DE202004001913U1

DE202004001913U1 - Schaltungsanordnung zum zeitlich verzögerten Ein- und Ausschalten eines Verbrauchers

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Publication number: DE202004001913U1
Application number: DE200420001913
Authority: DE
Original assignee: Dreefs Schaltgeraete GmbH; Dreefs Schaltgerate und Systeme GmbH
Current assignee: Dreefs Schaltgeraete GmbH; Dreefs Schaltgerate und Systeme GmbH
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2014-02-10

Abstract

Schaltungsanordnung zum zeitlich verzögerten Ein- und Ausschalten eines Verbrauchers (M), bei welcher
– ein LM555 -Timer- IC in einer Steuerschaltung (Vcc-GND) liegt, die durch Schließen eines Schalters (S) aktivierbar ist;
– das LM555 -Timer- IC mit RC-Zeitgliedern (R8–C7) für Anlaufverzögerung und RC-Zeitgliedern (R10–C7) für Nachlaufverzögerung beschaltet ist;
– der zeitverzögerte Ausgang des LM555 -Timer- IC den Verbraucher (M) einschaltet, und .
– die Öffnung des Schalters (S) die Nachlaufverzögerung einleitet, bei deren Ablauf der Verbraucher (M) abgeschaltet wird.

Description

Auf zahlreichen Gebieten der Technik ist es notwendig oder erwünscht, eine Auflaufsteuerung und/oder eine Nachlaufsteuerung vorzusehen, über die ein elektrischer Verbraucher zeitverzögert an- und abgeschaltet wird.
Ein typisches Beispiel einer Nachlaufsteuerung findet sich in Haushalt-Backöfen für den Lüftermotor. Hier sorgt die Nachlaufsteuerung dafür, dass die Gehäusekühlung auch nach dem Ausschalten des Backofens noch eine Zeit lang in Betrieb bleibt, bis der Backofen ausreichend abgekühlt ist. Erwünscht wäre für diesen Verwendungszweck zusätzlich noch eine Anlaufsteuerung, die den Lüftermotor erst dann einschaltet, wenn der Backofen eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat.
Weitere Anwendungen derartiger Anlauf- bzw. Nachlaufsteuerungen finden sich, ohne hierauf beschränkt zu sein, beispielsweise bei Dunstabzugshauben, bei Überwachungsgeräten, bei Treppenhausbeleuchtungen, bei Kaffeeautomaten, bei einer Raumbelüftung oder einer Sicherheitsabschaltung elektrischer Geräte.
Bei Backöfen wird zur Steuerung des Lüftermotors im Allgemeinen ein Bimetallschalter benutzt, der den Kontakt bei Überschreiten eines eingestellten Temperaturwertes schließt und bei Unterschreiten dieses Wertes wieder öffnet. Des einfachen Aufbaus wegen ist diese elektromechanische Lösung kostengünstig und daher in der Regel bei Backöfen eingesetzt. Der Schaltpunkt eines solchen Bimetallschalters weist allerdings eine hohe Toleranz auf, und die Temperatur am Bimetall steht keineswegs im festen Verhältnis zur Gehäusetemperatur des Backofens, wobei noch zu berücksichtigen ist, dass der Bimetallschalter oft aus Kostengründen nicht an jener Stelle untergebracht wird, an der die Temperatur eigentlich überwacht werden soll. Die Abschaltung erfolgt daher oft bei einem vom Sollwert erheblich abweichenden Wert.
Außer diesen elektromechanischen Steuerungen gibt es elektronische Steuerungen, mit denen alle Probleme der Vor- und Nachlaufsteuerung durchaus befriedigend gelöst werden können. Derartige elektronische Steuerungen haben sich jedoch aus Kostengründen nur für spezielle Anwendungszwecke durchsetzen können, bei denen eine hohe geforderte Genauigkeit der Zeit- oder Temperatursteuerung einen solchen Kostenaufwand rechtfertigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige elektronische Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine präzise Steuerung der Vorlaufzeit und der Nachlaufzeit ermöglicht und daher auch beispielsweise bei Haushaltgeräten und anderen in Massenproduktion hergestellten Geräten Anwendung finden kann.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Das Timer IC LM555 ist ein kostengünstig verfügbarer Baustein, dessen Einsatz nicht nur ein weiteres, üblicherweise für die zweite Zeitsteuerung benutztes IC, sondern auch die zugehörigen Schaltungselemente ersetzt. Obgleich sich das IC 555 kostengünstig für diesen Zweck anbietet, so soll für die Erfindung jedoch jede äquivalente Schaltung vorbehalten bleiben.
Der Erfindung liegt demgemäß die Erkenntnis zugrunde, dass zur Lösung der gestellten Aufgabe ein entsprechend beschaltetes an sich bekanntes Timer-IC verwendet werden kann, welches unter der Bezeichnung LM555 von National Semiconductor Corporation verfügbar ist.
