DE102015219145A1

DE102015219145A1 - Haushaltsgerät

Info

Publication number: DE102015219145A1
Application number: DE102015219145.1A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Koch; Manfred Plankl
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2017-04-06
Also published as: EP3357300A1; US20180259582A1; WO2017055031A1; CN108141910A

Abstract

Ein Haushaltsgerät (7) weist mindestens ein mechanisches Relais (1) und eine Schalterkennungseinrichtung (8) zum Erkennen eines Schaltens mindestens eines Relais (1) auf, wobei die Schalterkennungseinrichtung (8) mindestens eine Messvorrichtung (16, 18, 19) zum Messen eines elektrischen Spulenstroms (I), welcher beim Schalten des Relais (1) durch das Relais (1) fließt, und mindestens eine Auswerteeinrichtung (10) zum Erkennen des Schaltens des mindestens einen Relais (1) auf Grundlage des gemessenen Spulenstroms (I) aufweist. Ein Verfahren dient zum Betreiben eines Haushaltsgeräts (7), das mindestens ein mechanisches Relais (1) aufweist, wobei bei dem Verfahren ein elektrischer Spulenstrom (I), welcher beim Schalten des Relais (1) fließt, gemessen wird und anhand des gemessenen Spulenstroms (I) ein Schalten des Relais (1) und/oder eine Verzögerungszeit des Relais (1) erkannt wird. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Gargeräte, insbesondere Backöfen, insbesondere zum Schalten von Heizelementen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Haushaltsgerät, aufweisend mindestens ein mechanisches Relais und eine Schalterkennungseinrichtung zum Erkennen eines Schaltens mindestens eines mechanischen Relais. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts, das mindestens ein mechanisches Relais aufweist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Gargeräte, insbesondere Backöfen, Kochfelder und/oder Herde, insbesondere zum Schalten von Heizelementen.
In Haushaltsgeräten werden häufig elektronische Schaltungen mit mechanischen Relais zum Schalten von Heizkörpern, Motoren und anderen elektrischen Lasten oder Verbrauchern verwendet. Wird das Lebensdauerende eines Relais erreicht, steigt eine Zahl von Schaltvorgängen mit Klebungseffekten ("Klebern") oder ein Kontakt verklebt dauerhaft. Dies kann beispielsweise zu Überhitzungen an den Heizelementen oder an sonstigen Geräteteilen und damit zu gefährlichen Zuständen führen. So kann sich z.B. eine Heizleistung bei Kochmulden oder Backöfen selbstständig erhöhen. Derzeit werden diese Verklebungseffekte von der Elektronik des Haushaltsgeräts nicht erfasst. Bei üblichen Fehlererfassungsszenarien wird nur eine Relaisansteuerung überwacht, nicht aber der Schaltkontakt selbst. Alternativ wird bei bisherigen Ansätzen auf eine Messung eines Kontaktstroms oder einer Verbraucherspannung zurückgegriffen. Dies ist allerdings nur mit Einsatz von kostenintensiven elektronischen Bauteilen möglich, die zudem zur ihrer Platzierung eine große Leiterplattenfläche benötigt, da die Strommessung auf der Netzspannungsseite durchgeführt werden muss und dies eine notwendige Einhaltung von Abständen zur Folge hat.
Auch ist eine Nulldurchgangsschaltung der Relais derzeit aufgrund von Einschalt- und Ausschaltverzögerungen der Relais – die z.B. von einer Einbaulage, Lebensdauer, Relaisspulenspannung, Umgebungstemperatur und Fertigungstoleranzen beeinflusst werdennicht gut realisierbar.
DE 195 24 755 A1 offenbart eine Einrichtung zur Hubüberwachung von Schaltmagneten, mit der überwacht werden kann, ob Schaltmagnete nach dem Einschalten auch tatsächlich geschaltet haben. Als Kriterium wird hierzu die mathematische Ableitung des Stromes durch die Relaisspule des Schaltmagneten herangezogen. Die mathematische Ableitung des Stromes durch die Relaisspule des Schaltmagneten kann mit Hilfe eines Transformators dargestellt werden.
WO 2008/064694 A1 offenbart ein Verfahren zur Funktionsfähigkeitserkennung eines elektrischen Relais, welches zum Öffnen und/oder Schließen einer elektrischen Kontakteinrichtung mit einem Steuerspulenstrom beschickt wird, wobei sich ein Anker aufgrund eines steuerspulenstrominduzierten magnetischen Feldes bewegt. Die Funktionsfähigkeit wird aus der Bestimmung eines aktuellen Ankerwegs beim Einschalten und/oder Ausschalten des Relais abgeleitet.
