DE3910405A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung elektrischer leistung - Google Patents

Description

Die Steuerung elektrischer Heizleistung für Wärmegeräte, die vom Netz geliefert wird, erfolgt vornehmlich durch Perioden-Gruppenschalter, um Schalterrückwirkungen auf das Netz möglichst gering zu halten. Bei der Steuerung elektrischer Leistung mit Hilfe von Perioden-Gruppen­ schaltern wird üblicherweise eine über einen Rampengene­ rator erzeugte Rampenspannung mit einer über ein Poten­ tiometer veränderbaren Steuerspannung verglichen. Diese Methode hat den Nachteil, daß entweder ein relativ hoch­ wertiges Potentiometer verwendet werden muß oder bei Verzicht auf ein hochwertiges Potentiometer eine gerin­ gere Genauigkeit der Steuerung in Kauf genommen werden muß.

Es ist deshalb eine Steuerschaltung vorzuziehen, bei der auf ein Potentiometer zur Erzeugung der Steuerspan­ nung verzichtet werden kann. Auf ein Potentiometer kann verzichtet werden, wenn die Steuerspannung durch einen Binär-Code ersetzt wird, der mit dem Binär-Code eines Rampenzählers verglichen wird. Bei einem solchen Binär- Code-System sind beispielsweise drei Steuerleitungen vorhanden, die mit Hilfe eines mechanischen Codierschal­ ters jeweils entweder auf 0 oder 1 gelegt werden. Bei z.B. drei Steuerleitungen ergeben sich 2³ Varianten.

Eine Schaltungsanordnung zur Steuerung elektrischer Lei­ stung soll möglichst verlustarm arbeiten, d.h. die Steu­ erelektronik soll beispielsweise nicht mehr als 500 µA Gesamtstromaufnahme erfordern. Wenn man aber mechanische Kontakte immer nur mit geringen Strömen beaufschlagt, so neigen die mechanischen Kontakte zur Korrosion. Dies hat zur Folge, daß der eine oder der andere der mechani­ schen Kontakte so hochohmig wird, daß die Logik die Potentiale der Steuerleitungen nicht mehr eindeutig als 0 oder 1 erkennen kann. Eine Abhilfe besteht darin, daß die Kontakte nicht mehr ständig mit einem konstanten Strom abgefragt werden, sondern zyklisch nur für eine kurze Zeit, jedoch unter erhöhter Strombelastung (z.B. 10 mA), wobei durch den relativ hohen Strom ein Reini­ gungseffekt erzielt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung zur Steuerung der elektrischen Leistung von Verbrauchern anzugeben, die einen möglichst geringen Strombedarf erfordert. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung erfordert nicht nur einen geringen Strombedarf, sondern sie hat auch noch den Vorteil, daß die Sollwert-Abfrage nicht durch den Reinigungsprozeß verfälscht wird.

Wenn gemäß der Erfindung der Reinigungsstrom getrennt vom Abfragestrom zugeführt wird, so kann die Schaltungsanord­ nung nach der Erfindung mit einem sehr geringen Strombe­ darf arbeiten, da bei einer Trennung von Abfrage- und Reinigungsströmen die Möglichkeit besteht, die Reinigung der Kontakte mittels Reinigungsstrom in Zeitabständen vorzunehmen, die wesentlich größer sein können als die­ jenigen Zeitabstände, die für eine zyklische Abfrage des an den Steuerleitungen anliegenden Binär-Codes erforder­ lich sind. Größere Zeitabstände bei der zyklischen Strom­ reinigung sind aber gleichbedeutend mit einer geringeren Stromaufnahme.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbei­ spiel erläutert.

Die Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung einer Sollwert- Erkennungsschaltung nach der Erfindung mit einer 3 Bit- Sollwert-Vorgabe. Die Schaltungsanordnung der Fig. 1 besteht aus einer Abfragestromsteuerung 1, einer Reini­ gungsstromsteuerung 2, drei für die Sollwertabfrage er­ forderlichen Fensterdiskriminatoren F 1, F 2, F 3, drei den Fensterdiskriminatoren zugeordneten Datenspeichern D 1, D 2, D 3 sowie einer Ablaufsteuerung 3, die die erforder­ lichen zyklischen Impulse bereitstellt.

