DE10257341A1

DE10257341A1 - Modul zur Zeit- und/oder Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers

Info

Publication number: DE10257341A1
Application number: DE10257341A
Authority: DE
Inventors: Norbert Hofer
Original assignee: E I S GmbH
Current assignee: E I S GmbH
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-07-15
Also published as: CN1692462A; WO2004053913A1; AU2003298168A1

Abstract

Modul zur Zeit- und/oder Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers,
– mit einem auf einer Leiterplatte (LP) angeordneten Netzteil (D1, R1, C1, D2, C2, D3, R2),
– mit einer mit dem Netzteil (D1, R1, C1, D2, C2, D3, R2) verbundenen Steuereinrichtung (MCU),
– mit mindestens einem mit dem Netzteil (D1, R1, C1, D2, C2, D3, R2) verbundenen Leistungsschalter oder Relais (REL), welches mit der Steuereinrichtung (MCU) in Verbindung steht,
– mit mindestens einem mit der Steuereinrichtung (MCU) verbundenen Eingabemittel (S1) und
– mit Anschlusskontakten (K1, K2) für die Netzspannung und einem getakteten oder geschalteten Anschlusskontakt (K3) für den Verbraucher, derart, dass die Steuereinrichtung (MCU) die zeitlichen Abläufe und/oder den Laststrom durch den Verbraucher nach Maßgabe der Anzahl und/oder Zeitdauer von Betätigungen des Eingabemittels (S1) steuert und den aktuellen Betriebzustand an einer Anzeige (D4) optisch signalisiert.

