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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Schaltzustands eines zumindest ein Kontaktpaar aufweisenden Schaltkontakts einer elektromechanischen Schaltvorrichtung, wobei während einer Betriebsphase zur Erkennung des Schaltzustands der Schaltkontakt mit einem Schaltstrom beaufschlagt wird und der Schaltstrom mittels einer Auswerteeinheit analysiert wird, dahingehend, ob der Schaltkontakt sich in einem geschlossen Schaltzustand oder in einem geöffneten Schaltzustand befindet.
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Aus der
DE 200 08 548 U1 ist eine Anordnung zur Erkennung der Schaltstellung eines Netzschalters für mikroprozessorgesteuerte Geräte mit Ausschaltverzögerung bekannt. Beschrieben wird ein Netzschalter, der zwei in Reihenschaltung geschaltete Schalter enthält, welche nur gemeinsam geöffnet oder geschlossen werden können, wobei der eine Schalter mit seinem einen Kontakt an einem der beiden spannungsführenden oder (Null-)Leiter und mit seinem anderen Kontakt mit einem ersten Eingang eines Sensors verbunden ist, der bei angelegter Spannung und eingeschaltetem Netzschalter einen Messstrom zum zweiten Eingang des Sensors leitet, der mit dem zugehörigen anderen der beiden spannungsführenden oder (Null-)Leiter verbunden ist. Der Sensor übermittelt dabei ausgangsseitig ein Ausgangssignal entsprechend der Schaltstellung des Netzschalters an einen Mikroprozessor des Gerätes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Erkennung des Schaltzustands eines Schaltkontakts einer elektromechanischen Schaltvorrichtung sowie eine Schaltungsanordnung zur Erkennung des Schaltzustands eines Schaltkontakts bereitzustellen, wobei die Schaltungsanordnung auf eine verringerte Verlustleistung hin optimiert ist, wodurch ferner ein besseres Wärmemanagement erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erkennung des Schaltzustands eines zumindest ein Kontaktpaar aufweisenden Schaltkontakts einer elektromechanischen Schaltvorrichtung, wobei während einer Betriebsphase zur Erkennung des Schaltzustands der Schaltkontakt mit einem Schaltstrom beaufschlagt wird und der Schaltstrom mittels einer Auswerteeinheit analysiert wird, dahingehend, ob der Schaltkontakt sich in einem geschlossen Schaltzustand oder in einem geöffneten Schaltzustand befindet. Gemäß der Erfindung wird der Schaltkontakt während der Betriebsphase zur Erkennung des Schaltzustands des Schaltkontakts mit einem Schaltstrom beaufschlagt, der als getaktetes Spannungs- oder Stromsignal ausgebildet ist. Hierdurch wird im Gegensatz zu Betriebsverfahren, bei denen während der Zustandserkennung die Schaltkontakte dauerhaft mit einer geforderten Mindestleistung beaufschlagt werden, der Vorteil erzielt, dass die Verlustleitung während der Betriebsphasen, in denen eine Erkennung des Schaltzustands der Schaltkontakte durchgeführt wird, reduziert wird, so dass ein reduzierter Wärmeeintrag innerhalb des Schaltgeräts erfolgt. Dabei ist es dennoch erforderlich, dass die Beaufschlagung der Schaltkontakte mit einer vorgeschriebenen Minimalleistung erfolgt, damit stets eine sichere Kontaktierung gewährleistet werden kann. Etwaige Verunreinigungen an den Schaltkontakten werden dadurch sicher entfernt. Für 24V-Relais mit Goldkontakten ist beispielsweise eine Leistung von 24V und 1mA notwendig. Dabei entsteht Verlustleistung, sowohl an dem Ausgangstreiber als auch an den Relaiskontakten, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erheblich reduziert werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Schaltkontakt mit einem Schaltstrom, der als getaktetes Rechtecksignal ausgebildet ist, beaufschlagt wird. Dabei wird während der Pulsphase ein vorbestimmter maximaler Schaltstrom geschaltet und wird während der Pausenphase ein vorbestimmter minimaler Schaltstrom geschaltet.