WO 2013/189527 A1 offenbart eine Relaisspule, Relaiskontakte und einen mit den Relaiskontakten in Wirkverbindung stehenden Relaisanker aufweist, und mit einer Überwachungseinrichtung, die zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit des Relais eingerichtet ist. Um eine solche Schaltanordnung anzugeben, mit der eine vorausschauende Überprüfung der Relaiskontakte und des Relaisankers auf ggf. aufgetretene Fehler ermöglicht werden kann, wird vorgeschlagen, dass im Strompfad der Relaisspule eine Strommesseinrichtung vorgesehen ist, die zur Messung eines durch die Relaisspule fließenden Spulenstroms und zur Abgabe eines den Spulenstrom angebenden Stromsignals an die Überwachungseinrichtung eingerichtet ist, und die Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit des Relais das Stromsignal heranzieht. Die WO 2013/189527 A1 betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit eines Relais.
US 2011/0228438 A1 offenbart eine Relais-Versagens-Erfassungsvorrichtung, die umfasst: eine Öffnungs-Schließ-Einheit, die von einer Relaisspule zum Öffnen und Schließen eines Stromwegs angesteuert wird; eine Erfassungseinheit, die einen Stromwert eines in der Relaisspule fließenden Spulenstroms erfasst; eine Öffnungs-Schließ-Anweisungseinheit, die ein Anweisungssignal zum Anweisen eines Öffnens und Schließens der Öffnungs-Schließ-Einheit ausgibt; und eine Fehlererfassungseinheit, die einen Fehler in der Öffnungs-Schließ-Einheit unter Verwendung des von der Erfassungseinheit innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer ausgegebenen Stromwerts erkennt.
US 6,233,132 B1 offenbart ein elektromechanisches Relais-Antriebssystem, das eine Relaislebensdauer verlängert, indem sichergestellt wird, dass bei Betrieb des Relais ein Kontakt zwischen den Kontaktelektroden an einem Nulldurchgangspunkt der Wellenform geschlossen und geöffnet wird. Relais-Alterung und eine Änderungen der Umgebungsbedingungen werden bei jeder Betätigung des elektromechanischen Relais dynamisch kompensiert, um das richtige Timing des Einschaltens und Ausschaltens des Relais bei dem Nulldurchgangspunkt zu gewährleisten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zum Betreiben eines Haushaltsgeräts mit mechanischen Relais bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Haushaltsgerät, aufweisend mindestens ein mechanisches Relais und eine Schalterkennungseinrichtung zum Erkennen eines Schaltens mindestens eines mechanischen Relais, wobei die Schalterkennungseinrichtung mindestens eine Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Spulenstroms, welcher beim Schalten des Relais durch das Relais fließt, und mindestens eine Auswerteeinrichtung zum Erkennen des Schaltens des mindestens einen Relais auf Grundlage des gemessenen Spulenstroms aufweist.
Dieses Haushaltsgerät weist den Vorteil auf, dass so sicher erkannt werden kann, ob und wann ein Kontakt des Relais tatsächlich schaltet bzw. geschaltet worden ist. So kann beispielsweise auch die häufigste Ausfallerscheinung, nämlich das Verkleben des Relaiskontakts, sicher erkannt werden. Das Verkleben ist insbesondere bei Gargeräten kritisch, da es zu Überhitzungen der davon aktivierten Heizungen führen kann. Somit können sicherheitskritische Zustände durch ein Versagen eines Relais verhindert werden, ohne den Aufwand einer Schaltkontaktüberwachung bezüglich Laststrom oder Lastspannung durchführen zu brauchen.
Auch kann mit hoher Genauigkeit eine Verzögerungszeit nach Anlegen einer Spannung ("Relaisspulenspannung") an eine Relaisspule des Relais und dem tatsächlichen Schaltzeitpunkt bestimmt werden, die beispielsweise von einer Einbaulage, einer verbleibenden Lebensdauer, der Relaisspulenspannung, einer Umgebungstemperatur und Fertigungstoleranzen des Relais usw. abhängig ist und deshalb in der Praxis nur schwer genau vorherbestimmbar ist.
Das mindestens eine Relais kann einen Teil einer elektronischen Schaltung darstellen. Unter einer elektronischen Schaltung kann insbesondere eine Steuer-, Regel- und/oder Verstärkerschaltung sowie hierfür verwendete Bauelemente verstanden werden.
Unter einem Relais oder mechanischen Relais wird insbesondere ein durch elektrischen Strom betriebener, elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter mit insbesondere zwei Schaltstellungen verstanden. Das Relais wird z.B. mittels der elektronischen Schaltung aktiviert und kann mindestens einen Stromkreis schalten bzw. wahlweise öffnen und schließen. Ein elektronischer Schalter wie ein Transistor stellt insbesondere kein mechanisches Relais dar.
Das mechanische Relais kann so betrieben werden, dass ein Spulenstrom in einer Relaisspule einen magnetischen Fluss durch einen ferromagnetischen Kern und einen daran befindlichen, beweglich gelagerten, ebenfalls ferromagnetischen Anker erzeugt. An einem Luftspalt kommt es zu einer Krafteinwirkung auf den Anker, wodurch dieser einen oder mehrere Kontakte schaltet. Der Anker kann z.B. durch Federkraft in die Ausgangslage zurückversetzt werden, sobald die Relaisspule nicht mehr erregt ist.
