DE3744162A1 - Schaltuhr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikroprozessorgesteuerte Schaltuhr mit trans­ formatorloser, über einen kapazitiven Vorwiderstand gespeister Stromver­ sorgungseinrichtung mit Akkupufferung für die Aufrechterhaltung der Mikroprozessorversorgungsspannung bei Netzausfall und mit von Kanalaus­ gängen des Mikroprozessors gesteuerten Relais, die akkuunabhängig direkt über den kapazitiven Vorwiderstand aus dem Wechselspannungsnetz gespeist werden.

Bei den bis jetzt bekannten Schaltuhren dieser Art werden die Signal­ spannungen der Mikroprozessor-Kanalausgänge auf bekannte Art über Tran­ sistoren verstärkt den Erregerwicklungen der Lastrelais zugeführt, wobei die Basisspannung dem Mikroprozessor, die Erregerspannung für die Relais der über eine Zenerdiode begrenzten, über den vorteilhaft kapazitiven Vorwiderstand zugeführten Netzspannung entnommen wird. Dies bedingt, daß in nichterregtem Relaiszustand der nicht abgesaugte Relaisstrom die Zenerdiode als Zenerstrom durchfließt und in Wärme umgewandelt wird. Während der im Vergleich zum Ruhezustand kurzen Relaiserregungszeit wird die durch den Erregerstrom erzeugte Wärme großflächig über Relaiswicklung, Relaiskern mit Anker abgestrahlt, in nicht erregtem Zustand jedoch nahe­ zu punktuell in der relativ kleinen Zenerdiode mit kleiner Oberfläche "verheizt", wobei örtlich auftretende Temperaturen bis einhundertdreißig Grad meßbar sind. Diese Wärmeentwicklung ist sehr störend, da Schalt­ uhren der vorliegenden Art im Regelfall von einem relativ kleinen Ge­ häuse umschlossen sind und der entstehende Wärmestau sowohl die LCD- Anzeige, als auch den Mikroprozessor inclusive Quarz durch Betriebs­ temperaturerhöhung störend beeinflussen. Naheliegende Lösungen, wie Ver­ größerung der Wärmeabstrahlfläche durch Kühlflächen oder Kühlkörper, Verteilung auf mehrere Zenerdioden oder zusätzliche Widerstände haben sich mangels Platz und Raum als unbefriedigend erwiesen. Ferner scheitert der Einsatz polarisierter, stromsparender Relais am zu hohen Preis.

Es besteht daher ein echtes Bedürfnis nach einer Lösung, welche in nicht erregtem Relaiszustand eine Wärmeentwicklung durch Reduzierung der zur Verfügung stehenden Leistung auf einen unbedeutenden Restwert unterbindet. Erreicht wird dieses Ziel gemäß vorliegender Erfindung dadurch, daß in nicht erregtem Zustand des oder der Lastrelais eine vor­ teilhaft elektronische Umschalteeinrichtung dem für die Relaiserregung benötigten Wirkstrom nahezu vollständig als Blindstrom in das Wechsel­ spannungsnetz ableitet.

Nachfolgend werden 2 Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung an­ hand je einer Abbildung beschrieben.

Abb. 1 zeigt schematisch die Grundschaltung eines Ausführungsbei­ spieles, bei der ein Spannungssprung nach oben das Ende der Relais-Erregung meldet und ein Transistor den Gleichspannungs­ ausgang eines Brückengleichrichters kurzschließt, so, daß der durch den kapazitiven Wechselspannungs-Widerstand fließende Strom als Blindstrom in das Netz zurückfließt.

Abb. 2 stellt eine Schaltung dar, welche den nicht erregten Zustand des oder der Lastrelais über einen besonderen Ausgang des Mikroprozessors getaktet meldet, wobei die Taktpausen dazu benützt werden, einen Kondensator regelmäßig zu den Zwecke nachzuladen, die für den Relaisanzug notwendige Stoßenergie bereitzustellen, während sich dieser Nachladevorgang bei dem ersten Ausführungsbeispiel selbsttätig ergibt.

In beiden Abbildungen sind nur die Bauelemente eingezeichnet, die in der Beschreibung aufgeführt sind und in Zusammenhang mit dem Erfindungsge­ danken stehen.