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Durch ein bevorzugtes Puls-Pausen-Verhältnis von 1:1 wird damit bereits die Verlustleistung als auch der hiermit einhergehende Wärmeeintrag innerhalb des Schaltgeräts erheblich reduziert. Durch eine weitere Verkleinerung der Anschaltzeit kann der Wärmeeintrag weiter reduziert werden. Der minimale Schaltstrom ist mit Vorteil gleich null. Hierdurch sind weitere variierbare Möglichkeiten zur Reduzierung der Verlustleistung ermöglicht.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Schaltkontakt mit einem Schaltstrom, der als getaktetes Rechtecksignal mit einem variierbaren Puls-Pausen-Verhältnis ausgebildet ist, beaufschlagt wird. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Reduzierung der Verlustleistung an entsprechende Rahmenbedingen anpassen zu können.
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Bevorzugt kann das Puls-Pausen-Verhältnis in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter variiert werden, so dass die Reduzierung der Verlustleistung direkt wirkgekoppelt werden kann mit der im Schaltgerät erzeugten Verlustleistung während der Schaltzustandserkennung der Schaltkontakte.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Puls-Pausen-Verhältnis voreingestellt wird, derart, dass verschiedene Geschwindigkeiten zur Erkennung des Schaltzustands des Schaltkontaktes vorgebbar sind. Hierdurch ist je nach Einsatzgebiet des Schaltgeräts eine entsprechende Adaption an die Betriebsweise des Schaltgeräts und/oder an die Anforderungen des Kunden und/oder des eingesetzten elektromechanischen Schaltkontakts (bspw. Relais) ermöglicht.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Periodendauer des getakteten Strom- oder Spannungssignals (Testsignals) in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter variiert wird.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass bevor der Schaltkontakt mit einem Schaltstrom, der als getaktetes Stromsignal ausgebildet ist, beaufschlagt wird, der Schaltkontakt über eine vorbestimmte Freibrennzeit mit einem nicht getakteten Schaltstrom fester Größe beaufschlagt wird und erst im Anschluss in einen getakteten Modus übergeht. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine verbesserte Sauberkeit der Kontakte gewährleistet werden kann, ohne dass unnötig viel Verlustleistung erzeugt wird.
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Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Erkennung des Schaltzustands eines Schaltkontakts einer elektromechanischen Schaltvorrichtung. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet und umfasst eine elektromechanische Schaltvorrichtung mit zumindest einem Schaltkontakt sowie eine Auswerte- und Steuereinheit zur Ansteuerung der elektromechanischen Schaltvorrichtung und zur Auswertung eines durch den Schaltkontakt der elektromechanischen Schaltvorrichtung fließenden Schaltstroms. Erfindungsgemäß ist die Auswerte- und Steuereinheit derart eingerichtet, dass während einer Betriebsphase zur Erkennung des Schaltzustands des Schaltkontakts der Schaltkontakt mit einem als getaktetes Stromsignal ausgebildeten Schaltstrom beaufschlagbar ist und der Schaltstrom analysierbar ist, dahingehend, ob der Schaltkontakt sich in einem geschlossenen Schaltzustand oder in einem geöffneten Schaltzustand befindet.
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Die Auswerte- und Steuereinheit umfasst mit Vorteil eine Taktsignalerzeugungseinrichtung, eine Koppeleinheit, und eine Auswerteeinheit,
wobei der Schaltkontakt der elektromechanischen Schaltvorrichtung in einem gemeinsamen Pfad zwischen einem Schaltspannungspotential und Masse mit der Taktsignalerzeugungseinrichtung und der Koppeleinheit in Serie geschaltet ist. Die Schaltungsanordnung ist dabei derart eingerichtet, dass in einem Betriebszyklus zur Erkennung des Schaltzustands des Schaltkontakts der Schaltkontakt mit einem als getaktetes Stromsignal ausgebildeten Schaltstrom beaufschlagbar ist, und der im gemeinsamen Pfad fließende Schaltstrom mittels der Auswerteeinheit analysierbar ist, dahingehend, ob der Schaltkontakt sich in einem geschlossen Schaltzustand on oder in einem geöffneten Schaltzustand off befindet.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Taktsignalerzeugungseinrichtung eine Steuereinheit und einen über die Steuereinheit ansteuerbaren, im Strompfad des Schaltkontakts zu diesem in Serie geschalteten Halbleiterschalter umfasst.
