zwischen dem ersten Schaltungsknoten und dem dritten Schaltungsknoten verschalteten Widerstand; und
- – eine Mikrorechnereinrichtung;
- – eine zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem dritten Schaltungsknoten verschaltete Netzteileinrichtung, mittels der am dritten Schaltungsknoten eine Versorgungsspannung für die Mikrorechnereinrichtung bereitstellbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass aus einer zwischen dem dritten Schaltungsknoten und dem zweiten Schaltungsknoten abfallenden elektrische Spannung mittels der Mikrorechnereinrichtung eine Stellung des Schalters ermittelbar ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Erkennen einer Schalterstellung, aufweisend die Schritte:
- – Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsspannung an einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten, wobei die Spannung mittels eines Schalters ein- und ausschaltbar ist, wobei der Schalter von einem Widerstand überbrückt wird;
- – Bereitstellen einer Versorgungsspannung mittels einer Netzteileinrichtung für eine Mikrorechnereinrichtung; und
- – Auswerten einer elektrischen Spannung zwischen einem zweiten Schaltungsknoten einer Spannungsversorgung und einer Spannungsversorgung einer Mikrorechnereinrichtung, wobei aus der Analyse auf die Stellung des Schalters geschlossen wird.
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Die Mikrorechnereinrichtung wird mit elektrischer Spannung auch dann versorgt, wenn der Schalter ausgeschaltet ist. Erfindungsgemäß wird eine sogenannte „Detektionsspannung“ ausgewertet, die eine variable Netzspannung in Abhängigkeit von der Schalterstellung repräsentiert. Vorteilhaft kann mit geringem technischen Aufwand die genannte Detektionsspannung von der Mikrorechnereinrichtung ausgewertet und dadurch die Stellung des Schalters ermittelt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine von der Mikrorechnereinrichtung ermittelte Periodendauer der Detektionsspannung zur Erkennung der Schalterstellung verwendet wird. Es wird dabei die Tatsache ausgenutzt, dass sich ein Bezugspotenzial für die Mikrorechnereinrichtung aufgrund des Betätigens des Schalters ändert. Dies hat einen Einfluss auf ein Synchronisationssignal, welches die Frequenz der versorgenden Wechselspannung digitalisiert. Auf diese Weise kann mittels der Mikrorechnereinrichtung ermittelt werden, wann ein Beginn bzw. ein Ende jeder Halbwelle vorliegt. Vorteilhaft hat die Höhe der Netzspannung keinerlei Einfluss auf die Erkennung der Schalterstellung, wodurch diese Variante somit vorteilhaft unabhängig von einer Höhe des Spannungspegels der Versorgungsspannung ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten Schaltungsknoten und dem zweiten Schaltungsknoten zwei Widerstände in Serie verschaltet sind, wobei an die Mikrorechnereinrichtung ein Signal an einem Schaltungsknoten zwischen den Widerständen zugeführt wird, wobei die Schalterstellung aus dem Pegel des Signals ermittelt wird. Diese Variante ist besonders bei gestörten Spannungssignalen von Vorteil, weil lediglich die Amplitude des Signals von Relevanz ist und diverse Nulldurchgänge keinen Einfluss haben.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Pegel des Signals am Schaltungsknoten jeweils in der Mitte der Halbwelle der Detektionsspannung abgetastet und mit einem Spannungsreferenzwert verglichen wird. Auf diese Weise wird ein definierter Abtastzeitpunkt gewählt, der eine zuverlässige Auswertung der Detektionsspannung ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderungsrichtung des Pegels der Detektionsspannung zur Erkennung der Stellung des Schalters ausgewertet wird. Auf diese Weise werden vorteilhaft keine absoluten Werte der Detektionsspannung herangezogen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl eine Spannungserfassung als auch eine Frequenzerfassung der Detektionsspannung zur Erkennung der Stellung des Schalters verwendet wird. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine redundante „zweikanalige“ Lösung zur Schaltererkennung bereitgestellt. Dadurch können eine Erkennungsgenauigkeit und eine Betriebssicherheit der elektrischen Maschine vorteilhaft maximiert sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren und unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und müssen nicht unbedingt als detailgetreue Schaltbilder ausgeführt sein.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 einen zeitlichen Signalverlauf einer Spannung, die zur Erkennung der Schalterstellung ausgewertet wird bei ausgeschaltetem Schalter;
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3 einen zeitlichen Signalverlauf einer Spannung, die zur Erkennung der Schalterstellung ausgewertet wird bei eingeschaltetem Schalter;
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4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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5 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Erkennen einer Schalterstellung. Die Vorrichtung 100 weist einen ersten Schaltungsknoten 10 und einen zweiten Schaltungsknoten 20 auf, mit denen ein elektrischer Motor 95 (z.B. ein Elektrowerkzeug) an eine elektrische Wechselspannung UN angeschlossen werden kann. Dabei kann ein elektronischer Halbleiter 90 (z.B. ein Triac) verwendet werden, um den Motor 95 entsprechend anzusteuern. Die Wechselspannung ist beispielsweise sinusförmig mit einem definierten Effektivwert, z.B. in Höhe von 230V ausgebildet. Zwischen dem ersten Schaltungsknoten 10 und einem dritten Schaltungsknoten 30 ist ein manuell betätigbarer Schalter 40 geschaltet, mit dem der elektrische Motor 95 ein- und ausgeschaltet werden kann.