Das LM555-Timer-IC kann für monostabilen Betrieb oder astabilen Betrieb als Multivibrator eingesetzt werden. Es ist auch bekannt, dieses IC zur Zeitsteuerung zu benutzen. Das Wesen der Erfindung liegt jedoch darin, dass mit nur einer derartigen integrierten Schaltung sowohl eine zeitlich einstellbare Vorlaufsteuerung als auch eine zeitlich einstellbare Nachlaufsteuerung erfolgen kann.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform steuert der Ausgang des Timer-ICs eine Transistorschaltung, bei der ein Transistor im durchgeschalteten Zustand ein Relais kurzschließt, dessen Kontakte die Stromversorgung für die Schaltung bzw. den Verbraucher schalten.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
1 ist ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2 ist ein Schaltbild einer etwas abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt den Aufbau des bekannten in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eingebauten LM555-Timer-IC;
4 ist ein Diagramm, das den Verlauf der verschiedenen Spannungen im Verlauf eines Schaltvorganges anzeigt.
Die Schaltungsanordnung weist vier Funktionsgruppen für die Stromversorgung, die Timer-Steuerung, die Relais-Steuerung und die Aktivierungsschaltung des Nachlauf-Timers auf. Die Stromversorgung erfolgt über einen Hochlastwiderstand R1, den Brückengleichrichter D1, D2, D3, D4, den Relaiskontakt a, die Diode D7, die Zenerdiode D9 und die Spule des Relais R bzw. den Transistor T1 und die Kondensatoren C3, C4 als Hochpassfilter.
Die Timer-Steuerung umfasst das IC555, die Reset-Schaltung R5 und R6, den Anlaufverzögerungstimer über R8 und C6, den Nachlauftimer über R8, R10, C6 und C7.
Die Relais-Steuerung erfolgt über das IC555, die Transistoren T1, T2, die Diode D5 und die Widerstände R2, R3, R4 und R7.
Die Aktivierungsschaltung des Nachlauftimers erfolgt über D8 und R11.
Funktionsbeschreibung
Stromversorgung
Der eine Relaiskontakt a des Relais R übernimmt die Stromversorgung für die gesamte Schaltung und der andere Relaiskontakt b schaltet den Verbraucher M (Lüfter). Durch den Schalter S wird die Stromversorgung für die Steuerung über den einen Ruhekontakt a des Relais zugeschaltet. Der Brückengleichrichter D1, D2, D3, D4 richtet die durch den Hochlastwiderstand R1 herabgesetzte Wechselspannung gleich. Die Zenerdiode D9 und der Ladeelko C4 sowie der Keramikkondensator C3 liefern eine geglättete und gegen Störspitzen gefilterte Gleichspannung für das Timer-IC555. Die mit dem Timer-IC in Reihe geschaltete Relaisspule des Relais R reduziert den Stromverbrauch um ca. 50 % und übernimmt andererseits den Wellenanteil der gleichgerichteten Wechselspannung. Die Freilaufdiode D5 überbrückt die Lücke der Stromversorgung für das Relais R im Talbereich der gleichgerichteten Wechselspannung und schützt den Transistor T1 gegen hohe Sperrspannungsspitzen bei Abschaltung der Relaisspule.
Anlaufverzzögerung
Nach dem Reset-Vorgang beim Power-up ist der Timer IC555 betriebsbereit. Der IC-Entladetransistor (Pin7) ist leitend und hält das Potential am Threshold (Pin6) auf Masse. Zum Schutz des IC-Entladetransistors vor großem Entladestrom kann ein niederohmiger Widerstand R9 eingesetzt werden. Der Elko C6 und Widerstand R8 bewirken einen langsamen Spannungsabfall am Triggereingang (Pin2) von V_cc auf Masse. Der Ausgang (Pin3) des IC befindet sich in dieser Phase im „low"-Zustand. Der Transistor T2 ist gesperrt, T1 leitet und schließt somit die Spule des Relais kurz. Die Relaiskontakte bleiben offen. Die Stromversorgung für die Elektronik läuft über den Ruhekontakt.
Erreicht V_Trigger am Triggereingang das Triggerniveau von V_cc/3, wird der IC-Entladetransistor gesperrt und Pin7 wird hochohmig. Das Aufladen des Elkos C7 über den Widerstand R10 ist somit von dem IC freigegeben. Der IC-Ausgang (Pin3) springt auf „high". Der Transistor T2 leitet, T1 ist gesperrt. Der Versorgungsstrom für die IC-Schaltung fließt zwangsläufig durch die Relaisspule und die Relaiskontakte schließen sich. Der Verbraucher (Lüfter) schaltet ein und beendet somit die Anlaufverzögerung. Die Stromversorgung für die Steuerung läuft nun über den geschalteten Kontakt a und ist nicht mehr von dem Schalter abhängig.
Die Zeit der Anlaufverzögerung folgt der Beziehung: tAnlaufverzögerung = R8 * C6 * In3.