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Alternativ kann die Taktsignalerzeugungseinrichtung auch durch einen getakteten stromfesten Signalausgang eines Rechners oder eines Mikroprozessors gebildet sein.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Koppeleinheit eingerichtet ist eine Strombegrenzung im Pfad des Schaltkontakts sicherzustellen und den über den Schaltkontakt fließenden getakteten Schaltstrom oder die über dem Schaltkontakt anliegende Spannung zu erfassen und der Auswerteeinheit zuzuführen, so dass in Abhängigkeit von dem erfassten Schaltstromsignal die Zustandserkennung des Schaltkontakts durchgeführt werden kann.
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Zusammengefasst beschrieben werden die Relaiskontakte bzw. die Schaltkontakte der elektromechanischen Schaltvorrichtung mit einem getakteten Signal belastet. Der sogenannte high-Level des Signals entspricht dabei der Schaltspannung und dem Schaltstrom, der sogenannte low-Level ist der energiearme bzw. der energielose Zustand. Je nach eingestelltem Puls-Pause-Verhältnis verringert sich die auftretende Verlustleistung pro Periode signifikant im Vergleich zu einem dauerhaften Signal in der gleichen Zeitspanne. Der Ausgangstreiber wird dabei bevorzugt von einem Microcontroller angesteuert und getaktet.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.
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Es zeigen:
- 1 eine Schaltungsanordnung zur Erkennung des Schaltzustands eines Schaltkontakts einer elektromechanischen Schaltvorrichtung in einer möglichen Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung, und
- 2 eine im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1 modifizierte Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung zur Erkennung des Schaltzustands eines Schaltkontakts einer elektromechanischen Schaltvorrichtung in schematischer Darstellung.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 zur Erkennung des Schaltzustands eines Schaltkontakts 1 einer elektromechanischen Schaltvorrichtung 100 in einer möglichen Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Die dargestellte Schaltungsanordnung 10 umfasst eine elektromechanische Schaltvorrichtung 100 in Form eines Relais oder eines Schützes oder dergleichen mit einer Spule S, die über zwei Spulenanschlüsse A1, A2 mit einer Spannung beaufschlagbar ist sowie einen Schaltkontakt 1. Darüber hinaus umfasst die Schaltungsanordnung 10 eine in den Strompfad P1 in Serie mit dem Schaltkontakt 1 geschaltete Auswerte- und Steuereinheit 200 zur Ansteuerung der elektromechanischen Schaltvorrichtung 100 und zur Auswertung eines durch den Schaltkontakt 1 der elektromechanischen Schaltvorrichtung 100 fließenden Schaltstroms ISchalt. Dabei ist die Auswerte- und Steuereinheit 200 derart eingerichtet, dass während einer Betriebsphase zur
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Erkennung des Schaltzustands des Schaltkontakts 1 der Schaltkontakt 1 mit einem als getaktetes Stromsignal ausgebildeten Schaltstrom ISchalt beaufschlagbar ist und der Schaltstrom ISchalt analysierbar ist, dahingehend, ob der Schaltkontakt 1 sich in einem geschlossen Schaltzustand befindet oder ob der Schaltkontakt 1 sich in einem geöffneten Schaltzustand befindet. Das hierfür mittels einer Taktsignalerzeugungseinrichtung 201 erzeugte Testsignal STest ist dabei als Rechtecksignal ausgebildet und hat im dargestellten Beispiel etwa ein Puls-Pausen-Verhältnis von 1:1. Während der Pulsphase wird dafür ein vorbestimmter maximaler Schaltstrom ISchalt_on als sogenanntes high-Signal H geschaltet und während der Pausenphase Toff ein vorbestimmter minimaler Schaltstrom ISchalt_off, etwa in Form eines Nullsignals (sog. Low-Signal L), insbesondere wird ein minimaler Schaltstrom ISchalt_off von 0 mA geschaltet, so dass die Verlustleistung währen der Betriebsphase der Zustandserkennung des Schaltkontakts 1 entsprechend reduziert wird.