Description

Die Erfindung betrifft in erster Linie eine Modul zur Zeit- und/oder Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers.
Vorrichtungen zum zeitgesteuerten Ein-/Ausschalten eines elektrischen Verbrauchers sind seit langem bekannt. Beispielsweise ist aus der DE 32 43 108 C2 eine solche Vorrichtung für verschiedene Verbraucher in einem Kraftfahrzeug – z.B. Wisch/Wasch-Anlagen für Front- und/oder Heckfensterscheiben, Heckscheibenheizungen, Blinkanlagen zur Fahrtrichtungsanzeige – bekannt, welche einen im Steuerstromkreis eines Relais liegenden, von Hand einschaltbaren Schalterkontakt aufweist, der unter dem Einfluss einer Verzögerungseinrichtung eine vorbestimmte Dauer geschlossen bleibt. Um im Falle einer Störung des Relais oder der Verzögerungseinrichtung ein Ein- und Ausschalten des Verbrauchers zu ermöglichen, ist im einzelnen vorgesehen, dass der Steuerstromkreis über den im Stromkreis des Verbrauchers liegenden Arbeitskontakt des Relais geschleift ist, welcher gleichzeitig den Schalterkontakt zur Einschaltung der Erregung des Relais und des Zeitgliedes bildet. Weiterhin ist ein Betätigungsmechanismus vorgesehen, mittels dessen dieser Kontakt von Hand nach Belieben geöffnet und geschlossen werden kann. Dadurch ist eine Einschaltung des Verbrauchers durch einfache Betätigung des Schalterkontaktes und eine automatische zeitverzögerte Ausschaltung des Verbrauchers möglich, da dieser Schalterkontakt gleichzeitig der Arbeitskontakt des unter dem Einfluss der Verzögerungseinrichtung stehenden Relais ist. Ferner ist dafür gesorgt, dass der Arbeitskontakt von Hand in der geschlossenen Stellung verrastet und auch entrastet werden kann. Bei einer Störung des Relais oder der Verzögerungseinrichtung kann der Verbraucher im eingeschalteten Zustand gehalten werden, weil der Kontakt mittels des Betätigungsmechanismus in der Schließstellung verharrt. Eine Ausschaltung des Verbrauchers im Störungsfall ist durch Öffnen des Kontakts von Hand mittels des Betätigungsmechanismus möglich. Die Verzögerungseinrichtung kann ein Zeitglied in Form einer monostabilen Kippschaltung sein, die mit dem Schließen des Arbeitskontakts getriggert wird, um einen Erregerstromimpuls vorbestimmter Dauer an die Relaiswicklung zu liefern. Alternativ kann ein einfacher Zeitschalter verwendet werden, z. B. ein normalerweise geschlossener und sich nach bestimmter Erregungszeit öffnender Bimetallschalter. Um eine Überlastung des Verbrauchers zu verhindern, ist diesem ein Reed-Schalter mit zugehörigem Betätigungsglied vorgeschaltet. Zur Überwachung der Einschaltfunktion des Verbrauchers ist diesem eine Kontroll-Lampe parallel geschaltet.
Weiterhin sind Sicherheitsschaltungen, welche elektrische Verbraucher, z. B. in Form eines elektrischen Bügeleisens nach einer vorbestimmten Zeit abschalten, um deren Überhitzung zu verhindern, bekannt. Um eine Sicherheitsschaltung für einen elektrischen Kochherd anzugeben, durch welchen eine zu lange Betriebsdauer jeder einzelnen Kochstelle vermieden wird, ist es aus der DE 38 15 984 C2 bekannt, mehrere Leistungssteller, eine Dekodierlogik, eine Steuerlogik, mehrere Zähler sowie mehrere Relais vorzusehen. Zur automatischen Abschaltung des entsprechenden Verbrauchers kann alternativ ein Mikroprozessor vorgesehen werden, welcher alle Steuer- und Schaltfunktionen, einschließlich der Taktung der Verbraucher, mit Ausnahme der Relais realisiert.
In ähnlicher Weise ist eine aus der DE 42 02 600 C2 bekannte Steuervorrichtung für eine aus mehreren Einheiten bestehende Klimaanlage aufgebaut, mit deren Hilfe eine Überlastung des Kompressors beim Abschalten aller Inneneinheiten verhindert und ein rascher Druckausgleich erzielt werden kann. Hierzu wertet eine Betriebsfeststelleinrichtung die EIN- bzw. AUS-Zustände aller Inneneinheiten aus und gibt dann entsprechend dem Ergebnis der Auswertung ein vorbestimmtes Ausgangssignal ab. Dieses Ausgangssignal wird an eine Verzögerungseinrichtung angelegt und nach der vorbestimmten Zeitverzögerung abgegeben. Eine Relaissteuereinrichtung empfängt das Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung und betätigt entsprechend diesem Ausgangssignal ein im Relaissteuerteil enthaltenes Relais, so dass der Kompressor über dieses Relais ein- bzw. ausgeschaltet werden kann.
Auch sind elektrische Haushaltsgeräte bekannt, insbesondere Wasser-Kessel, welche so gebaut sind, dass der eigentliche Wassertopf mit einer innenliegenden Heizung von einem Bodenteil abgenommen werden kann. In der Regel ist dem Heiz-Kreis ein Zeitkreis vorgeschaltet, der nach einer Zeit, die der maximalen Aufheiz-Zeit von ca. 4 Minuten des Gerätes entspricht, das Gerät durch ein Relais vom Netz trennt. Um bei einer geringen Wassermengenaufbereitung den Heiz-Vorgang anzupassen, ist es aus der DE 43 07 859 A1 bekannt, den Zeitkreis mit gestaffelten oder mit stufenlosen Einteilungen auszugestalten, so das die Heiz-Zeit der jeweiligen Wassermenge angepasst werden kann. Dabei wird der Zeitkreis mit dem Relais über einen Stromtransformator gespeist. Sobald der Kessel von dem Unterteil abgenommen wird, fließt also auch kein Strom und das Relais fällt sofort ab. Ein erneuter Kochvorgang kann dann auch nur durch einen bewussten Start-Vorgang ausgelöst