Der Kontakt des mechanischen Relais kann als Schließer oder Arbeitskontakt ausgebildet sein, d.h., dass der Kontakt bei abgefallenem Anker bzw. stromloser Relaisspule offen und bei angezogenem Anker bzw. stromdurchflossener Relaisspule geschlossen ist. Der Kontakt kann aber auch als Ruhekontakt oder Öffner ausgebildet sein, d.h., dass er in angezogenem Zustand des Relais den Stromkreis unterbricht. Eine Kombination aus Öffner und Schließer wird als Wechsler oder Umschaltkontakt bezeichnet. Ein Relais kann einen oder mehrere solcher Kontakte aufweisen. Das Relais kann folglich ein "Ruhestromrelais" sein, wenn es im Ruhezustand vom Strom durchflossen und angezogen ist. Es kann alternativ ein "Arbeitsstromrelais" sein, wenn es im Ruhezustand stromlos ist.
Die Schalterkennungseinrichtung kann auch als "Überwachungseinrichtung" o.ä. bezeichnet werden. Das Haushaltsgerät kann mindestens ein mechanisches Relais aufweisen, das nicht auf ein Schalten hin überwacht wird.
Das Erkennen des Schaltens des mindestens einen Relais kann ein positives Erkennen eines Schaltens ("Schalten erfolgreich") und/oder ein negatives Erkennen eines Schaltens ("Schalten nicht erfolgt") umfassen. Das Schalten kann ein Einschalten und/oder ein Ausschalten des Relais bzw. ein Herstellen und/oder ein Lösen des Kontakts des Relais umfassen.
Die Schalterkennungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung können unterschiedliche Baugruppen sein oder funktional in einer Baugruppe integriert sein. Die Schalterkennungseinrichtung und/oder die Auswerteeinrichtung können Teil oder Funktion der elektronischen Schaltung, die auch das mindestens eine mechanische Relais aufweist, sein. Die elektronische Schaltung kann also eine Schalterkennungs- und/oder Auswertefunktion aufweisen.
Das Haushaltsgerät ist insbesondere ein Haushaltsgroßgerät (z.B. ein Gargerät, ein Wäschepflegegerät wie eine Waschmaschine und/oder ein Wäschetrockner, ein Geschirrbehandlungsgerät wie eine Geschirrspülmaschine und/oder ein Geschirrdesinfektionsgerät, ein Kühlgerät wie ein Kühlschrank und/oder ein Gefriergerät usw.). Das Haushaltsgerät ist insbesondere ein Küchengerät (z.B. im Sinne "weißer Ware").
Das Haushaltsgerät weist insbesondere einen Backofen bzw. eine Backofenfunktionalität und/oder ein Kochfeld bzw. eine Kochfeldfunktionalität auf. So kann das Haushaltsgerät ein eigenständiger Backofen oder ein Herd als eine Backofen/Kochfeld-Kombination sein. Der Backofen kann auch eine Dampfgar- und/oder Mikrowellenfunktion aufweisen. Das Haushaltsgerät kann mindestens eine relaisgesteuerte Last bzw. mindestens einen relaisgesteuerten Verbraucher aufweisen, beispielsweise einen Lüftermotor, ein Heizelement usw.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, das Schalten des mindestens einen zugehörigen Relais auf Grundlage einer lokalen Extremstelle eines Verlaufs des gemessenen Spulenstroms zu erkennen. Dies ist eine besonders sichere und einfach umsetzbare Weise zum Erkennen eines Schaltens (oder eines Fehlers) des Relais und/oder einer Verzögerungszeit. Dabei wird ausgenutzt, dass nach Anlegen der Relaisspulenspannung an die Relaisspule des Relais aufgrund einer Gegeninduktion der Relaisspule ein Stromfluss entsteht, der erst nach einer bestimmten Zeitdauer so groß wird, dass eine auf einen Relaisanker ausgeübte magnetische Kraft ausreicht, um den Kontakt des Relais zu schließen. Während des tatsächlichen Schaltzeitpunktes des Kontakts wird die Gegeninduktion in der Relaisspule durch die mechanische Bewegung des Kontaktankers so beeinflusst oder verändert, dass ein – insbesondere starker – Stromeinbruch messbar ist.
Dabei kann z.B. angenommen werden, dass dann, wenn an eine Relaisspule die Relaisspannung U angelegt wird, der theoretische Anstieg des Spulenstroms I(t) der Formel I(t) = U/R·(1 – e^–t·R/L) (1) entspricht. Grund für diesen Stromanstieg ist die Gegeninduktion der Relaisspule. Nach einer bestimmten Zeit ist die Gegeninduktionsspannung gleich null und es wirkt nur noch der ohmsche Widerstand der Relaisspule. Die Stromanstiegskurve weist beim Einschaltvorgang einen starken Stromeinbruch im Zeitpunkt des Kontakteinschaltens und einen starken Stromanstieg im Zeitpunkt des Kontaktausschaltens auf, da die Bewegung des Kontaktankers eine Änderung der Gegeninduktion bewirkt. Dieser Stromeinbruch bzw. Stromanstieg ist so stark, dass er sich mit sehr geringem Bauteilaufwand messen lässt, beispielsweise mittels eines A/D-Wandlers eines Mikrocontrollers. Das Minimum des Stromeinbruches beim Einschalten ist der Zeitpunkt, an dem der Relaiskontakt geschlossen ist, und folglich kann der Zeitpunkt des tatsächlichen Schließens des Kontaktes daraus ermittelt werden. Beim Ausschalten des Relais ist das Maximum der Stromerhöhung der Zeitpunkt des tatsächlichen Öffnens des Schaltkontaktes. Wird der Kontaktanker nicht bewegt, z.B. aufgrund eines Verklebungseffekts ("Klebers") oder eines anderen mechanischen oder elektrischen Defekts, entsteht kein Stromeinbruch bzw. keine Stromerhöhung, und somit kann ein Nicht-Schalten des Relais auch über ein Fehlen des Stromeinbruchs bzw. der Stromerhöhung detektiert werden.