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Beträgt beispielsweise die Schaltspannung und der Schaltstrom für ein 24V Relais mit Goldkontakten 24V und 1mA, resultiert daraus eine benötigte Leistung - bei einem dauerhaft angelegten (nicht getakteten) Signal - von 24V * 1mA = 24mW. Bei einem getakteten Testsignal mit einem Puls-Pause Verhältnis von 1:1 (50%) betrüge die Verlustleistung lediglich 25V * 1mA * 0,5 = 12mW (50%). Das Puls-Pausen-Verhältnis und die Periodendauer werden je nach Anwendungsfall angepasst und können im Betrieb situationsbedingt verschiedene Werte annehmen. Beispielhafter Ablauf nach 2:
- - MicrocontrollerTaktungsausgang (Steuereinheit 2011) aktiv
- - Mosfet (Halbleiterschalter 2012) schaltet 24V zu
- - Wenn der Schaltkontakt 1 des Relais (elektromechanische Schaltvorrichtung 100) geschlossen ist, efolgt ein Stromfluss durch Eingangsbaustein (Koppeleinheit 202) und den Schaltkontakt 1.
Microcontroller Inputbaustein tastet ab, ob ein high-Signal H oder ein low-Signal L (wenn Kontakt geschlossen ,H sonst L) anliegt.
- - MicrocontrollerTaktungsausgang (Steuereinheit 2011) inaktiv.
- - Mosfet (Halbleiterschalter 2012) sperrt.
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Dies ist der wesentliche Ablauf innerhalb eines Schaltzyklus.
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2 zeigt eine im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1 modifizierte Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung 10 zur Erkennung des Schaltzustands eines Schaltkontakts 1 einer elektromechanischen Schaltvorrichtung 100 in schematischer Darstellung. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist ein konkreter Aufbau einer Schaltungsanordnung 10 gezeigt, bei welchem eine Auswerte- und Steuereinheit 200 einen Mikrocontroller aufweist, der die Funktionalität einer Steuereinheit 2011 zur Erzeugung eines getakteten Ansteuersignals zur Ansteuerung bzw. Schaltung eines als MOSFET oder dergleichen ausgebildeten Halbleiterschalters 2012 aufweist. Dabei ist zwischen Halbleiterschalter 2012 und Schaltkontakt 1 eine Koppeleinheit 202 geschaltet, die im Wesentlichen die Funktionalität einer Strombegrenzung, sowie die Funktionalität der Signalerkennung und -Weiterleitung in sich vereint. Während einer Betriebsphase der Schaltzustandserkennung der Schaltkontakte 1 wird ein entsprechendes Ansteuersignal für den Halbleiterschalterschalter 2012 erzeugt, so dass über diesen ein entsprechend getaktetes Signal im gemeinsamen Strompfad mit dem Schaltkontakt 1 erzeugt wird - bzw. der Strompfad korrespondierend zu dem Ansteuersignal des Halbleiterschalters 2012 entsprechend geschlossen und unterbrochen wird. Ist der Schaltkontakt 1 entsprechend geschlossen, wird dieser mit einem entsprechend getakteten Schaltstrom beaufschlagt und ein in seiner Verlustleistung reduzierter Schaltstrom ISchalt durch die Koppeleinheit 202 erkannt und an die Auswerteeinheit 203 im Mikrocontroller zur entsprechenden Analyse weitergeleitet. Ist der Schaltkontakt 1 entsprechend geöffnet und der gemeinsame Signalpfad P1 damit unterbrochen wird entsprechend kein Schaltstrom ISchalt von der Koppeleinheit 202 erfasst und diese Information an die Auswerteeinheit 203 innerhalb des Mikrocontrollers zur entsprechenden Analyse weitergeleitet.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltkontakt
- 10
- Schaltungsanordnung
- 100
- elektromechanische Schaltvorrichtung
- 200
- Auswerte- und Steuereinheit
- 201
- Taktsignalerzeugungseinrichtung
- 2011
- Steuereinheit
- 2012
- Halbleiterschalter
- 202
- Koppeleinheit
- 203
- Auswerteeinheit
- USchalt
- Schaltspannung (über Schaltkontakt)
- ISchalt
- Schaltstrom (durch Schaltkontakt)
- TPeriode
- Periodendauer (Ansteuersignal bzw. Schaltsignal)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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