Die Kontakte K 1, K 2, K 3 gehören zu einem Codierschalter K. Mit Hilfe des Codierschalters K können im gewählten Ausführungsbeispiel (drei Steuerleitungen 4, 5, 6) 8 verschiedene Sollwerte eingestellt werden. Die 8 ver­ schiedenen Sollwerte (jeweils 1 Binärzahl an jeweils 1 Steuerleitung) werden dadurch erzielt, daß der Codier­ schalter K die Kontakte K 1, K 2, K 3 in den einzelnen Positionen derart mit Kontaktbelegungen versieht, daß auf den Steuerleitungen in den möglichen 8 Positionen die 8 möglichen Binär-Codes erscheinen.

Die auf den Steuerleitungen liegenden, dem jeweiligen Binär-Code entsprechenden Potentiale können nicht unmit­ telbar weiterverarbeitet werden, sondern sie müssen in entsprechende Spannungen umgewandelt werden. Dies ge­ schieht mittels der Fensterdiskriminatoren F 1, F 2, F 3, in denen das Abfrageresultat mit einer unteren Schwelle und einer oberen Schwelle verglichen wird. Der untere Schwellwert beträgt beispielsweise 0,5 V und der obere Schwellwert beispielsweise 1 V. Liegt das Potential einer Leitung beim Abfragen unter 0,5 V, so erscheint am Aus­ gang des entsprechenden Fensterdiskriminators eine Span­ nung, die einer logischen 0 entspricht. Ist das Poten­ tial an einer Steuerleitung dagegen größer als 1 V, so erscheint am Ausgang des entsprechenden Fensterdiskrimi­ nators eine Spannung, die einer logischen 1 entspricht. Spannungen, die mit den Schwellen der Fensterdiskrimina­ toren verglichen werden können, erscheinen am Eingang der Fensterdiskriminatoren jedoch nur dann, wenn die Stromquellen IQ 1, IQ 2, IQ 3 Ströme in die Steuerleitungen (1, 2, 3) liefern. Die an den Ausgängen der Fensterdis­ kriminatoren (F 1, F 2, F 3) auftretenden Spannungswerte werden in den Datenspeichern (D 1, D 2, D 3) gespeichert.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung erfolgt aus Stromersparnisgründen nicht eine Dauerabfrage des Binär-Codes, sondern eine zyklische Abfrage in bestimm­ ten Zeitabständen. Die zyklische Abfrage wird durch eine Ablaufsteuerung 3 gesteuert. Diese Ablaufsteuerung be­ steht aus einer Teilerkette, die aus einem Systemtakt eine zyklisch wiederkehrende Folge von Ansteuerimpulsen erzeugt. Der Systemtakt ist dabei z.B. der über eine Synchronisierschaltung aus der Netzspannung abgeleitete Nulldurchgangs-Impuls. Die Ablaufsteuerung 3 liefert Impulse für die Stromquellen IQ 1, IQ 2, IQ 3, die entspre­ chend den Ansteuerimpulsen Ströme in die Steuerleitungen 4, 5, 6 liefern und mit diesen Strömen eine Abfrage des Binär-Codes ermöglichen. Die Ablaufsteuerung 3 steuert nicht nur die Stromquellen IQ 1, IQ 2, IQ 3 für die Binär- Code-Abfrage, sondern sie steuert auch über einen Ring­ zähler 7 die Stromquellen IR 1, IR 2, IR 3, die die Reini­ gungsströme zur Reinigung der mechanischen Kontakte K 1, K 2, K 3 liefern. Die Reinigungszyklen und die Abfragezy­ klen sind so gewählt, daß die Reinigungsströme dann nicht fließen, wenn die Abfrageströme fließen.

Die Ablaufsteuerung 3 führt noch eine weitere Steuerung aus, und zwar steuert sie den Daten-Übernahme-Zeitpunkt der in den Datenspeichern D 1, D 2, D 3 gespeicherten Soll­ werte Soll 1, Soll 2, Soll 3. Die dem jeweiligen Binär- Code entsprechenden Sollwerte werden in einem nicht dar­ gestellten Komparator mit dem Binär-Code eines ebenfalls nicht dargestellten Rampenzählers verglichen. Das Aus­ gangssignal des Komparators wird schließlich einem eben­ falls nicht dargestellten Perioden-Gruppenschalter zuge­ führt.