In der Ansprechzeit der Relaiskontakte liefert der Brückengleichrichter keinen Strom für die Steuerung. Diese Zeit kann aber problemlos allein durch die Energiereserve in der Spule über D5 und den Ladeelko C4 überbrückt werden, da sie in der Regel nur einige Millisekunden beträgt. Zusätzlich dazu wird in dieser Zeit durch die Diode D7 eine Halbwellen-Stromversorgung geschaffen. Mit dieser Halbwellen-Stromversorgung ist die Überbrückung einer längeren Ansprechzeit des Schaltgliedes auch ohne den Einsatz von einem größeren Ladeelko C4 möglich. Um die Halbwellen-Stromversorgung allein mit einer Diode (D7) ohne zusätzlichen Hochlastwiderstand realisieren zu können, muss das Spannungspotential der Steuerung einseitig auf die Seite der Relaiskontakte (L-Leitung im Schaltungsbeispiel) angebunden werden, also die spannungsherabsetzende Hochlastwiderstände (R1 im Schaltungsbeispiel) müssen ausschließlich auf der anderen Seite des Brückengleichrichters verlegt werden.
Betriebszeit
Mit Erreichen des Triggerniveaus am Triggereingang (Pin2) wird, wie oben erwähnt, das Aufladen des Elkos C7 über den Widerstand R10 von dem IC freigegeben. Allerdings wird der Elko C7 zugleich , über die Diode D8 periodisch durch die negative Halbwelle der Netzspannung entladen. Das Potential am Threshold (Pin6) bleibt niedrig um das Massenniveau, wenn R11 relativ niederohmig dimensioniert ist.
Da die Entladung über die Diode D8 bei geschlossenem Schalter immer, d.h. auch in der Phase der Anlaufverzögerung, stattfindet, ist das Festhalten des Potentials am Threshold (Pin6) auf Masse durch den IC-Entladetransistor (Pin7) nicht notwendig. Pin7 kann somit frei bleiben oder für einen anderen Zweck benutzt werden, wie z.B. für die Relaissteuerung in 2.
R11 dient als Strombegrenzer, beispielsweise für den Fall, wenn der Schalter bei aufgeladenem Elko C7 betätigt wird. Die Diode D10 schützt den Elko C7 vor möglicher negativer Spannung, was in dem Schaltungsbeispiel wegen der einseitigen Bindung des Spannungspotentials an die L-Leitung nicht notwendig ist, da das Massenpotential maximal nur um die Durchlassspannung (0,6V) von Diode D2 über dem Potential der L-Leitung liegen kann und somit die Spannung am Elko C7 nie negativ sein kann.
Nachlauf
Mit dem Öffnen des Schalters ist der Entladungsstromkreis über Diode D8 geöffnet. Der Elko C7 wird nun über den Widerstand R10 langsam aufgeladen, da kein Entladen mehr über Diode D8 stattfinden kann.
Überschreitet die Spannung am Elko C7 (die Threshold-Spannung am Pin6) 2/3 der Betriebsspannung V_cc, schaltet der IC den Ausgang (Pin3) auf „high". Der Transistor T2 ist gesperrt, T1 leitet und schließt die Relaisspule kurz. Die Relaiskontakte fallen auf ihre Ruhestellungen zurück. Der Verbraucher (Lüfter) und die komplette Stromversorgung sind somit abgeschaltet.
Da der bereits voll aufgeladene Elko C6 in der Zeit auch über R8 und R10 entladen wird, ist die Berechnung der Nachlaufzeit ziemlich kompliziert. Sie lässt sich annähernd wie folgt bestimmen, wenn der Widerstandswert R8 viel kleiner als R10 dimensioniert ist: tNachlauf = (R8 + R10) * (C6 + C7) * In3
Die Anlaufverzögerung wird, wie oben erwähnt, durch den Widerstand R8 und den Kondensator C6 bestimmt. Die Nachlaufzeit wird im Wesentlichen durch den Widerstand R10 und den Kondensator C2 bestimmt. Im Allgemeinen werden die Werte für diese Schaltungselemente fest eingestellt, um eine vorbestimmte feste Vorlaufzeit und Nachlaufzeit zu gewährleisten. Für Sonderfälle können die Schaltungselemente oder ein Teil hiervon hinsichtlich des Widerstandswertes oder des Kapazitätswertes eingestellt werden. Zu diesem Zweck können die Festwiderstände R8 bzw. R10 durch jeweils ein Stellpotentiometer ersetzt werden.
Die Nachlaufzeit wird durch Öffnen des Schalters S eingeleitet. Bei Steuerung des Lüftermotors eines Backofens oder äquivalenten Schaltungsanordnungen wird dieser Schalter S mit der Abschaltung der Heizung geöffnet. In Fällen, bei denen vom Zeitpunkt des Einschaltens eine vorbestimmte Einschaltdauer gewünscht wird, kann der Schalter S auch als Taster ausgebildet sein, wobei keine oder nur eine geringe Vorlaufzeit geschaltet wird und die Nachlaufzeit die Betriebsdauer des Verbrauchers bestimmt. Eine solche Schaltungsanordnung mit Taster kommt beispielsweise für eine Treppenhausbeleuchtung in Betracht.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, dass das Relais R über Pin7 (IC-Entladetransistor) des IC555 und nicht über Pin8 gesteuert wird. Da der IC-Entladetransistor (Pin7) erst nach dem Reset-Vorgang leitet, kann es zu einer kurzzeitigen Schaltung des Relais beim Power-up kommen. Ein entsprechend dimensionierter Kondensator C8 kann jedoch diese Relais-Schaltung unterdrücken.