werden. Der Hilfsstrom-Kreis der Relais-Speisung, des Relais oder des Zeitkreises kann auch mit einer öffnenden Taste oder einem Schalter unterbrochen werden, so dass das Relais abfällt und das Gerät ausgeschaltet wird; mit dem Vorteil, dass die Abschalt-Kontakte im Hilfsstrom-Kreis nicht den Hauptstrom zu tragen haben. Schließlich kann parallel oder in Serie zu dem Schaltrelais eine oder mehrere ebenfalls elektromagnetische Verriegelungseinrichtungen solange und unter den Umständen wirken, wie das Relais eingeschaltet ist. Diese Verriegelungseinrichtungen können ebenso wie das Relais durch den Stromtransformator und über den Gleichrichter gespeist und von einem Zeitkreis in ihrer Wirkung gesteuert werden, wie das Relais. Dadurch kann z. B. bewirkt werden, dass eine Trennung des Heiz-Kessels von seinem Unterteil erst nach Ablauf der vorgegebenen Zeit möglich ist oder z. B. die Tür eines Gerätes kann erst nach einer vorgegebenen Zeit – oder nach der Abschaltung eines Motors oder einer Heizung – geöffnet werden.
Weiterhin ist ein elektrischer Schnappschalter, insbesondere Mikroschalter, mit einer Kontakte tragenden, die einzelnen Schaltstellungen einstellenden Schaltschwinge, mit einer die Schaltschwinge gegen das Haltelager ziehenden Schaltfeder und mit einem stößelartigen, bereichsweise aus dem Gehäuse herausragenden Betätigungsglied aus der DE 44 21 275 C2 , bekannt, wobei im Schaltergehäuse ein mit dem Betätigungsglied zusammenarbeitender mit seinem einen Ende am Gehäuse gelagerter Zwischenhebel vorgesehen ist. Um eine möglichst genaue Führung bei der Bewegung des stößelartigen Betätigungsgliedes zu erhalten, eine kostengünstige Montage des Schnappschalters zu erzielen und auch eine einwandfreie Rückstellung des stößelartigen Betätigungsgliedes nach einer Belastung zu ermöglichen, ist im einzelnen vorgesehen, dass das stößelartige Betätigungsglied fest an dem anderen Ende des Zwischenhebels angeordnet ist und dass das Betätigungsglied bei einer Schaltbewegung unmittelbar an der Schaltfeder angreift. Durch. diese Anordnung wird erreicht, dass das Betätigungsglied bei seiner Bewegung im genauen Abstand von der Lagerstelle des Zwischenhebels liegt und bei der Schaltbewegung durch den Zwischenhebel geführt wird. Zur Lagesicherung der Lagerstelle des Zwischenhebels kann der einschubartige in das Gehäuse einführbare Sockel in seiner Einschubstelle bereichsweise auf wenigstens einer Hülse, insbesondere Metallhülse ruhen. Um einen wasserdichten Schnappschalter zu erlangen, kann die Einschubgehäuseöffnung durch eine Vergussmasse abgedichtet werden.
Um unter Beibehaltung der guten Schaltgenauigkeit und des schlagartigen Umspringens der Kontaktschwinge, die Schaltstellungen sicher und leicht einzustellen, ist in Weiterbildung hierzu aus der DE 195 15 223 A1 ein Schnappschalter bekannt, bei dem das Betätigungsglied um eine Achse schwenkbar gelagert und das zweite Ende der Schaltfeder im Abstand von der Schwenkachse am Betätigungsglied befestigt ist. Bei einer Schaltbewegung des Betätigungsgliedes wird der Befestigungspunkt der Schaltfeder verschwenkt, so dass hierdurch eine Änderung der Wirkungslinie der Feder eintritt und sobald diese Linie den Angriffspunkt der Kontaktschwinge am Haltelager überstreicht, tritt schlagartig die Umschaltung ein, so dass eine sichere und leichte Umschaltung gewährleistet ist. Um den elektrischen Schnappschalter an unterschiedlichen Einsatzorten verwenden zu können, ist die aus dem Gehäuse ragende Verlängerung des Betätigungsgliedes von einem Faltenbalg umschlossen, der seinerseits am Gehäuse festgelegt ist, hierbei ist der Durchtritt der Verlängerung wasserdicht abgeschlossen.
Es sind auch elektrische Schaltgeräte, insbesondere zum Einbau in Haushaltsgeräten, Kraftfahrzeugen oder dergleichen bekannt, welche wenigstens eine mehrere Schaltstellungen einnehmende Kontaktschwinge, die sich mit ihrem einen Ende an einem, Haltelager schwenkbar abstützt und die mit ihrem anderen Ende in wenigstens einer Schaltstellung einen feststehenden Gegenkontakt kontaktiert, eine Schaltfeder, die mit ihrem einen Ende an der Kontaktschwinge befestigt ist und die Kontaktschwinge an dem Haltelager hält und ein Betätigungsglied, das die Feder zur Überführung der Kontaktschwinge in ihre Schaltstellungen bewegt, aufweisen.
Um dieses Schaltgerät so zu gestalten, dass es eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Schaltungsarten beinhaltet und je nach Verwendungszweck das Anbringen mehrere Kontaktschwingen mit Haltelager sowie eine einfache Montage zu ermöglichen, weist ein aus der DE 44 00 772 C2 bekanntes Schaltgerät eine Metallplatte und parallel zu der Metallplatte wenigstens eine Leiterplatte auf. An der Metallplatte ist wenigstens eine Kontaktschwinge mit ihrem Haltelager und der Schaltfeder vorgesehen. Hierbei ist das Haltelager einstückig an der Metallplatte angeformt und das zweite Ende der Schaltfeder ist an der Metallplatte befestigt, während der in einer Schaltstellung mit der Kontaktschwinge in Berührung kommende Gegenkontakt an einer Leiterplatte vorgesehen und mit deren Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden ist. Die Metallplatte gestattet in einer Vormontage die Kontaktschwinge mit ihrem Haltelager und der