Die Abfrage der 8 möglichen Sollwerte (z.B. K 1 geschlos­ sen (Steuerleitung 4 an Masse), K 2 und K 3 offen) erfolgt auf folgende Weise. Zur Abfrage des logischen Zustandes der Steuerleitung 4 (Kontakt K 1) wird über die Steuer­ leitung A 1 die Stromquelle IQ 1 freigegeben, die Strom in die Leitung 4 liefert und durch diesen Strom eine Span­ nung am Eingang des Fensterdiskriminators F 1 erzeugt, die dem logischen Zustand (K 1 geschlossen oder offen) der Steuerleitung 4 entspricht. Im Fensterdiskriminator F 1 wird die durch den Abfragestrom am Eingang des Fen­ sterdiskriminators F 1 erzeugte Spannung mit zwei Schwell­ werten verglichen (z.B. 0,5 V und 1 V). Dieser Spannungs­ vergleich liefert am Ausgang des Fensterdiskriminators eine Information, die entweder einer logischen 0 oder einer logischen 1 entspricht. Durch Freigabe der Strom­ quelle IQ 2 mittels der Steuerleitung A 2 erfolgt die Ab­ frage der Steuerleitung 5 und durch Freigabe der Strom­ quelle IQ 2 mittels der Steuerleitung A 3 erfolgt die Ab­ frage der Steuerleitung 6.

Die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Zeitablauf der Soll­ wertabfrage sowie der Steuerung der Reinigungsströme für die mechanischen Kontakte K 1, K 2, K 3 der Schaltungsanord­ nung der Fig. 1. Die Impulskurve a der Fig. 2 zeigt den Systemtakt. Die Impulskurve b der Fig. 3 zeigt den Abfragestrom-Takt. Beim ersten Abfrageimpuls der Impuls­ kurve b wird der logische Zustand der Steuerleitung 4 (Kontakt K 1) abgefragt, beim zweiten Abfragestromimpuls der Impulskurve b wird der logische Zustand der Steuer­ leitung 5 (Kontakt K 2) abgefragt und beim dritten Impuls der Impulskurve b wird der logische Zustand der Steuer­ leitung 6 (Kontakt K 3) abgefragt. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, wird bei der Hälfte der Taktzeit des Im­ pulses auf der Steuerleitung A 1 die Information am Aus­ gang des Fensterdiskriminators F 1 in das Daten-Flipflop D 1 eingelesen. Das Einlesen in das Daten-Flipflop D 1 erfolgt dadurch, daß bei der Hälfte der Zeitdauer des Abfragestromimpulses ein Speichertakt von der Ablauf­ steuerung 3 an das Daten-Flipflop D 1 geleitet wird. Ent­ sprechend dem in der Fig. 2 dargestellten prinzipiellen Zeitablauf wird nach dem Abfragen von K 1 bzw. der Steuer­ leitung 4 und dem Einlesen in das Daten-Flipflop D 1 zy­ klisch als nächstes der Kontakt K 2 bzw. die Steuerlei­ tung 5 dadurch abgefragt, daß die Steuerleitung 5 mit einem Stromimpuls beaufschlagt wird, der von der Strom­ quelle IQ 2 geliefert wird. Nach dem Abfragen von K 2 bzw. der Steuerleitung 5 erfolgt eine Abfrage des Kontaktes K 3 bzw. der Steuerleitung 6, und zwar durch einen Strom­ impuls aus der Stromquelle IQ 3.