Es ist folglich noch eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, das Schalten des mindestens einen zugehörigen Relais anhand eines lokalen Minimums (insbesondere Stromeinbruchs) des Verlaufs des gemessenen Spulenstroms bei einem Einschalten des Relais und/oder anhand eines lokalen Maximums (insbesondere Stromerhöhung) des Verlaufs des gemessenen Spulenstroms bei einem Ausschalten des Relais zu erkennen.
Wird ein Stromeinbruch beim Einschaltvorgang gemessen, kann auch die Verzögerungszeit zwischen dem Beginn des Anlegens der Relaisspulenspannung und dem tatsächlichem Schließen des Kontakts bzw. des Kontaktieren des Spulenkontakts auf einfache Weise ermittelt werden. Analog kann aus einer Stromerhöhung bei einem Ausschaltvorgang die Verzögerungszeit zwischen dem Ausschalten der Relaisspulenspannung und dem tatsächlichem Öffnen des Kontakts bzw. dem Lösen des Spulenkontakts auf einfache Weise ermittelt werden. Allgemein kann so die Verzögerungszeit zwischen einer Änderung der angelegten Relaisspulenspannung und dem tatsächlichem Schalten des Kontakts auf einfache Weise ermittelt werden.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät und insbesondere dessen elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, eine Verzögerungszeit(dauer) zwischen einem Beginn eines Anlegens der Relaisspulenspannung und einem Zeitpunkt des tatsächlichen Schließen des Kontakts bzw. Kontaktierens der Kontaktelemente des Relais zu bestimmen und diese Zeitdauer als eine Eingangsgröße für ein phasenlagenabhängiges Schalten des Relais zu verwenden. Dadurch wiederum können in einem durch das Relais schaltbaren Stromkreis vorhandene Verbraucher zu bestimmten Phasenlagen ein- bzw. auszugeschaltet werden. Das phasenlagenabhängige Schalten kann insbesondere ein Schalten des Relais bzw. des zugehörigen mindestens einen Verbrauchers umfassen. Die Verbraucher können insbesondere zu bestimmten Phasenlagen einer Versorgungs-Wechselspannung, z.B. einer Netzspannung, ein- oder ausgeschaltet werden. Die Phasenlage kann also einer Wechselspannungs-(speziell Netzspannungs-)Phasenlage entsprechen. Das Haushaltsgerät kann diesbezüglich eine von einer Netzspannungs-Phasenlage abhängige Schaltzeitpunktssteuerung aufweisen, um z.B. Verbraucher zu bestimmten Phasenlagen ein- bzw. auszuschalten. Es können durch Erkennen des tatsächlichen Schaltzeitpunkts also phasenlageabhängige Schaltzeitpunkte realisiert werden. Die Schaltzeitpunktssteuerung kann einen Teil oder eine Funktion der elektronischen Schaltung darstellen. Die Schaltzeitpunktssteuerung kann eine Schaltzeitpunktsregelung sein.
Durch die phasenlageabhängige Schaltzeitpunktssteuerung können insbesondere teure Relais wie Inrush-Relais usw. durch Standardrelais ersetzt werden und somit Kosten gespart werden. Inrush-Relais werden bisher teilweise für kapazitive Lasten verwendet, da sie den hohen Einschaltstrom beim Schalten von Kapazitäten aushalten.
Es ist eine zum besonders sicheren Erkennen oder Bestimmen des tatsächlichen Schaltzeitpunkts vorteilhafte Weiterbildung, dass das Haushaltsgerät dazu eingerichtet ist, die lokale Extremstelle im Stromverlauf (z.B. der Stromeinbruch) bei jedem Schalten oder Schaltzyklus zu messen, da die Verzögerungszeit zwischen dem Anlegen der Relaisspulenspannung und dem tatsächlichen Schaltzeitpunkt von sich zeitabhängig ändernden Bedingungen abhängen kann, z.B. von der Umgebungstemperatur, der Restlebensdauer des Relais usw.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät und insbesondere dessen elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, eine Verzögerungszeit(dauer) zwischen einem Beginn eines Anlegens einer Relaisspulenspannung des Relais und einem tatsächlichen Schließens des zugehörigen Kontakts des Relais zu bestimmen und diese Zeitdauer als eine Eingangsgröße für eine Nulldurchgangsschaltung des Relais zu verwenden. Es ist eine analoge Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät und insbesondere dessen elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, eine Verzögerungszeit(dauer) zwischen einem Ende eines Anlegens einer Relaisspulenspannung des Relais und einem tatsächlichen Öffnen des zugehörigen Kontakts des Relais zu bestimmen und diese Zeitdauer als eine Eingangsgröße für eine Nulldurchgangsschaltung des Relais zu verwenden.