Schaltfeder an der Metallplatte anzubringen, wobei weiterhin die Metallplatte durch Abbiegungen ermöglicht, das Haltelager selber als Teil der Metallplatte auszubilden. Darüber hinaus können je nach Verwendungszweck des Schaltgerätes unterschiedlich viele Kontaktschwingen mit Haltelager und Schaltfeder angeordnet werden, die über die Metallplatte einen gemeinsamen Stromanschluss haben. Durch die parallele Anordnung der Leiterplatte kann unmittelbar in der zweiten Schaltstellung der Kontaktschwinge, diese mit dem Gegenkontakt an der Leiterplatte in Berührung treten, so dass über Metallplatten und Kontaktschwinge eine Stromzuführung zur Leiterplatte möglich ist. Bei einer Vielzahl von Kontaktschwingen ist es weiterhin möglich, die Stromzuführung beliebig auf die Leiterbahnen der Leiterplatte zu übertragen. Hierbei kann in an sich bekannter Weise die Leiterplatte auf der der Metallplatte zugewandten Seite elektrische und/oder elektronische Bauteile wie Lampen, Widerstände od. dgl. aufnehmen. An einer Stirnseite der Leiterplatte sind die Stromanschlüsse zur Stromversorgung und zu einem zu schaltenden Gerät als gemeinsamer Steckanschluss vorgesehen. Hierdurch kann mittels einfachem Einstecken oder Aufstecken des Schaltgerätes, dieses unmittelbar an einem elektrischen Gerät befestigt werden, so dass dieses über das Schaltgerät bedienbar ist. Weiterhin weist die Leiterplatte eine Lampe, beispielsweise eine Glimmlampe auf, die zu einer parallel zur Metallplatte liegenden Lichtleiterplatte sich erstreckt. Durch diese Maßnahme können über die Lichtleiterplatte viele Abschnitte des Schaltgerätes beleuchtet werden. Die Betätigungsglieder können stößelartig, als Wippenschalter oder als Tast-Schiebeschalter ausgebildet werden. Das erfindungsgemäße Schaltgerät kann auch bei Haushaltsgeräten oder Küchengeräten Verwendung finden, beispielsweise bei Tiefkühlschränken, wobei ein Betätigungsglied generell zur Einschaltung des Kühlschrankes vorgesehen ist, während weitere Schalter betätigbar sind, um die verschiedenen Kühlleistungen des Tiefkühlschrankes anzusteuern.
Weiterhin ist aus dem G 91 12 975.3 ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere Wippenschalter für Haushaltsgeräte bekannt. Um das Schaltgerät so zu gestalten, dass bei einem Stromausfall selbsttätig das Schaltgerät in seine Ausschaltstellung überführt wird, und sicher zu stellen, dass bei einem Wiedereinschalten des Stromes eine erneute Einschaltbewegung des Schaltgerätes erforderlich ist, ist im einzelnen vorgesehen, dass das wippenartige Betätigungsglied in Richtung auf die Ausschaltstellung federnd belastet ist und dass das wippenartige Betätigungsglied in der Einschaltstellung zeitweise zwangsgehaltert ist. Hierzu ist ein elektrischer Haltemagnet vorgesehen, der in der Einschaltstellung zu deren Aufrechterhaltung einem Metallteil gegenüberliegt und in dieser Stellung an ein Stromnetz angeschlossen ist. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass bei eingeschaltetem Gerät über den Haltemagnet zwangsweise das Schaltgerät in seiner Einschaltstellung gehaltert wird. Die federnde Vorspannung des Betätigungsgliedes in Richtung ihrer Ausschaltstellung bewirkt, dass bei Stromabfall und dadurch bedingtem Zusammenbruch des Magnetfeldes das wippenartige Betätigungsglied und damit der Schalter in seine Ausschaltstellung überführt wird. Der Schalter kann ein Stellglied aufweisen, das die Dauer der Einschaltstellung begrenzt. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass bei einem versehentlichen Vergessen des Ausschaltens auch von sich aus das Haushaltsgerät ausgeschaltet werden kann. Die Dauer der Einschaltzeit kann dabei eingestellt werden. Das Stellglied kann als elektronisches Bauteil, vorzugsweise als elektronisches Uhren-IC-Bauteil ausgebildet werden, das sicherstellt, dass nach vorbestimmter Zeit das Stellglied den Strom abschaltet und damit der Schalter in seine Ausschaltstellung überführbar ist. Bei mehreren wippenartigen Betätigungsgliedern ist jedes Betätigungsglied von einem Haltemagneten steuerbar oder eines der Betätigungsglieder ist mit einem Haltemagneten steuerbar, und die anderen Betätigungsglieder sind über eine Kupplung mit dem ersten Betätigungsglied in die Ausschaltstellung überführbar. Bei einem in der Einschaltstellung beleuchteten Betätigungsglied sind die beiden Anschlüsse des elektrischen Haltemagneten parallel zu beiden Lampenanschlüssen geschaltet.
Um ein elektrisches Schaltgerät so zu gestalten, dass die Schaltstellung sicher eingeschaltet bleibt und zur Aufrechterhaltung der Schaltstellung kein Stromverbrauch (Magnet ständig von Strom durchflossen) erfolgt und somit die Brandgefahr vermieden werden kann, ist in Weiterentwicklung hierzu aus der DE 198 02 332 A1 ein Schaltgerät bekannt, bei dem der Magnet als Permanentmagnet ausgebildet ist, dessen Magnetfeld über das Magnetfeld eines Elektromagneten derart beeinflussbar ist, dass der vorgespannt gehaltene bewegliche Kontaktteil beim Aufbau des Magnetfeldes des Elektromagneten in seine andere Schaltstellung überführbar ist. Durch die Wahl eines Permanentmagneten ist es möglich, sicher und einfach eine Schaltstellung aufrecht zu erhalten, ohne dass Strom verbraucht wird. Erst zur Auflösung dieser