DE19616066A1 - Verfahren zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern - Google Patents

Verfahren zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern

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Description

Elektrische Verbraucher werden einzeln oder in Gruppen jeweils an einer Verteiler-Stelle durch den Benutzer eingeschaltet.
Eine solche Verteiler-Stelle ist z. B. in der Installationstechnik ein Schalter - oder eine Gruppe von Schaltern.
Durch jeweils einen Schalter wird eine durch die Verdrahtung fest­ gelegte Leuchte, oder eine festgelegte Gruppe von Leuchten oder Verbrauchern eingeschaltet.
Die einmal getroffene Zuordnung der oder des Schalters zu der je­ weiligen Leuchte oder Leuchten-Gruppe oder den Verbrauchern ist nur durch bauliche Maßnahmen zu verändern.
Soll z. B. nachträglich an der Stelle einer einflammigen Leuchte eine mehrflammige Beleuchtung eingesetzt werden, so kann diese mehrflammige Beleuchtung von dem vorhandenen Schalter nur insge­ samt ein- oder ausgeschaltet werden.
Häufig besteht aber der Wunsch, die vorhandenen Einzel-Lampen der mehrflammigen Leuchte auch einzeln oder in Gruppen ein- oder auszuschalten, oder diese mit veränderter Helligkeit brennen zu lassen.
Wird beispielsweise an dem Einzel-Anschluß nachträglich eine Strom­ schiene mit mehreren Stromkreisen angeschlossen, so sind bisher nur alle Steuerkreise gleichzeitig zu schalten.
Durch das vorliegende Verfahren kann die wahlweise Verteilung der Leistung auf die einzelnen Verbraucher ohne Änderung der vorhande­ nen Installation erfolgen und jeder der Verbraucher kann mit einem Teil der Nenn-Last betrieben werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Schaltgerät als Ver­ teiler für 1 bis n Verbraucher eingesetzt.
Die Verbraucher werden - je nach Festlegung - bei einem Steuer-Befehl nacheinander oder addierend zu- oder abgeschaltet.
Die Anzahl der Verbraucher, die "bedient" werden können, ist dabei nicht begrenzt.
Durch die später beschriebene Art der Befehlsgebung haben sich aber 2-4 Schalt-Stufen als zweckmäßig erwiesen.
Pro Schalt-Stufe werden jeweils ein oder mehrere Verbraucher gleich­ zeitig durch ein Schaltorgan ein- oder ausgeschaltet.
Die Schaltorgane sind unter Berücksichtigung der jeweiligen Anwen­ dung entweder Halbleiter-Schalter: Triac, Thyristor, MOS-Schalter usw. oder elektromechanische Schaltelemente: Relais, Schütz, Thermo-Relais.
Die Steuerung der Schaltorgane erfolgt durch eine logische Schaltung, die aus elektronischen Einzel-Elementen oder als Microcontroller oder Microprocessor oder kundenspezifischer Schaltkreis ausgebildet sein können.
Basis der steuernden Schaltkreise ist ein Zähler mit einer Anzahl von Stufen, die aber der Anzahl von Verbrauchern nicht entsprechen muß.
Der Zählerstand (Binär 1) steuert im einfachsten Fall jeweils ein Schaltorgan an.
Eine pulsformer-Stufe erzeugt bei Anlegen der Arbeitsspannung, z. B. bei Einschalten des Netzes einen Puls, der den Zählerstand verändert.
Ein Energiespeicher, z. B. ein Elektrolyt-Kondensator, hält den letzten zählerstand für eine Zeit aufrecht, selbst wenn die Strom­ zufuhr unterbrochen wird.
Erfolgt in diesem Zeitraum schnell genug eine Wiedereinschaltung, so kommt ein Zählvorgang zustanden.
Verstreicht die Zeit, ohne daß die Spannung wieder eingeschaltet wird, so setzt sich der Zähler in seinen Ausgangszustand zurück; oder ein nichtflüchtiger Speicher hält den zuletzt erreichten Zählerzustand bis zur nächsten Anwendung.
Der Startzustand ist frei festlegbar und muß nicht unbedingt für alle Ausgänge "0" bedeuten. Vielmehr sind eine beliebige Anzahl von Schalt-Mustern im Startzustand und in den Folgeschritten aus einer beliebigen Anzahl von Zähler-Zuständen durch den Einsatz von zusätzlichen logischen Verknüpfungen decodierbar.
Es ist auch möglich, den Startzustand aus dem Inhalt eines nicht­ flüchtigen Speichers, der den zuletzt erreichten zählerstand aus der Vorbenutzung festhält, abzuleiten.
Wird das bisher beschriebene Verfahren netz-synchron angewendet, so müssen die Schaltorgane alle 10 ms einen neuen Steuerbefehl erhalten.