Die Nulldurchgangsschaltung kann ein Spezialfall des phasenlagenabhängigen Schaltens sein. Dadurch schalten die Relaiskontakte stromlose Stromkreise, und somit erhöht sich die Lebensdauer der Relais drastisch. Dies hat insbesondere bei Relais, die hohe ohmsche Lasten wie z.B. Heizelemente schalten, eine starke Erhöhung ihrer Lebensdauer zur Folge. Alternativ können preisgünstigere Relais (beispielsweise Standardrelais anstelle von Inrush-Relais) verwendet werden. Aber z.B. auch EMV-Störungen wie "Flicker" oder "Knackstörungen" usw., die beispielsweise beim Schalten von Heizelementen auftreten können, können vermieden werden.
Durch die Nulldurchgangsschaltung entsteht insbesondere die Möglichkeit, das Haushaltsgerät (z.B. durch eine entsprechende Auslegung der elektronischen Schaltung) so auszulegen, dass mindestens ein Relais präzise im Spannungsnulldurchgang der Versorgungs-Wechselspannung, insbesondere der Netzspannung, eingeschaltet und/oder ausgeschaltet wird. Dies hat bei den Relais die hohe ohmsche Lasten schalten eine starke Erhöhung der Lebensdauer zur Folge. So kann z.B. bei einem Öffnen des Kontakts eines Relais für mindestens ein Heizelement verhindert werden, dass ein Lichtbogen entsteht, der die Kontaktelemente bzw. den zugehörigen Kontakt beeinträchtigen könnte.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät – und insbesondere dessen elektronische Schaltung – dazu eingerichtet sind, bei einem Erkennen eines nicht durchgeführten Schaltens (und damit eines Relaisdefekts) mindestens eines Relais mindestens eine Aktion auszulösen.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Aktion ein Ausgeben mindestens eines Hinweises umfasst. Der Hinweis kann beispielsweise in einem Display des Haushaltsgeräts angezeigt und/oder drahtlos auf ein mobiles Endgerät (z.B. ein Smartphone) ausgegeben werden. Der Hinweis kann ein Kundenhinweis sein, der den Kunden oder Nutzer auffordert, einen Kundendienst zu kontaktieren. Der Hinweis kann alternativ oder zusätzlich direkt an einen Kundendienst kommuniziert werden, z.B. über eine entsprechende Kommunikationsschnittstelle des Haushaltsgeräts. Die Ausgabe des mindestens einen Hinweises kann beispielsweise von der elektronischen Schaltung ausgelöst werden.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät und insbesondere dessen elektronische Schaltung dazu eingerichtet sind, bei einem Erkennen eines nicht durchgeführten Schaltens mindestens eines Relais (und damit eines Relaisdefekts) die elektronische Schaltung in einen vordefinierten Zustand zu bringen.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät dazu eingerichtet ist, das Schalten mindestens eines Relais anhand eines Test-Spulenstroms zu erkennen. Dies ergibt den Vorteil, dass das mindestens eine Relais auch ohne tatsächlichen Laststrom überprüft werden kann. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass ein Hauptschalterrelais vorhanden ist.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät ein Gargerät (z.B. Backofen, ein Kochfeld und/oder ein Herd) ist und mindestens ein Relais dazu vorgesehen ist, einen Stromkreis mit mindestens einem Heizelement und/oder mindestens einem Lüftermotor zu schalten. Es ist eine Weiterbildung davon, dass mindestens ein Heizelement mittels des zugehörigen Relais getaktet betreibbar oder bestrombar ist. Dabei ist eine Einschaltdauer des Takt z.B. von einer eingestellten Kochstufe oder Temperatur abhängig und kann beispielsweise mehrere Sekunden betragen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts, das mindestens ein mechanisches Relais aufweist, wobei bei dem Verfahren ein elektrischer Spulenstrom, welcher beim Schalten des Relais fließt, gemessen wird und anhand des gemessenen Spulenstroms ein Schalten des Relais erkannt wird. Das Verfahren kann analog zu dem Haushaltsgerät ausgebildet werden und weist die gleichen Vorteile auf. So können ein Erfolg oder Misserfolg eines Schaltens (Einschaltens und/oder Ausschaltens) des Relais und/oder eine Verzögerungszeit bestimmt werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
1 zeigt als Schnittdarstellung ein mechanisches Relais; und
2 zeigt eine Skizze eines Haushaltsgeräts mit einer Schalterkennungseinrichtung.