Schaltstellung wird der Elektromagnet eingeschaltet, um das Magnetfeld des Permanentmagneten so zu überlagern, dass die vorgespannte Schaltstellung wieder einstellbar ist. Weiterhin ist vorgesehen, den Elektromagnet zur Erzeugung des Magnetfeldes kurzzeitig mit einem Stromimpuls zu belasten, welcher mit einer Steuerelektronik erzeugbar ist. Es ist vorteilhaft, bei eingeschaltetem Schaltgerät und darauf fölgender Anlegung einer Spannung durch den von der Steuerelektronik erzeugten Impuls am Elektromagneten das Schaltgerät in seine Ausschaltstellung überzuführen, so dass das zu steuernde Elektrogerät, beispielsweise eine Kaffeemaschine, selber wieder vom Stromnetz getrennt wird. Weiterhin ist vorgesehen, über ein Zeitglied in der Steuerelektronik nach Erreichen einer vorbestimmten Zeit einen Abschaltimpuls am Elektromagneten zu erzeugen. Durch diesen Abschaltimpuls wird sichergestellt, dass das elektrische mit dem Schaltgerät versehene Gerät abschaltbar ist und nicht unbeabsichtigt lange an das Stromnetz angeschlossen bleibt. Die Steuerelektronik hat zwei Aufgaben, und zwar zum einen, einen Impuls zu erzeugen, wenn eine Spannung an den Schalter gelegt wird, und zum anderen nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit oder anderer Bedingungen, einen weiteren Impuls abzugeben, der den Schalter in seine Ausgangsstellung überführt. Die Steuerelektronik kann diskret aufgebaut werden, wobei diese im wesentlichen auf einer Leiterplatte angeordnet ist, oder durch einen IC oder einen Prozessor gebildet sein.
Um ein unbeabsichtigtes Ausschalten des Netzschalters bei einem Kühlgerät zu vermeiden, ist es aus der DE 195 05 173 C2 bekannt, dass ein dem Netzschalter zugeordnetes Sicherungsglied, dem ein manuell zu betätigendes Betätigungselement zugeordnet ist, vorhanden ist und dass das Sicherungsglied bei geschlossenem Netzschalter und somit eingeschaltetem Kühlgerät nach Betätigung des Betätigungselementes den Netzschalter nur dann öffnet und dadurch das Kühlgerät ausschaltet, nachdem das Betätigungselement über eine vorgegebene Zeitspanne hinweg ohne Unterbrechung betätigt wurde. Der Vorgang der Ausschaltzeitverzögerung läuft nur ab, solange das als Auslöseglied ausgestaltete Betätigungselement manuell betätigt ist. Dabei ist es zweckmäßig, bei Ablauf des wählbaren oder vorbestimmten Zeitverzögerungswertes diesen Ablauf akustisch und/oder optisch zu signalisieren, um auf den eingeleiteten Ausschaltvorgang aufmerksam zu machen. Die Steuerung des Ablaufs der Zeitverzögerungszeit wird vorzugsweise durch einen Mikroprozessor vorgenommen, der die entsprechenden Anzeigeelemente in Abhängigkeit von der Betätigung des Tastschalters steuert. Dabei ist es zweckmäßig, den Status des Gerätes in einem Speicher abzuspeichern, insbesondere in einem EEPROM, das zu Kundendienstzwecken abgefragt werden kann. Die Anzeige des Zeitverzögerungswertes kann hierbei auch im Wechsel mit einer Temperaturanzeige im gleichen Display und mittels der gleichen Anzeigeelemente vorgenommen werden. Die Einrichtung zur zeitverzögerten Abschaltung kann ein Element enthalten, das nach Art eines monostabilen Flip-Flop oder eines R-C-gesteuerten Schmitt-Trigger aufgebaut ist. Dabei ist es zweckmäßig, den Tastschalter gleichzeitig für die Wiedereinschaltung des Versorgungsstromkreises zu nutzen, wobei die Einschaltung ohne Zeitverzögerung erfolgt. Soll jedoch auch das unbeabsichtigte Einschalten nur unter Zusatzbedingungen möglich sein, kann auch der Einschaltvorgang analog dem Ausschaltvorgang mit entsprechenden Einrichtungen gesteuert werden Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind für unterschiedliche Anwendungsfälle entsprechend ausgestaltete Schalter oder Schaltgeräte mit oder ohne Zeitverzögerung bekannt. In der Regel erfordern jedoch die bekannten Schalter eine aufwendige mechanische Konstruktion, insbesondere wenn eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Schaltungsarten ermöglicht werden soll. Durch eine Steuerelektronik kann zwar eine Anpassung des Ein- oder Ausschaltens für den jeweiligen Anwendungsfall vorgenommen werden. Dabei wird aber nicht beachtet, dass häufig auch eine Steuerung des Laststroms durch den elektrischen Verbraucher erforderlich ist. Da eine solche Steuerung von großem Nutzen ist und diese einen hohen zusätzlichen kostenmäßigen Aufwand erfordert, konnten bisher die Anforderungen hinsichtlich Schalt- und Steuerungsfunktionen nicht kostengünstig realisiert werden. Besonders bedeutsam ist dies, weil sowohl die Haushaltsgeräte-Industrie als auch die Automobilindustrie als äußerst fortschrittliche, entwicklungsfreudige Industrien anzusehen sind, die sehr schnell Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreifen und in die Tat umsetzen.
Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten Schaltern bzw. Schaltgeräten die Aufgabe zugrunde, ein Modul zur Zeit- und/oder Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers derart auszugestalten, dass dieses an eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Schaltungsarten anpassbar ist und den Benutzer ein einfaches Bedienen und/oder Steuern ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Modul zur Zeit- und/oder Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers,