Immer wenn der Abfragezyklus - von z.B. 640 msec - der drei Kontakte (K 1, K 2, K 3) bzw. der drei Steuerleitungen (4, 5, 6) xmal abgelaufen ist (wobei x z.B. 64=2⁶ sein kann), liefert die Ablaufsteuerung 3 ein Taktsignal an die Reinigungs-Stromsteuerung 2. Diese Reinigungs-Strom­ steuerung 2 besteht beispielsweise aus einem Ringzähler, der im vorliegenden Fall 3 Stufen aufweist. Das bedeutet, daß bei jedem von der Ablaufsteuerung kommenden Reini­ gungstaktimpuls der nächste Ausgang des Ringzählers ein ihm zugeordnetes monostabiles Flipflop aufsteuert, das der entsprechenden Reinigungsstromquelle (IR 1, IR 2 oder IR 3) ein Freigabesignal von z.B. 1 msec gibt. Dadurch ist gewährleistet, daß im Ausführungsbeispiel alle 40.960 msec (64 mal 640 msec)=40,96 Sekunden eine an­ dere Anfragesteuerleitung (4, 5 oder 6) mit dem Reini­ gungsstrom beaufschlagt wird, so daß eine Komplett-Zy­ klus-Reinigung aller 3 Steuerkontakte (K 1, K 2, K 3) 640 mal 64 mal 3 msec=122,88 sec dauert. Die Kontaktreini­ gung kann natürlich nur dann erfolgen, wenn der Kodier­ schalter den jeweils zu reinigenden Kontakt auf Masse gelegt hat.

Wie bereits zum Ausdruck gebracht, wird der erste Reini­ gungsimpuls für den Kontakt 1 kurz vor dem Abfragestrom­ impuls an die Sollwertleitung 4 angeschaltet. Dies hat nicht nur den Vorteil, daß die Reinigung getrennt von der Abfrage erfolgt und damit für die Reinigung ein ganz anderer Reinigungszyklus als für die Abfrage gewählt werden kann, sondern es hat weiterhin den Vorteil, daß der durch den Reinigungs-Stromimpuls am Kontaktübergangs­ widerstand hervorgerufene Spannungsabfall nicht in die Sollwerterfassung eingeht, sondern wirklich nur zur Kon­ taktreinigung verwendet wird. Der eigentliche Abfrage­ stromimpuls erzeugt wegen des kleinen Stromwertes von z.B. 50 µA nur sehr geringe Spannungsabfälle. Der nächste Reinigungs-Stromimpuls für den nächsten Kontakt 2 erfolgt beispielsweise erst nach 64 Abfragestromimpuls-Zyklen. Nach weiteren 64 Abfragestromimpuls-Zyklen erfolgt schließlich der Reinigungs-Stromimpuls für den Kontakt 3. Die als Beispiel gewählte Teilerzahl 64 kann natür­ lich zur weiteren Reduzierung des Strombedarfs z.B. auf den Wert 2⁸=256 erhöht werden.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zum Steuern der elektrischen Leistung für einen Verbraucher, bei der mit Hilfe eines mechanischen Codierschalters ein elektrischer Sollwert eingestellt wird und dieser Sollwert abgefragt wird und bei der die mechanischen Kontakte mit Hilfe von Strom­ impulsen gereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfragestromimpulse und die Reinigungsstromimpulse zeitlich getrennt voneinander erfolgen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zeitliche Abstand zwischen den Reini­ gungsstromimpulsen größer ist als der zeitliche Abstand zwischen den Abfragestromimpulsen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsstrom größer als der Abfragestrom ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerleitungen vorge­ sehen sind, die vom mechanischen Codierschalter mit einem Binär-Code beaufschlagt werden.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Fensterdiskriminatoren vorgesehen sind, die den Steuerleitungen zugeordnet sind und die die Zustände der Steuerleitungen mit Schwellwerten verglei­ chen.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Fensterdiskriminato­ ren Datenspeicher zugeordnet sind, die die Ausgangssi­ gnale der Fensterdiskriminatoren speichern.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Stromquellen vorgesehen sind, die zur Abfrage des Binär-Codes Ströme in die Steuerleitungen liefern.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Stromquellen vorgesehen sind, die die Reinigungsströme liefern.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablaufsteuerung vorgesehen ist, die die Stromquellen für die Abfrage des Binär-Codes sowie die Reinigungs-Stromquellen steu­ ert.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringzähler vorgese­ hen ist, der von der Ablaufsteuerung Reinigungstaktim­ pulse erhält, und daß monostabile Flip Flops vorgesehen sind, die vom Ringzähler angesteuert werden und die Freigabesignale für die Reinigungsstromquellen liefern.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufsteuerung aus einer Teilerkette besteht, die aus einem Systemtakt eine zyklisch wiederkehrende Folge von Ansteuerimpulsen erzeugt.