1 zeigt ein (elektro)mechanisches Relais 1 mit einer Relaisspule 2 und einem ferromagnetischen Anker 3. Die Relaisspule 2 kann über einen Schaltanschluss 4 mit einer Relaisspulenspannung beaufschlagt und bestromt werden, wobei durch den Schaltanschluss 4 dann ein Spulenstrom I(t) fließt. Der Spulenstrom I(t) erzeugt in der Relaisspule 2 einen magnetischen Fluss durch deren ferromagnetischen Kern (o. Abb.) und den beweglich gelagerten, ebenfalls ferromagnetischen Anker 3. An einem Luftspalt S kommt es zu einer Krafteinwirkung auf den Anker 3, wodurch dieser einen oder mehrere Kontakte mit entsprechenden Kontaktelementen 5 schaltet. Der Anker 3 wird durch Federkraft in die Ausgangslage zurückversetzt, sobald die Relaisspule 2 nicht mehr erregt ist. Befinden sich auch die Kontaktelemente 5 in Kontakt bzw. ist der daraus bestehende Kontakt geschlossen, so ist auch das Relais 1 tatsächlich geschlossen. Dann sind auch die beiden Arbeits- oder Lastanschlüsse 6 kurzgeschlossen und können einen zugehörigen Stromkreis schließen.
2 eine Schaltskizze eines Haushaltsgeräts 7 mit einer Schalterkennungseinrichtung 8. Die Schalterkennungseinrichtung 8 ist ein Teil einer Elektronik, elektronischen Baugruppe oder elektronischen Schaltung 9 des Haushaltsgeräts 7. Die elektronische Schaltung 9 kann z.B. über einen Mikrocontroller 10 gezielt (hier: vier) Relais 1 schalten. Durch das Schalten mindestens eines Relais 1 kann z.B. wahlweise ein zugehöriger Stromkreis des Haushaltsgeräts 7 geschlossen oder geöffnet werden, der eine Last L aufweist. Beispielsweise kann das Haushaltsgerät 7 ein Backofen und/oder ein Kochfeld sein oder aufweisen und die Last L ein elektrisch betreibbares Heizelement wie eine Umluft-, Unterhitze, Oberhitze-Heizkörper, Kochstellen-Heizelement usw. oder ein Lüftermotor u.v.m. sein.
Der Mikrocontroller 10 kann insbesondere über entsprechende Steuerleitungen 12 und Vorschaltwiderstände 13 einen Transistor 14 leitend schalten, hier z.B. durch Anlegen einer Spannung an eine Basis eines pnp-Bipolartransistors 14 und damit Erzeugen eines entsprechenden Schaltstroms. Der Transistor 14 ist mit seinem Emitter mit einem Äquipotenzial 15 verbunden, während der Kollektor mit einem der Lastanschlüsse 6 des Relais 1 verbunden ist. Das Äquipotenzial 15 kann z.B. ein vorgegebenes Gleichspannungspotenzial sein. Der andere Lastanschluss 6 ist in Reihe über einen Shunt 16 mit Masse GND verbunden, so dass zwischen dem Äquipotenzial 15 und der Masse GND eine Spannung anliegt. Folglich kann bei leitend geschaltetem Transistor 14 ein Spulenstrom I(t) zum Schalten des Relais 1 erzeugt werden, der von dem Äquipotenzial 15 durch den pnp-Bipolartransistor 14, die Relaisspule 2 und den Shunt 16 zur Masse GND fließt. Ferner ist eine Diode 17 antiparallel zu der Reihenschaltung aus Relaisspule 2 und Shunt 16 geschaltet. Die Diode kann als eine Freilaufdiode wirken, um Spannungsspitzen, die bei einem Ausschalten des Relais 1 erzeugt werden, von dem Transistor 14 abzuhalten.
Zur Strommessung des durch die Relaisspule 2 fließenden Spulenstroms I(t) wird eine "schnelle" Schottky-Diode 18 verwendet, deren Anode mit dem Lastanschluss 6, welcher auch mit dem Shunt 16 verbunden ist, verbunden ist. Die Kathode der Schottky-Diode 18 ist mit einem Eingang eines A/D-Wandlers 19 des Mikrocontrollers 10 verbunden. Wird also das Relais 1 betätigt, kann der Mikrocontrollers 10 direkt einen für den Spulenstrom I(t) repräsentativen Stromverlauf aufnehmen. Die Messvorrichtung kann folglich insbesondere den Shunt 16, die Schottky-Diode 18 und den A/D-Wandler 19 umfassen.