In den Abb. 3 und 4 ist die Auswirkung des Erfindungsgedankens auf den Phasenverschiebungswinkel einmal bei erregtem Zustand der Relais und einmal bei nicht erregtem Zustand der Relais dargestellt. Aus dieser Gegenüberstellung wird ersichtlich, daß bei abgefallenen Relais hinter dem Brückengleichrichtet als Wirkspannung nur noch die Kollektor-Emitter­ spannung ansteht, was den COSϕ nahe an 90 Grad rückt, die aus dem Netz aufgenommene Leistung also praktisch nur noch aus Blindleistung besteht.

Beschreibung

Nachfolgend werden anhand der Abb. 1-4 zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ohne den Erfindungsgedanken zu ver­ lassen, sind zur Verwirklichung der Erfindung weitere Schaltungsvarianten möglich, beispielsweise Kippstufen durch zweckentsprechende Beschaltung von Operationsverstärkern, Schmitt-Trigger-lC's oder dergleichen.

Abb. 1 zeigt eine Schaltung mit einer aus einem PNP- und einem NPN- Transistor gebildeten Kippstufe.

Über den als Wechselstrom-Widerstand wirkenden Kondensator C 1, über den Brückengleichrichtet G sowie über die Diode D wird der Elektrolyt-Konden­ sator C 2 aufgeladen, wobei die Ladespannung über die Zenerdiode Z auf einen Wert begrenzt wird, der über der Anzugsspannung der Lastrelais A und B liegt. Der Elektrolyt-Kondensator C 2 ist daher in der Lage, kurzzeitig eine Stoß­ spannung zum Relaisanzug zu liefern. Der aus den Widerständen R 2 und R 3 gebildete Spannungsteiler ist so ausgelegt, daß bei nicht erregten Last­ relais A, B and Punkt x eine über der Schwellspannung des Transistors T 3 liegende Spannung ansteht, so daß ein Basisstrom fließt und der Emitter- Kollektor-Strompfad leitend wird.

Über den Basiswiderstand R 4 wird der Transistor T 4 durchgeschaltet, dessen Kollektor sich dem Nullpotential nähert und über Widerstand R 5 das Potential des Punktes x nochmals tiefer zieht. Es tritt ein Kippeffekt ein, so daß T 4 schlagartig durchschaltet und die Zenerdiode Z inclusive Brückengleich­ richter G kurzschließt.

Der den Kondensator C 1 und den Brückengleichrichter G durchfließende Strom wird als Folge nahezu vollständig als Blindstrom in das Netz zurückgespeist, da die Spannung auf nahe Null absinkt. Wie aus Abbildung 3 ersichtlich ist, steigt der COSϕ auf nahe 90°.

Die zur Speisung des als "Kippschalter" eingesetzten, elektronischen Schalters 1 a wird der Ladung des Kondensators C 2 entnommen.

Als Folge sinkt dessen Klemmenspannung, ebenfalls die Spannung von Punkt x. Bei Unterschreiten der Schwellspannung von T 3 kippt die Kippstufe kurz­ zeitig in den nichtleitenden Zustand von T 4 zurück, so daß sich C 2 selbst­ tätig nachladet. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Dem Netz N wird folglich nur die Wirkleistung entnommen, die zur Aufrechterhaltung der Ladung von C 2, also des Betriebszustandes notwendig ist. Nicht benötigte Leistung wird folglich nicht in Wärme umgesetzt.

Springt nun einer der beiden Ausgänge a und/oder b des Mikroprozessors µP von tief auf hoch, zieht das kanalzugeordnete Relais A und/oder B, jeweils über den zugeordneten Transistor T 1, T 2 verstärkt, an, wobei die Wider­ stände R 7 und R 8 den fließenden Basisstrom begrenzen. Die für den Relais­ anzug notwendige Energie wird dem Elektrolyt-Kondensator C 2 entnommen, dessen Spannung absinkt, ebenso die Spannung an Punkt x. Die Schaltung kippt zurück und T 4 öffnet. Dieser Schaltzustand bleibt so lange bestehen, bis eines der beiden Lastrelais A und B wieder abfällt, wobei die Versorgung der beiden Lastrelais während des Anzuges direkt über den Kondensator C 1 aus dem Netz erfolgt. Aus Abb. 4 ist die Änderung der COSϕ ersichtlich.

Aus dem Elektrolyt-Kondensator C 2 wird ferner über Widerstand R 6 der 1,2 Volt-Akku für die Stromversorgung des Mikroprozessors µP sowie für die nicht dargestellte LCD-Anzeige aufgeladen.

Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt noch darin, daß die Betriebsspannung N ohne Änderung der Bauteile in weiten Grenzen schwanken kann. So ist es beispielsweise möglich, mit einer derartigen Schaltung einen Betriebsspannungsbereich von 110 Volt bis 240 Volt Wechselspannung zuzulassen. Dieser besondere Vorteil vereinfacht die Lagerhaltung beträcht­ lich.

Abb. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Variante, die sich durch eine geringe Anzahl benötigter Bauelemente auszeichnet.

Bei diesem Beispiel besitzt der verwendete Mikroprozessor noch einen wei­ teren, mit bezeichneten Ausgang, der nur dann aktiv ist, wenn beide Kanalausgänge a und b tief sind. Ist also die Bedingung "kein Relais an­ gezogen" erfüllt, wird T 4, über den Basiswiderstand R 9 mit Basisstrom ver­ sorgt, und schließt, wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, den Brückengleichrichter G kurz, so daß der C 1 durchfließende Strom als Blind­ strom in das Netz N zurückfließt.

Zur Ladeerhaltung von C 2 sind, abgestimmt auf den durch R 6 fließenden Ladestrombedarf für den 1,2 Volt-Akku, in das Ausgangssignal kurze Taktpausen eingefügt, während denen C 2 auf die notwendige Höhe nachge­ laden wird. Die eingeladene Strommenge steht ferner beim Relaisanzug zur Relaiserregung zur Verfügung.

Daß außer diesen beiden Beispielen noch andere Schaltungsvarianten mög­ lich sind, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, wurde bereits am Anfang der Beschreibung erwähnt.

Claims (6)

1. Mikroprozessorgesteuerte Schaltuhr mit transformatorloser, über einen kapazitiven Vorwiderstand gespeister Stromversorgungseinrichtung mit Akkupufferung für die Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung für den Mikroprozessor bei Netzausfall und mit von Kanalausgängen des Mikroprozessors zeitabhängig vorwählbar schaltbaren Lastrelais, die akkuunabhängig über den kapazitiven Vorwiderstand, gleichgerichtet, aus dem Wechselspannungsnetz gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß in nichterregtem Zustand der Lastrelais (A, B) ein (Um)schalter, vorteilhaft elektronischer Art (1 a, 1 b), den für die Relaiserregung zur Verfügung stehende Wirkstrom großteils als Blindstrom in das Netz ableitet.

2. Schaltuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektro­ nische Kippstufe mit Hysterese (1 a) sowie mit Erregungseingang (Basis von T 3) und Schaltausgang (Kollektor-Emitter von T 4) den Gesamtstrom (IG) großteils als Blindstrom dann ableitet, wenn alle Lastrelais (A, B) stromlos sind.

3. Schaltuhr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Relaiszustands-Überwachung gewählte Schaltanordnung (C 2, R 2, R 3) einen Abgriff (X) aufweist, dessen Spannung bei mindestens einem ge­ schalteten Lastrelais (A und/oder B) unter die Triggerschwelle der gewählten Kippstufe (T 4, R 4, T 3, R 2, R 5) abfällt.

4. Schaltuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter zur Ableitung des zur Verfügung stehenden Wirkstromes als Blindstrom in das Netz aus einem Transistor (T 4) besteht und daß dieser Transistor über einen besonderen Kanalausgang () des Mikroprozessors (µP) dann angesteuert wird, wenn weder die Kanalausgäng (a) für das eine (A), noch (b) für das andere Lastrelais (B) Spannung führen.

5. Schaltuhr nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zu­ sätzliche, der Ansteuerung des Schalttransistors (T 4) zur Blindstrom­ ableitung dienende Kanalausgang (a, b) des Mikroprozessors in spannungs­ führendem Zustand eine Pulsfrequenz mit relativ kurzen Pausen aufweist, wobei das Tastverhältnis Hoch : Tief sowie die Frequenz derart abge­ stimmt sind, daß der der Pufferung dienende Kondensator (C 2) in der Pause genügend hoch aufgeladen wird, um bei Ansteuerung eines oder beider Lastrelais (A und/oder B) genügend Stoßenergie zur Relais­ spulendurchflutung liefern zu können sowie um den Akku nachzuladen.

6. Schaltuhr nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (C 2) in Intervallen so weit nachgefüllt wird, daß stets genügend Stoßenergie zur Schaltung aller Lastrelais (A, B) zur Ver­ fügung steht.