– mit einem auf einer Leiterplatte angeordneten Netzteil,
– mit einer mit dem Netzteil verbundenen Steuereinrichtung,
– mit mindestens einem mit dem Netzteil verbundenen Leistungsschalter oder Relais, welches mit der Steuereinrichtung in Verbindung steht,
– mit mindestens einem mit der Steuereinrichtung verbundenen Eingabemittel und
– mit Anschlusskontakten für die Netzspannung und einem getakteten oder geschalteten Anschlusskontakt für den Verbraucher,

Das erfindungsgemäße Modul weist den Vorteil auf, dass auf überraschend einfache und kostengünstige Art und Weise das Modul an die verschiedenartigsten Anwendungsfälle angepasst werden kann. Das Modul ist einfach zu bedienen und kann vom Benutzer entsprechend den jeweiligen Anforderungen oder Funktionen eingestellt/programmiert werden. Durch das Netzteil-on-board kann der Energieverbrauch des Moduls optimiert werden. Hinzu kommt, dass in folge der Trennung in Schwachstrom- und Lastkreis eine Anpassung hinsichtlich der Anforderungen, welche Last geschaltet oder gesteuert werden soll, vorgenommen werden kann. Dadurch, dass eine optische Signalisierung am Modul erfolgt, ist der Benutzer stets über den aktuellen Betriebszustand oder über die durch die Eingabe bewirkte Einstellung und/oder Funktion informiert. Weiterhin ist es durchaus möglich, dass die Steuereinrichtung Teilaufgaben einer übergeordneten Steuerung übernimmt, wobei zur Kommunikation eine netzgebundene Übertragungstechnik, insbesondere über das 230V/50Hz-Stromversorgungsnetz (oder ein anderes, z.B. 110V/60Hz-Netz), eingesetzt werden kann. Schließlich weist das erfindungsgemäße Modul den Vorteil auf, dass durch die Steuerung nach Maßgabe der Anzahl und Zeitdauer von Betätigungen, quasi eine doppelte Anzahl von verschiedenartigen Steuerbefehlen zur Verfügung steht. Beispielsweise ist es möglich, durch eine entsprechend lange Betätigung die Steuereinrichtung auf die Funktion „Kindersicherung" einzustellen und durch einen nachfolgenden Befehl (mehrfache kurze Tastenbetätigung) die Kindersicherung nach einer bestimmten Zeitdauer wieder aufzuheben.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 2, das Netzteil als kapazitives oder ohmsches Netzteil ausgestaltet.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass je nach Anforderung hinsichtlich Last/Laststrom das Netzteil aufgebaut werden kann. Der Stromverbrauch infolge der Spannungsversorgung für die Steuereinrichtung ist zu vernachlässigen.
In Weiterbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 4, als Eingabemittel ein Taster oder ein Leiterbahnen der Leiterplatte überbrückendes Kontaktteil vorgesehen und auf der Leiterplatte sind die Anschlusskontakte angeordnet.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass dem Benutzer bei. Tasterbetätigung das Schließen der Kontakte auch akustisch signalisiert werden. Durch die Anordnung der Anschlusskontakte auf der Leiterplatte oder Benutzung des Kontaktteils als Eingabemittel wird eine einfache Montage und ein kompakter Aufbau des Moduls ermöglicht.
Vorzugsweise ist, gemäß Patentanspruch 5, zwischen Steuereinrichtung und Relais ein elektrischer Schalter angeordnet.
Hierdurch kann eine exakte Steuerung auch bei Verwendung unterschiedlicher Relais erfolgen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 6, als Anzeige mindestens eine Leuchtdiode vorgesehen, welche in Serie zum von der Steuereinrichtung getakteten Relais liegt und in den Impulspausen speist die magnetische Feldenergie der Relaisspule über eine zur Serienschaltung parallel angeordnete Freilaufdiode die Leuchtdiode.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Leuchtdiode auch in Impulspausen für eine begrenzte Zeit weiter leuchtet.
In Weiterbildung der Erfindung sind, gemäß Patentanspruch 8, auf der Leiterplatte zwei Eingabemittel angeordnet und die Leiterplatte trägt ein an diese angreifendes Betätigungsglied. Weiterhin ist, gemäß Patentanspruch 9, das Betätigungsglied ein federelastischer, im wesentlicher T-förmiger Hohlkörper, zur wahlweisen Betätigung der im Bereich der gegenüberliegenden Enden angeordneten Eingabemittel.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist die Vorteile auf, dass die Eingabemittel als Anschlag für das Betätigungsglied wirken und dass durch die federelastische Ausgestaltung, die Betätigungskräfte weitgehend kompensiert . werden und beim Loslassen eine automatische Rückstellung in die Ausgangslage erfolgt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verrastet, gemäß Patentanspruch 12, das Betätigungsglied federelastisch in der Leiterplatte und bei einer Betätigung in Richtung der axialen Erstreckung des Schafts wird ein weiteres Eingabemittel betätigt oder es werden gleichzeitig die beiden Eingabemittel betätigt.
Durch die federelastische Ausgestaltung können auf einfache Art und Weise Sonderfunktionen aktiviert werden, welche sich auch durch die Bedienung von den üblichen Funktionen unterscheiden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
1 eine bevorzugte Ausführungsform für die elektrische Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Moduls,
2 den zeitlichen Verlauf für die impulsförmige Ansteuerung eines Relais,
3a und 3b den Stromfluss für „Transistor leitend" und „Transistor gesperrt",
4a und 4b eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls in der Draufsicht und in der Seitenansicht,
5 eine Ausführungsform mit Leiterplatte und Tochterleiterplatte und
6 eine Ausführungsform für ein kapazitives Netzteil.
Eine bevorzugte Ausführungsform für die elektrische Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Moduls zur Zeit- und/oder Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers ist in 1 dargestellt. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weist das Modul ein auf einer Leiterplatte LP angeordnetes ohmsches Netzteil (D1, R1, C1, D2, C2, D3, R2) auf, während in 6 eine Ausführungsform für ein kapazitives Netzteil (D1, D6, C3, R1, R2 sowie D2/C1 und D3/C2) dargestellt ist. Mit dem Netzteil sind eine Steuereinrichtung MCU sowie Leistungsschalter oder Relais REL verbunden, welches mit der Steuereinrichtung MCU in Verbindung steht. Weiterhin sind mindestens ein mit der Steuereinrichtung MCU verbundenes Eingabemittel S1 sowie Anschlusskontakte K1, K2 für die Netzspannung und ein getakteter oder geschalteter Anschlusskontakt K3 für den Verbraucher vorgesehen. Die Steuereinrichtung MCU steuert die zeitlichen Abläufe und/oder den Laststrom durch den Verbraucher nach Maßgabe der Anzahl und/oder Zeitdauer von Betätigungen des Eingabemittels S1 und signalisiert den aktuellen Betriebzustand an einer Anzeige D4 optisch.
Zwischen Steuereinrichtung MCU und Relais REL ist ein elektrischer Schalter, vorzugsweise ein Transistor T1, angeordnet, wobei an der Basis des Transistors T1 ein ohmscher Spannungsteiler R3, R4 anliegt. Als Anzeige ist mindestens eine Leuchtdiode D4 vorgesehen, welche in Serie zum von der Steuereinrichtung MCU getakteten Relais REL liegt und wobei in den Impulspausen die magnetische Feldenergie der Relaisspule über eine zur Serienschaltung parallel angeordnete Freilaufdiode D5 die Leuchtdiode D4 speist. Als Eingabemittel ist ein Taster S1 oder ein Leiterbahnen der Leiterplatte LP überbrückendes Kontaktteil vorgesehen und auf der Leiterplatte LP sind die Anschlusskontakte K1, K2, K3 angeordnet.
Wie 4a und 4b aufzeigen, können auf der Leiterplatte LP zwei Eingabemittel S1, S2 angeordnet werden und die Leiterplatte LP trägt ein an diese angreifendes Betätigungsglied W. Das Betätigungsglied ist vorzugsweise ein federelastischer, im wesentlicher T-förmiger Hohlkörper W, welcher zur wahlweisen Betätigung der im Bereich der gegenüberliegenden Enden angeordneten Eingabemittel S1, S2 dient. Die Leuchtdiode D4 kann vorzugsweise im Bereich des Schafts des Hohlkörpers W angeordnet werden. In besonderer Ausgestaltung ist der Hohlkörper W im Schaftbereich durchsichtig und durch die Steuereinrichtung MCU ist die Anzeige mehrfarbig und/oder blinkend ansteuerbar. Vorzugsweise verrastet das Betätigungsglied W federelastisch in der Leiterplatte LP und bei einer Betätigung in Richtung der axialen Erstreckung des Schafts wird ein weiteres Eingabemittel betätigt oder es werden gleichzeitig die beiden Eingabemittel S1, S2 betätigt.
Bei der in 5 dargestellten Ausgestaltung ist das Betätigungsglied W auf einer Tochterleiterplatte TLP angeordnet. Das Modul selber kann bei allen in den 1 bis 6 dargestellten Ausgestaltungen ein Gehäuse aufweisen.
Das in 1 dargestellte ohmsche Netzteil wird aus den Elementen D1, R1, R2 sowie D2/C1 und D3/C2 gebildet. Die Diode D3 stellt die stabilisierte Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung MCU bereit; diese Spannung wird durch den Kondensator C2 geglättet. Die Diode D2 erzeugt eine mit dem Kondensator C1 geglättete Spannung, die