Der Mikrocontroller 10 kann auch als Auswerteeinrichtung zum Erkennen eines Schaltens des mindestens einen Relais 1 auf Grundlage des gemessenen Spulenstroms I(t) verwendet werden. Alternativ können andere Komponenten der elektronischen Schaltung 9 oder des Haushaltsgeräts 7 als Auswerteeinrichtung dienen. Der Mikrocontroller 10 kann beispielsweise das Schalten des mindestens einen zugehörigen Relais 1 anhand eines lokalen Minimums bei einem Einschalten des Relais und/oder anhand eines lokalen Maximums bei einem Ausschalten des Relais 1 erkennen. Auch kann der Mikrocontroller 10 eine Verzögerungszeit zwischen einem Anlegen der Äquipotenzial-Spannung an das Relais 1 und einem Zeitpunkt des Schaltens des Relais 1 bestimmen und diese Zeitdauer als eine Eingangsgröße für ein phasenlagenabhängiges Schalten des Relais 1 zu verwenden, insbesondere für eine Nulldurchgangsschaltung. Für die Realisierung der Nulldurchgangsschaltung wird ein Phasennulldurchgangssignal nötig. Dazu wird ein Nulldurchgangssignalerzeuger verwendet, der bisher schon von Herdelektroniken bekannt ist. Der Nulldurchgangssignalerzeuger kann z.B. einen Teil der elektronischen Schaltung 9 darstellen oder funktional in die elektronische Schaltung 9 integriert sein.
Soll beispielsweise ein Heizelement eingeschaltet werden, um mit einer 50 Hz-Netzfrequenz versorgt zu werden, wartet der Mikrocontroller 10 auf ein Phasennulldurchgangssignal (das einen Nulldurchgang der Netzspannung detektiert) von dem Nulldurchgangssignalerzeuger. Nach Erhalt dieses Signals schaltet der Mikrocontroller 10 das Relais 1 z.B. nach 10 ms (was einem Zeitpunkt eines weiteren Nulldurchgangs der Netzspannung entspricht) abzüglich einer typischen Verzögerungszeit des Relais 1 von z.B. 4 ms, also in diesem Beispiel 6 ms nach Erhalt des Phasennulldurchgangssignals. Dabei wird der Spulenstrom I(t) durch die Relaisspule 2 gemessen und der Zeitpunkt des Stromminimums des Stromeinbruches ermittelt. Befindet sich dieses Stromminimum genau an dem Zeitpunkt, an dem der nächste Phasennulldurchgang der Netzspannung auftritt bzw. das nächste Phasennulldurchgangssignal detektiert wird, hat das Relais 1 genau zum Spannungsnulldurchgang geschaltet. Gibt es allerdings eine Abweichung, muss der Zeitpunkt des Ansteuerns des Relais 1 anhand der gemessenen Verzögerungszeit bzw. deren Abweichung korrigiert werden. Das hat zur Folge, dass beim nächsten Schaltvorgang das Relais 1 bzw. seine Kontaktelemente 5 dann wieder im Nulldurchgang schaltet. Dieses Nachregeln der Ansteuerungszeit ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da sich die Verzögerungszeit der Relais 1 im Vergleich zu der Periodendauer der Netzspannung von 20 ms nur langsam verändert. Eine sprunghafte Änderung der Verzögerungszeit ist folglich nicht zu erwarten. Ein Schließen der Kontaktelemente 5 im Spannungsnulldurchgang ist beispielsweise eine schonende Möglichkeit, kapazitive Lasten oder Verbraucher zu schalten, da beim Einschalten kein Einschaltstrom entsteht.
Analog kann beim Öffnen der Kontaktelemente 5 verfahren werden. Beispielsweise ist dies für ohmsche Lasten L oder Verbraucher wie Heizelemente besonders vorteilhaft, damit kein Lichtbogen entsteht, der die Kontaktelemente 5 bzw. den zugehörigen Kontakt beeinträchtigen könnte. Soll beispielsweise die Last L in Form eines Heizelements wieder ausgeschaltet werden, wartet der Mikrocontroller 10 wieder auf das Phasennulldurchgangssignal. Ist dieses detektiert, wird nach 10 ms abzüglich einer zugehörigen gespeicherten Verzögerungszeit des Relais 1 (die wie die Verzögerungszeit beim Einschalten nachgeregelt werden kann) die Spannung der Relaisspule 2 ausgeschaltet. Dabei wird der Spulenstrom I(t) gemessen und der Zeitpunkt des Strommaximums der lokalen Stromerhöhung detektiert. Fällt dieser Zeitpunkt genau auf das nächste Phasennulldurchgangssignal, sind die Kontaktelemente 5 genau im Spannungsnulldurchgang geöffnet worden. Gibt es eine Abweichung, wird die Ausschaltzeit der Relaisspulenspannung nachgeregelt, so dass ein sicheres Nulldurchgangsschalten beim nächsten Ausschaltvorgang erreicht wird. Die Verzögerungszeit beim Einschalten kann der Verzögerungszeit beim Ausschalten gleichgesetzt werden, oder umgekehrt.