Wird z. B. jeweils im Nulldurchgang des sinusförmigen 50 Hz Spannungsverlaufes ein Verbraucher eingeschaltet und zu einem vom Zähler festgelegten Zeitpunkt innerhalb der 10 ms der Halbperiode wieder ausgeschaltet, so arbeitet das Schaltgerät als Phasenab­ schnitt-Dimmer.
Wird hingegen zu einem beliebigen Zeitpunkt - abhängig vom Zähler­ stand - das Schaltorgan ein- und im Nulldurchgang des Stromes ausgeschaltet, so arbeitet das Schaltgerät als Phasenanschnitt-Steuerung.
Eine weitere Möglichkeit, elektrische Verbraucher, z. B. Heizer mit veränderbarer Leistung zu betreiben, besteht darin, dieses Schalt­ organ im Nulldurchgang der Spannung einzuschalten und erst nach einigen Perioden auszuschalten, so daß eine Pulsgruppen-Steuerung entsteht.
Das Ein- Auszeit-Verhältnis kann wiederum vom Zählerstand des Steuergerätes abhängig sein.
Die Bauform des Schalt-Gerätes kann der zu bewältigenden Schalt­ leistung angepaßt sein und eine kleine zweiflammige Leuchte als Einbauteil steuern, oder ganze mehrphasige Schienen-Systeme um­ schalten und in einen Installationskasten eingebaut sein.
In Fig. 1 ist als Blockschaltbild ein Schaltgerät dargestellt.
Um das Verfahren zu erklären, sind Funktionsblöcke gebildet worden. Diese Funktionsblöcke können in einer konkreten Anwendung zusammen­ gefaßt sein zu einem Microcontroller oder einem Microprocessor. Auch andere Halbleiter-Schaltungen sind denkbar, z. B. kundenspezi­ fische integrierte Schaltkreise, die die Aufgaben der gezeigten Funktionsblöcke ausführen.
In der Darstellung bedeutet:
  • 1.1 und 1.2 die Anschlüsse zur Stromversorgung - in einem konkreten Beispiel sind dies die Verbindungen zum Netz - üb­ licherweise mit P und N bezeichnet.
Pos. 2 stellt einen Schalter dar - in dem Beispiel einen Netz-Schalter zum Einschalten der Verbraucher einer Leuchte 3 mit den Leuchtmitteln 1 bis n. Diese Leuchtmittel sind allgemeiner Art dargestellt. Leuchtmittel 1 entspricht 3.1 - Leuchtmittel 2 entspricht 3.2 und Leuchtmittel n entsprechend 3.3.
In der konkreten Ausführung spielt die Konstruktion der Leucht­ mittel keine Rolle. Leuchtmittel können beispielsweise - einzeln oder in Gruppen - Glühbirnen, Halogenlampen, Neon-Lampen, Nieder­ volt-Lampen oder ähnliche sein. In anderen Anwendungen können statt der Leuchtmittel auch andere elektrische Verbraucher angesteuert werden, Beispiele dafür sind mehrstufige oder mehrteilige Heiz­ körper.
Die Bauteile 4.1, 4.2 und 4.4 stellen elektronische Schalt­ organe dar, die durchaus auch elektromechanischer Natur - z. B. ein Relais - sein können.
Die Schaltorgane verbinden, wenn Sie angesteuert werden, die Ver­ braucher mit der Stromversorgung - im Beispiel mit der Netz­ spannung 1.1 - 1.2.
Die Ansteuerung der Schaltorgane wird durch Schaltbefehle aus dem elektronischen Schaltkreis 5 bewirkt.
Der Schaltkreis besteht aus einem Decoder 5.1 der aus binären Eingangsmustern einen Schalt-Zustand an einem oder mehreren Schalt­ organgen 4.1 bis 4.4 bewirkt.
Die Eingangsmuster für den Decoder 5.1 werden von dem Zähler-Baustein 5.2 bereitgestellt.
Der Zähler wird durch einen Pulsgeber 5.3 fortgeschaltet.
Durch den Spannungsteiler aus 2.1 und 2.2 wird die Information über den Schaltzustand des Schalters 2 in den Pulsgeber 5.3 eingespeist.
Bei jedem erneuten Ein-Schalten des Stromes durch den Schalter 2 wird ein Puls erzeugt, der den Zähler 5.2 um eine Stufe weiter­ schaltet.
Die Stromversorgung für den logischen Baustein 5 ist hier durch eine Diode 6.1 - eine Zener-Diode 6.2 - einen Vor-Widerstand 6.3 und als Energie-Speicher einen Elektrolyt-Kondensator 6.4 dargestellt. Andere Kombinationen zur Erzeugung einer angemessenen Betriebsspannung sind möglich.
Ein Funktionsablauf des Verfahrens wird anhand der beschriebenen Figur beispielsweise durchgeführt.