– als Versorgungsspannung für das Relais REL dient und
– zusammen mit der Spannung über der Diode D3 die Verlustleistung der Widerstände R1 und R2 so minimiert, dass dort Widerstände kleiner Leistung verwendet werden können.

Aufgrund der Netzteilstruktur greift der beim Schalten des Relais REL durch dessen Stromaufnahme auftretende Spannungseinbruch nicht auf die Spannung über die Diode D3 durch, da der Strom des Relais REL ebenfalls durch die Diode D3 fließt.
Das in 6 dargestellte kapazitive Netzteil wird aus den Elementen D1, D6, C3, R1, R2 sowie D2/C1 und D3/C2 gebildet, wobei die Diode D6 der Entladung des als Vorwiderstand wirkenden Kondensators C3 dient. Die Diode D3 stellt die stabilisierte Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung MCU bereit, geglättet durch den Kondensator C2. Die Diode D2 erzeugt eine mit dem Kondensator C1 geglätte Spannung, die

– als Versorgungsspannung für das Relais REL dient und
– zusammen mit der Spannung über der Diode D3 die Kapazität vom Kondensator C3 so minimiert, dass dort ein kleiner kostengünstiger Kondensator verwendet werden kann.

Aufgrund der Netzteilstruktur greift der beim Schalten des Relais REL durch dessen Stromaufnahme auftretende Spannungseinbruch nicht auf die Spannung über der Diode D3 durch, da der Strom des Relais ebenfalls durch die Diode D3 fließt. Dieses Netzteil findet insbesondere Anwendung bei hohen Netzspannungen (z.B. 230VAC).
Die Steuereinrichtung MCU überwacht die durch Tastenbetätigung spezifizierten zeitlichen Abläufe, z.B.

– Einschalten des Verbrauchers für 120min nach Betätigung von START
– Tastung des Verbrauchers (30sec an/30sec aus) für 120min nach Betätigung von START
– Tastung des Verbrauchers (30sec an/30sec aus) für 10min nach erster Betätigung von START und dauerhaftes Einschalten des Verbrauchers für 10min nach zweiter Betätigung von START (innerhalb von z.B. 2sec) und schaltet den Verbraucher über die Schaltstufe (Relais) entsprechend.

Das Relais wird, wie in 2 dargestellt, impulsförmig angesteuert. Nach Aktivierung des Relais REL wird dieses zunächst für die Zeit t_ON (z.B. 10ms) eingeschaltet, um ein sicheres Schließen des Relaiskontaktes zu gewährleistet; diese Zeit muss größer sein als die mechanische Anzugszeit des Relais REL. Nach Ablauf von t_ON wird das Relais REL impulsförmig für die Zeit t_ASO eingeschaltet, wobei Frequenz und Tastverhältnis geeignet hinsichtlich Haltevermögen, Spannung über der Diode D2 und Strom gewählt werden müssen (z.B. 1 kHz, 1:2). Die Taktung ermöglicht den Betrieb des Relais REL an einer wesentlich höheren Spannung als die nominale Betriebsspannung (100%) mit einem mittleren Relaisstrom, der kleiner oder gleich des Nennstromes des Relais REL ist. Hierdurch wird die Verlustleistung des ohmschen Netzteiles minimiert.
Bei – wie in 3a dargestellt – leitendem Transistor T1 fließt der für die Betätigung des Relaiskontaktes erforderliche Spulenstrom ebenfalls durch die Leuchtdiode D4. Der Spulenstrom wird begrenzt durch

1. Max. zulässigem Spulenstrom bei gegebener Taktfrequenz und gegebenem Tastverhältnis
2. Max. zulässigem Leuchtdiodenstrom bei gegebener Taktfrequenz und gegebenem Tastverhältnis
3. Umgebungstemperatur und Selbsterwärmung der Leuchtdiode bei gegebener Taktfrequenz und gegebenem Tastverhältnis