Ist beim Messen des Spulenstromes I(t) beim Einschalten kein Stromeinbruch und/oder beim Ausschalten keine Stromerhöhung detektiert worden, kann von einem Defekt des Relais 1 z.B. infolge eines "Klebers" ausgegangen werden. Der Mikrocontroller 10 kann dann dazu eingerichtet sein, bei einem Feststellen eines Relaisfehlers die Hauptschalterrelais ausschalten, um das Haushaltsgerät 7, insbesondere dessen elektronische Schaltung 9, in einen vordefinierten Zustand zu bringen und/oder eine Mitteilung um den Relaisfehler an einen Nutzer und/oder an einen Kundenservice, Hersteller usw. auszugeben.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Relais
2: Relaisspule
3: Anker
4: Schaltanschluss
5: Kontaktelement
6: Lastanschluss
7: Haushaltsgerät
8: Schalterkennungseinrichtung
9: Elektronische Schaltung
10: Mikrocontroller
12: Steuerleitung
13: Vorschaltwiderstand
14: pnp-Bipolartransistor
15: Äquipotenzial
16: Shunt
17: Diode
18: Schottky-Diode
19: A/D-Wandler des Mikrocontrollers
I: Spulenstrom
L: Last
S: Luftspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19524755 A1 [0004]
WO 2008/064694 A1 [0005]
WO 2013/189527 A1 [0006, 0006]
US 2011/0228438 A1 [0007]
US 6233132 B1 [0008]

Claims

Haushaltsgerät (7), aufweisend mindestens ein mechanisches Relais (1) und aufweisend eine Schalterkennungseinrichtung (8) zum Erkennen eines Schaltens mindestens eines Relais (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterkennungseinrichtung (8) mindestens eine Messvorrichtung (16, 18, 19) zum Messen eines elektrischen Spulenstroms (I), welcher beim Schalten des Relais (1) durch das Relais (1) fließt, und mindestens eine Auswerteeinrichtung (10) zum Erkennen des Schaltens des mindestens einen Relais (1) auf Grundlage des gemessenen Spulenstroms (I) aufweist.
Haushaltsgerät (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gargerät ist und mindestens ein Relais (1) dazu vorgesehen ist, einen Stromkreis mit mindestens einem Heizelement (L) und/oder Lüftermotor (L) zu schalten.
Haushaltsgerät (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Auswerteeinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, das Schalten des mindestens einen zugehörigen Relais (1) auf Grundlage einer lokalen Extremstelle eines Verlaufs des gemessenen Spulenstroms (I) zu erkennen.
Haushaltsgerät (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Auswerteeinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, das Schalten des mindestens einen zugehörigen Relais (1) anhand eines lokalen Minimums des Verlaufs des gemessenen Spulenstroms (I) bei einem Einschalten des Relais (1) und/oder anhand eines lokalen Maximums bei einem Ausschalten des Relais (1) zu erkennen.
Haushaltsgerät (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät (7) dazu eingerichtet ist, eine Verzögerungszeit zwischen einem Beginn eines Anlegens einer Relaisspulenspannung an das Relais (1) und einem Zeitpunkt eines Schließens eines Kontakts des Relais (1) zu bestimmen und diese Verzögerungszeit als eine Eingangsgröße für ein phasenlagenabhängiges Schalten des Relais (1) zu verwenden.
Haushaltsgerät (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät (7) dazu eingerichtet ist, eine Verzögerungszeit zwischen einem Ende eines Anlegens einer Relaisspulenspannung an das Relais (1) und einem Zeitpunkt eines Öffnen des Kontakts des Relais (1) zu bestimmen und diese Verzögerungszeit als eine Eingangsgröße für ein phasenlagenabhängiges Schalten des Relais (1) zu verwenden.
Haushaltsgerät (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät (7) dazu eingerichtet ist, eine Verzögerungszeit zwischen einem Beginn eines Anlegens einer Relaisspulenspannung an das Relais (1) und einem Zeitpunkt eines Schließens eines Kontakts des Relais (1) und/oder zwischen einem Ende des Anlegens der Relaisspulenspannung und einem Zeitpunkt eines Öffnen des Kontakts des Relais (1) zu bestimmen und diese Verzögerungszeit als eine Eingangsgröße für eine Nulldurchgangsschaltung des Relais (1) zu verwenden.
Haushaltsgerät (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät (7) dazu eingerichtet ist, bei einem Erkennen eines nicht durchgeführten Schaltens mindestens eines Relais (1) mindestens eine Aktion auszulösen.
Haushaltsgerät (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät (7) dazu eingerichtet ist, bei einem Erkennen eines nicht durchgeführten Schaltens mindestens eines Relais (1) die elektronische Schaltung (9) in einen vordefinierten Zustand zu bringen.
Haushaltsgerät (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haushaltsgerät (7) dazu eingerichtet ist, das Schalten mindestens eines Relais (1) anhand eines Test-Spulenstroms zu erkennen.
Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts (7), das mindestens ein mechanisches Relais (1) aufweist, wobei bei dem Verfahren – ein elektrischer Spulenstrom (I), welcher beim Schalten des Relais (1) fließt, gemessen wird und – anhand des gemessenen Spulenstroms (I) ein Schalten des Relais (1) erkannt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts (7), das ein mechanisches Relais (1) aufweist, wobei bei dem Verfahren – ein elektrischer Spulenstrom (I), welcher beim Schalten des Relais (1) fließt, gemessen wird und – anhand des gemessenen Spulenstroms (I) eine Verzögerungszeit des Relais (1) erkannt wird.