Das Steuer-Gerät sei an den Punkten 1.1 und 1.2 mit dem Netz verbunden. Der Schalter 2 wird von dem Benutzer eingeschaltet, dadurch lädt sich der Kondensator 6.4 bis zur Spannungsgrenze, die durch die Zener-Diode 6.2 gegeben ist, auf. Die so bereitge­ stellte Spannung versorgt den Schaltkreis 5. Der darin enthaltene Zähler 5.2 hat den Zählerstand 0 - der Decoder 5.1 kann an allen Ausgängen jetzt kein Signal, ein Signal oder eine be­ liebige Kombination von Ein- oder Ausschalt-Zuständen zeigen.
Über den Spannungsteiler 2.1 und 2.2 erhält der Pulsgeber eine Spannungsinformation, sobald der Schalter 2 geschlossen wurde.
Der Pulsgeber 5.3 erzeugt im Moment des Einschaltens einen hin­ reichend langen Puls, so daß der Zähler 5.2 um eine Stufe weiter zählt.
Der erreichte Zählerstand wird in dem Decoder zu einem vorherbe­ stimmten Schalt-Muster an den Ausgängen umgesetzt. Der Einfachheit­ halber sei in dem erläuternden Beispiel der Ausgang der das Schalt­ organ 4.1 steuert auf EIN gesetzt, also wird der Verbraucher 3.1 eingeschaltet. Erfolgt keine weitere Betätigung des Schalters 2 so bleibt dieser Schaltzustand erhalten und in dem Beispiel leuchtet der Verbraucher 3.1.
Wird hingegen der Schalter 2 kurz aus- oder wieder eingeschaltet, und ist die Ausschaltlücke so kurz, daß die Spannung am Kondensator 64 ausreicht, den Zählerzustand zu halten, so wird im Moment in dem der Schalter 2 erneut eingeschaltet wird, der Zähler 5.2 um eine Stufe weitergeschaltet und im Decoder 5.1 ist vorherbe­ stimmt worden, daß entweder der Verbraucher 3.1 ausgeschaltet und Verbraucher 3.2 eingeschaltet wird - oder in einem anderen Beispiel die Verbraucher 3.1 und 3.2 jetzt gleichzeitig einge­ schaltet sind.
Die Anzahl n der Schalt-Stufen und der Schalt-Kombination, in Relation zum jeweiligen Zähler-Zustand, sind beliebig festlegbar.
Fällt eine Schalt-Pause länger als die konstruktive Entlade-Frist des Kondensators 6.4 aus und hat sich die Spannung des Konden­ sators bis unter eine gewisse Schwelle entladen, so wird durch diesen Spannungseinbruch sowohl der Zähler und dadurch der Decoder rückgesetzt, so daß der Benutzer nach dieser Frist und bei einem späteren erneuten Einschalten wieder den Ausgangszustand vorfindet - in dem Beispiel wird wieder der Verbraucher 3.1 eingeschaltet.
In einer anderen Variante des Verfahrens werden die Ein- und Aus­ schalt-Zeitpunkte für einen oder alle Verbraucher netz-synchron entschieden, so daß beim ersten Einschalten der Verbraucher 3.1 über das Schaltorgan 4.1 eingeschaltet wird; beim erneuten Be­ tätigen des Schalters 2 - Aus - Ein innerhalb der Entladefrist - wird der zweite Verbraucher 3.2 über das Schaltorgan 4.2 erst nach einer Verzögerung von z. B. 5 ms nach dem Nulldurchgang der Spannung an 1.1 - 1.2 eingeschaltet. Der Einschaltbefehl wird alle 10 ms wiederholt, so daß der Verbraucher nur 50% der Zeit eingeschaltet - also gedimmt - ist.
In einer weiteren Ausbildung des Verfahrens kann ein Baustein 5.4 hinzugefügt sein, der die erreichten Zählerzustände nach Ablauf einer vorherbestimmten Zeit und schrittweise bis auf einen Grund­ zustand zurückführt und so die eingeschalteten Verbraucher nachein­ ander wieder ausschaltet.
Dies wird beispielsweise dadurch bewirkt, daß der Baustein 5.4 nach einer wählbaren Zeit und mit wählbaren Zeitabständen Rückzähl-Pulse an den Zahlenbaustein 5.2 abgibt und diesen dadurch schritt­ weise rücksetzt.

Claims (18)

1. Schalt-Verfahren zur Steuerung für ein- oder mehrstufige elektrische Verbraucher, deren Schalt-Zustand geändert werden soll, durchgeführt mit einem Schaltgerät, bestehend aus einem elektronischen logischen Schaltkreis und mindestens einem elektronischen oder elektro-mechanischen Schaltorgan, das von dem logischen Schaltkreis angesteuert wird, gekennzeichnet dadurch daß die Schalt-Funktion oder der Schalt-Zustand des Schaltorgan geändert und neu festgelegt wird, indem die Strom­ zufuhr kurzzeitig unterbrochen und innerhalb einer Frist wieder eingeschaltet wird.
2. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß durch das Schaltgerät, 1 + n Schaltorgange 1 + n Ver­ braucher nach jeder steuernden Stromunterbrechung und bei erneutem Wiedereinschalten fortschreitend und nacheinander eingeschaltet werden, so daß sich eine Schaltfolge 1, 2, n ergibt.
3. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß 1 + n Schaltorgane 1 + n Verbraucher nach jeder steu­ ernden Stromunterbrechung und bei jedem erneuten Wiederein­ schalten addierend zuschalten, so daß sich für die Verbraucher eine Schaltfolge 1, 1 + 2, 1 + 2 + n ergibt.
4. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß nach jeder steuernden Stromunterbrechung und bei jedem Wiedereinschalten sich ein Schaltzustand ergibt, der zunächst die Verbraucher nacheinander und dann addierend zuschaltet, so daß sich beispielsweise eine Schaltfolge für die Verbraucher 1, 2, n; 1 + 2 + n ergibt.
5. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß das Schaltgerät so ausgebildet ist, daß andere Reihen­ folgen der zu schaltenden Verbraucher möglich sind, so daß sich beispielsweise eine Schaltfolge 2, n, 1; 2 + 1 ergibt.
6. Schaltgerät nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die gesetzte Frist für eine wirksame Wiedereinschaltung der Stromzufuhr veränderbar ist.
7. Schaltgerät nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß nach Ablauf der Wiedereinschalt-Frist sich der eingestellte Schalt-Zustand nicht mehr ändert.
8. Schaltgerät nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß sich nach Ablauf der Wiedereinschalt-Frist und einer erneuten Wiedereinschaltung der Startzustand einstellt.
9. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet dadurch, daß das Schaltgerät so ausgebildet ist, daß es Be­ standteil eines Verbrauchers ist, z. B. Bestandteil einer mehrflammigen Boden- , Hocker- , Steh- , Wand- oder Decken- Pendel-Leuchte oder eines mehrteiligen Heizkörpers oder Heiz­ gerätes ist.
10. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet dadurch, daß das Schaltgerät so ausgebildet ist, daß es ein Bestandteil der Installation eines Raumes ist und somit als Verteiler dient.
11. Schaltgerät nach Anspruch 7 gekennzeichnet dadurch, daß es Bestandteil der Installation eines innenbeleuchteten Möbels ist.
12. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 und 8 gekennzeichnet da­ durch, daß ein zusätzlicher Zeit-Kreis nach Ablauf einer vorgegebenen oder wählbaren Zeit die Schaltzustände verändert, beispielsweise zur Reduzierung der Anzahl der eingeschalteten Verbraucher, so daß sich aus einem Schaltzustand : Verbraucher 1 + 2 + 3 EIN nach z. B. einer Stunde nur noch Verbraucher 1 + 2 EIN und nach einer weiteren Zeit nur noch Verbraucher 1 eingeschaltet - ergibt.
13. Schaltgerät nach Anspruch 1 bis 9 gekennzeichnet dadurch, daß das Schaltorgang als Leistungshalbleiter, beispielsweise ein Triac, Thyristor oder MOS-Schalter ausgebildet ist.
14. Schaltgerät nach Anspruch 1 bis 9 gekennzeichnet dadurch, daß das Schaltorgang elektro-mechanisch, z. B. als Relais oder Thermo-Relais ausgebildet sein kann.
15. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Einschalt-Zeitpunkt netzsynchron alle 10 ms er­ folgt und durch die Änderung des Zeitpunktes innerhalb der Phase eine phasenanschnitt-Steuerung bewirkt wird, deren Schalt-Zustand jeweils im Nulldurchgang des Stromes, eben­ falls alle 10 ms, zurückgesetzt wird.
16. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 + 2, gekennzeichnet da­ durch, daß der Ausschalt-Zeitpunktnetzsyschron alle 10 ms erfolgt und durch die Änderung des Zeitpunktes eine Phasenab­ schnitt-Steuerung bewirkt wird, bei der der Verbraucher alle 10 ms jeweils im Nulldurchgang der Spannung erneut einge­ schaltet wird.
17. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß obwohl der Einschalt- als auch der Ausschalt-Zeitpunkt jeweils durch die steuernde Stromunterbrechung und dem daraus resultierenden Zählerstand entsprechend festgelegt ist, so daß eine Pulsbreiten-Steuerungsnetzsynchron bewirkt wird.
18. Schalt-Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zwischen dem Einschalt- und dem Ausschalt-Zeitpunkt auch mehrere Perioden der Netz-Spannung auseinander liegen können und so ein Pulsgruppen-Steller entsteht.
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