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Der Schalter 40 repräsentiert somit einen Netzschalter, über den im geschlossenen Zustand der gesamte Versorgungsstrom des Motors 95 fließen kann. Beispielweise ist der Schalter 40 als ein elektromechanischer Schalter ausgebildet, kann alternativ aber auch als ein leistungselektronischer Schalter ausgebildet sein. Funktional bewirkt der Schalter 40 somit eine Leitungsunterbrechung in der Stromzuführung zwischen dem ersten Schaltungsknoten 10 und einer Netzteileinrichtung 60 für eine Mikrorechnereinrichtung 80. Die Mikrorechnereinrichtung 80 (z.B. ein Mikrocontroller) ist vorgesehen, eine Steuerung von Funktionalitäten (beispielsweise Tachoschaltung zum Erfassen von Drehzahlen, Wiederanlaufschutz, Potentiometer, usw.) des Motors 95 und diverser peripherer Elemente des Motors 95 zu übernehmen.
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Zwischen dem ersten Schaltungsknoten 10 und dem dritten Schaltungsknoten 30 ist ein Widerstand 50 verschaltet, mit dem der Schalter 40 überbrückbar ist. Auf diese Weise kann die Mikrorechnereinrichtung 80 permanent mit elektrischem Strom versorgt werden, so dass die Mikrorechnereinrichtung 80 eine Abarbeitung von Programmen durchführt, sobald die elektrische Spannung UN angeschaltet ist. Eine Größe des Widerstands 50 ist derart dimensioniert, dass im ausgeschalteten Zustand des Motors 95 ein ungefährlicher Strom fließt, der nicht größer als ca. 10 mA ist. Auf diese Weise bildet der Zweig mit dem Widerstand 50 einen Stand-by-Kreis, über den die Mikrorechnereinrichtung 80 elektrisch dauerversorgt ist.
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Mittels der Netzteileinrichtung 60 kann eine elektrische Versorgungsspannung VCC für die Mikrorechnereinrichtung 80 bereitstellt werden. Die Netzteileinrichtung 60 umfasst eine Zenerdiode 61, deren Kathode mit dem dritten Schaltungsknoten 30 und die parallel zu einem Kondensator 62 (beispielsweise ein Elektrolytkondensator) verschaltet ist. Einer der Anschlüsse des Kondensators 62 ist mit dem dritten Schaltungsknoten 30 verbunden, der zweite Anschluss des Kondensator 20 ist mit einem Widerstand 64 verschaltet, wobei der Widerstand 64 wiederum mit einer Anode einer Diode 45 verschaltet ist. Der Widerstand 64, die Anode der Zenerdiode 61 sowie ein Anschluss des Kondensators 62 sind an einem Schaltungsknoten 63 miteinander verschaltet, der auf Massepotential liegt. Die Kathode der Diode 65 ist mit dem zweiten Schaltungsknoten 20 verschaltet. Die Diode 65 hat die Aufgabe, den Kondensator 62 immer nur mit einer definierten Halbwelle der Versorgungsspannung UN aufzuladen. Der Kondensator 62 lädt sich dadurch im Betrieb über den Widerstand 50 und die Zenerdiode 61 auf und stellt die Versorgungsspannung VCC bereit.