Bei gesperrtem Transistor T1 (siehe 3b) wird – wenn der Transistor T1 zuvor leitend war – gemäß Induktionsgesetz die magnetische Feldenergie der Relaisspule in Form eines Stromes durch die Diode D5 und die Leuchtdiode D4 abgebaut; strombegrenzend wirkt hierbei der Innenwiderstand der Spule. Hierdurch wird erreicht, dass die Leuchtdiode D4 auch in Impulspausen für eine begrenzte Zeit weiter leuchtet.
Das erfindungsgemäße Modul eignet sich vorzugsweise zum Einbau in Haushaltsgeräten, Kraftfahrzeugen, Klimaanlagen oder dergleichen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann auch eine Sicherheitsschaltung für den elektrischen Verbraucher, z. B. in Form eines elektrischen Bügeleisens, oder eine Kindersicherung (beispielsweise für Haushaltsgefrier- und kühlgeräte) realisiert werden. Von besonderem Vorteil sind die vielfältigen Möglichkeit der bedienungsfreundlichen Zeit- und Leistungssteuerung, beispielsweise der Einstellung der Warmhaltezeit oder Tassenzahl bei einem Kaffeeautomaten, oder die Einstellung der Temperatur bei einem Bügeleisen, wobei hier insbesondere ein sonst erforderlicher Temperaturregler entfallen kann. Durch die optische Signalisierung wird der Bedienungskomfort weiter verbessert; gleiches wird durch eine hörbare Tastung (Verrastung) erzielt. Weiterhin ist von Vorteil, dass durch die kompakte Bauweise der Einbauraum gering ist und das Modul auch die einfachen Abdichtung ermöglicht (lediglich die Anschlusskontakte sind aus dem Gehäuse des Moduls nach außen zu führen). Insbesondere kann das Modul auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen, beispielsweise in der Fertigung oder im Untertagebau, eingesetzt werden. Schließlich kann die Steuereinrichtung auch zur Steuerung mehrerer Leistungsschalter oder Relais benutzt werden und kann auch in einen Installationsbus (einschließlich der Funktionen: Messen, Überwachen, Fernsteuern und Kommunikation, wobei die Daten und Werte dann über das Stromnetz als PowerLine-Signale zu einem zentralen Steuer- und Verarbeitungssystem transportiert und dort ausgewertet werden; somit ist dann z.B. die Kontrolle bzw. Steuerung der Energiequalität und/oder die Energieverrechnung möglich) eingefügt werden.
Alle dargestellten und beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten, sowie alle in der Beschreibung und/oder der Zeichnung offenbarten neuen Einzelmerkmale und ihre Kombination untereinander, sind erfindungswesentlich. Beispielsweise können berührungssensitive Eingabemittel oder kombinierte Eingabe-/Anzeigemittel oder eine vierfach Schaltwippe mit Anordnung der Anzeigemittel an den Kreuzenden eingesetzt werden u.a.

Claims

Modul zur Zeit- und/oder Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers, – mit einem auf einer Leiterplatte (LP) angeordneten Netzteil (D1, R1, C1, D2, C2, D3, R2), – mit einer mit dem Netzteil (D1, R1, C1, D2, C2, D3, R2) verbundenen Steuereinrichtung (MCU), – mit mindestens einem mit dem Netzteil (D1, R1, C1, D2, C2, D3, R2) verbundenen Leistungsschalter oder Relais (REL), welches mit der Steuereinrichtung (MCU) in Verbindung steht, – mit mindestens einem mit der Steuereinrichtung (MCU) verbundenen Eingabemittel (S1) und – mit Anschlusskontakten (K1, K2) für die Netzspannung und einem getakteten oder geschalteten Anschlusskontakt (K3) für den Verbraucher, derart, dass die Steuereinrichtung (MCU) die zeitlichen Abläufe und/oder den Laststrom durch den Verbraucher nach Maßgabe der Anzahl und/oder Zeitdauer von Betätigungen des Eingabemittels (S1) steuert und den aktuellen Betriebzustand an einer Anzeige (D4) optisch signalisiert.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil als kapazitives oder ohmsches Netzteil (D1, R1, C1, D2, C2, D3, R2) ausgestaltet ist.
Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ohmsche Netzteil aus Gleichrichter (D1), Vorwiderständen (R1, R2) und in Serie liegenden Dioden (D2, D3) sowie hierzu parallel geschalteten Kondensatoren (C1, C2) aufgebaut ist, wobei die stabilisierte Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung (MCU) und das Relais (REL) an den beiden Dioden (D2, D3) abgreifbar ist.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingabemittel (S1) ein Taster (S1) oder ein Leiterbahnen der Leiterplatte (LP) überbrückendes Kontaktteil vorgesehen ist und dass auf der Leiterplatte (LP) die Anschlusskontakte (K1, K2, K3) angeordnet sind.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Steuereinrichtung (MCU) und Relais (REL) ein elektrischer Schalter (T1) angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 1 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Anzeige mindestens eine Leuchtdiode (D4) vorgesehen ist, welche in Serie zum von der Steuereinrichtung (MCU) getakteten Relais (REL) liegt und dass in den Impulspausen die magnetische Feldenergie der Relaisspule über eine zur Serienschaltung parallel angeordnete Freilaufdiode (D5) die Leuchtdiode (D4) speist.
Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrischer Schalter ein Transistor (T1) benutzt wird und dass an der Basis des Transistors (T1) ein Spannungsteiler (R3, R4) angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (LP) zwei Eingabemittel (S1, S2) angeordnet sind und dass die Leiterplatte (LP) ein an diese angreifendes Betätigungsglied (W) trägt.
Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsglied ein federelastischer, im wesentlicher T-förmiger Hohlkörper (W) ist, zur wahlweisen Betätigung der im Bereich der gegenüberliegenden Enden angeordneten Eingabemittel (S1, S2).
Modul nach Anspruch 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (D4) im Bereich des Schafts des Hohlkörpers (W) angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (W) im Schaftbereich durchsichtig ist und dass durch die Steuereinrichtung (MCU) die Anzeige mehrfarbig und/oder blinkend ansteuerbar ist.
Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsglied (W) federelastisch in der Leiterplatte (LP) verrastet ist und dass bei einer Betätigung in Richtung der axialen Erstreckung des Schafts ein weiteres Eingabemittel betätigt wird oder gleichzeitig die beiden Eingabemittel (S1, S2) betätigt werden.
Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsglied (W) auf einer Tochterleiterplatte (TLP) angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet; dass das kapazitive Netzteil (D1, D6, C3, R1, R2 sowie D2/C1 und D3/C2) eine Diode (D6) zur Entladung eines als Vorwiderstand wirkenden Kondensators (C3) aufweist und wobei die stabilisierte Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung (MCU) und für das Relais (REL) an zwei in Serie liegenden Dioden (D2, D3) mit zur Glättung parallel geschalteten Kondensatoren (C1, C2) abgreifbar ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Anordnung in einem Gehäuse.