Claims

Schaltungsanordnung zum zeitlich verzögerten Ein- und Ausschalten eines Verbrauchers (M), bei welcher – ein LM555 -Timer- IC in einer Steuerschaltung (Vcc-GND) liegt, die durch Schließen eines Schalters (S) aktivierbar ist; – das LM555 -Timer- IC mit RC-Zeitgliedern (R8–C7) für Anlaufverzögerung und RC-Zeitgliedern (R10–C7) für Nachlaufverzögerung beschaltet ist; – der zeitverzögerte Ausgang des LM555 -Timer- IC den Verbraucher (M) einschaltet, und . – die Öffnung des Schalters (S) die Nachlaufverzögerung einleitet, bei deren Ablauf der Verbraucher (M) abgeschaltet wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Öffnung des Schalters (S) die Nachlaufverzögerung über eine Diode (D8) einleitet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher das Timer – IC wie folgt beschaltet ist: – trigger Pin2: über C6 an Vcc und über R8–R10 an Vcc, wobei C6 und R8 die Anlaufzeit bestimmen; – threshold Pin8: über R10 an Vcc und über C7 an GND, wobei R10, R8, C6 und C7 die Nachlaufzeit bestimmen; – Pin3 oder Pin7: Steuerausgang des Timer – IC.
Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei welcher der Verbraucher durch Erregung eines in der Steuerschaltung in Reihe liegenden Relais (R) eingeschaltet wird.
Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei welcher das Relais (R) durch das Timer – IC während der Anlaufzeit kurzgeschlossen bleibt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei welcher das Relais über einen Transistor (T1) kurzgeschlossen wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Stromversorgung der Elektronik über einen Kontakt (a) des Relais (R) über einen Hochlastwiderstand (R1) und einen Brückengleichrichter (D1, D2, D3, D4) erfolgt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher der Verbraucher (M) über einen Kontakt (b) des Relais (R) geschaltet wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher die Steuerschaltung über eine Halbwellen-Versorgung über eine Diode (D7) in der Umschaltphase des Relais (R) gespeist wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher die Steuerschaltung eine Zenerdiode (D9), einen Ladeelko (C4) und einen Kondensator (C3) aufweist, die eine gegen Störspitzen gefilterte Gleichspannung für das Timer-IC liefern.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher eine parallel zum Relais (R) liegende Freilaufdiode (D5) die Lücke der Stromversorgung für das Relais im Talbereich der gleichgerichteten Wechselspannung überbrückt und den Transistor (T1) gegen hohe Spannungsspitzen bei Abschaltung der Relaisspule schützt.
Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 4, bei welcher das Relais (R) zweipolig ausgebildet ist, wobei der erste Kontakt (a) die Steuerschaltung mit Strom versorgt und der zweite Kontakt (b) den Verbraucher (M) schaltet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, bei welcher in nicht erregtem Zustand des Relais (R) der nicht geschaltete erste Kontakt (a) in der Anlaufphase die Steuerschaltung mit Strom versorgt und bei erregtem Relais (R) während der Betriebs- und Nachlaufphase der geschaltete erste Kontakt (a) die Steuerschaltung mit Strom versorgt.