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Aufgrund der Tatsache, dass ein Ein- und Ausschalten des Schalters 40 eine Änderung der Versorgungsspannung VCC bewirkt, wird eine Detektionsspannung UD zwischen der Versorgungsspannung VCC bzw. dem dritten Schaltungsknoten 30 und dem zweiten Schaltungsknoten 20 erfasst und zur Analyse des Schaltungszustands des Schalters 40 verwendet.
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In 1 ist eine Ermittlungseinrichtung 70 erkennbar, die mit der Mikrorechnereinrichtung 80 verschaltet ist und die zu einer Digitalisierung der Netzspannung UN verwendet wird. Die Ermittlungseinrichtung 70 ist insbesondere vorgesehen, eine Phasenanschnittsteuerung für den Motor 95 zu realisieren. Die Ermittlungseinrichtung 70 ist stark vereinfacht dargestellt und kann in der Praxis Transistor- und/oder Filterstufen umfassen (nicht dargestellt), die das zugeführte Signal in einen für die Mikrorechnereinrichtung 80 detektierbaren Wert umsetzt. Mittels der Ermittlungseinrichtung 70 wird ermittelt, welche Halbwelle der Versorgungsspannung UN gerade aktiv ist. Zusätzlich kann eine Zeitdauer der jeweiligen Halbwelle ermittelt werden. Mittels Timer-Einrichtungen (nicht dargestellt) der Mikrorechnereinrichtung 80 kann ermittelt werden, welche Periodendauer eine Halbwelle aufweist. Diese Informationen sind wichtig, weil diese Zeiten für die Phasenanschnittsteuerungen eines Triac (nicht dargestellt) zur Ansteuerung des Motors 95 verwendet werden.
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Aufgrund der Tatsache, dass sich also der Zustand des Schalters 40 in der genannten Detektionsspannung UD widerspiegelt, kann vorteilhaft aus einer Auswertung der Detektionsspannung UD auf die Schalterstellung geschlossen werden. Die konkrete technische Ausgestaltung der Ermittlungseinrichtung 70 hängt von der jeweils verwendeten Mikrorechnereinrichtung 80 ab.
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2 zeigt ein Zeitdiagramm von Verläufen der Detektionsspannung UD und eines Synchronisationssignals USync bei geöffnetem Schalter 40. Man erkennt, dass das Synchronisationssignal USync bezogen auf die Zeitachse unsymmetrisch ausgebildet ist, weil die Detektionsspannung UD gegenüber der Nulllinie einen asymmetrischen Verlauf aufweist. Die negative Halbwelle der Detektionsspannung UD hat eine deutlich kleinere Amplitude als die positive Halbwelle der Detektionsspannung UD. Dies ist dann der Fall, wenn sich der Schalter 40 in der Stellung „AUS“ befindet.
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Im Unterschied dazu zeigt 3 eine Situation, in der der Schalter 40 eingeschaltet ist. Man erkennt, dass ein Spannungspegel der elektrischen Detektionsspannung UD um einiges höher und symmetrisch zur Nulllinie bzw. Zeitachse ist, wobei dadurch auch die Signalform des Signals USync bezogen auf die Zeitachse symmetrisch ausgebildet ist.
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Die Veränderungen des Synchronisationssignals USync werden durch den Widerstand 50 bewirkt, der zwischen dem ersten Schaltungsknoten 10 und dem dritten Schaltungsknoten 30 verschaltet ist. Im Ergebnis kann dadurch im ausgeschalteten Zustand im Vergleich zum eingeschalteten Zustand über den Widerstand 50 eine zusätzliche elektrische Spannung abfallen. Dadurch kann mittels des Synchronisationssignals USync ermittelt werden, wie die positive Halbwelle in Relation zur negativen Halbwelle der Detektionsspannung UD ausgebildet ist. Aus diesem Verhältnis kann ermittelt werden, ob der Schalter 40 offen oder geschlossen ist.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Erkennen einer Schalterstellung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen von 1 dadurch, dass keine Ermittlungseinrichtung 70 vorgesehen ist und dass zwischen dem dritten Schaltungsknoten 30 und dem zweiten Schaltungsknoten 20 ein elektrischer Spannungsteiler mit Widerständen 66, 67 vorgesehen ist, die an einem Schaltungsknoten 68 verbunden sind, wobei der Schaltungsknoten 68 an einen Eingang 81 der Mikrorechnereinrichtung geführt ist. Der Eingang 81 kann auf einen Analog/Digital-Umsetzer oder auf einen Komparator der Mikrorechnereinrichtung 80 geführt sein. In diesem Fall wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich durch die Änderung der Schalterstellung des Schalters 40 auch die Versorgungsspannung VCC für die Mikrorechnereinrichtung 80 in ihrem Pegel ändert. Dies wird über die elektrische Spannung am Schaltungspunkt 68 erfasst und der Mikrorechnereinrichtung 80 zugeführt.
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Es wird mit dem Spannungsteiler 66, 67 zu definierten Zeiten ermittelt, welcher Spannungswert am Eingang 81 der Mikrorechnereinrichtung 80 anliegt. Aufgrund der unterschiedlichen Spannungsverläufe der Detektionsspannung UD ist auf diese Weise eine eindeutige Erkennung der Stellung des Schalters 40 möglich.
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Die definierten Zeitpunkte liegen vorzugsweise in jeder Mitte der negativen Halbwelle der Detektionsspannung UD, wobei jedes Mal ermittelt wird, welchen Wert der Spannungsabfall über dem Widerstand 66 bzw. über dem Widerstand 67 aufweist.
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Die Mikrorechnereinrichtung 80 kann diese Spannung mit einem Analog-Digital-Wandler oder einem Komparator messen und auf diese Weise feststellen, ob der Schalter 40 aus- oder eingeschaltet ist. Die meisten Mikrocontroller besitzen serienmäßig einen Analog-Digital-Wandler und/oder eine Komparator.
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In vorteilhafter Weise ist jede der vorgenannten Varianten als eine redundante Lösung einer bereits bekannten Lösung zur Erkennung einer Schalterstellung möglich. Dies ist insbesondere bei elektrischen Geräten wichtig, die einen Wiederanlaufschutz benötigen. Bei redundanten Lösungen kann die erfindungsgemäße Lösung als einer der Kanäle benutzt werden.
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Bei nicht-redundanten Lösungen, d.h. wenn nur ein einziger Kanal zur Schaltererkennung gefordert ist, ist die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft wesentlich billiger als bekannte Lösungen. Dies ist dadurch begründet, dass eine zusätzliche Schaltung entfällt, wodurch auf einer Schaltungsplatine Platz geschaffen wird.
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Alle beschriebenen Varianten funktionieren vorteilhaft auch bei zweipoligen Schaltern mit Standby-Leitung, wobei der Schalter 40 in diesem Fall auch in der Zuleitung vom zweiten Schaltungsknoten 20 zur Mikrorechnereinrichtung 80 vorgesehen sein kann (nicht dargestellt).
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lösung sehr kostengünstig zu realisieren. In der Praxis bedeutet dies lediglich, wenige Zeilen zusätzlichen Programmcode zu implementieren.
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5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Schritt 200 wird eine elektrische Versorgungsspannung UN an einem ersten Schaltungsknoten 10 und einem zweiten Schaltungsknoten 20 bereitgestellt, wobei die Spannung UN mittels eines Schalters 40 ein- und ausschaltbar ist, wobei der Schalter 40 von einem Widerstand 50 überbrückt wird.
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In einem zweiten Schritt 210 wird eine Versorgungsspannung VCC mittels einer Netzteileinrichtung 60 für eine Mikrorechnereinrichtung 80 bereitgestellt.
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In einem dritten Schritt 220 wird ein Auswerten einer elektrischen Detektionsspannung UD zwischen einem zweiten Schaltungsknoten 20 einer Spannungsversorgung UN und einer Spannungsversorgung VCC einer Mikrorechnereinrichtung 80 durchgeführt, wobei aus der Analyse auf die Stellung des Schalters 40 geschlossen wird.
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Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen einer Schalterstellung einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Mit einfachen Mitteln wird die Schalterstellung erkannt, was insbesondere für verschiedene normierte Spezifikationen von Elektromaschinen wichtig ist.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist sie keinesfalls darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die vorgehend beschriebenen Merkmale geeignet abändern oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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