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Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungsversorgungssysteme
der Bauart, welche zur Zeit in elektrischen Haushaltsgeräten
eingesetzt werden, die an das elektrische Netz angeschlossen
werden, wie z.B. Bügeleisen, elektrische Kaffeemaschinen usw.,
bei denen die Last ein Heizwiderstand mit relativ großer
Leistung ist.
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Unterschiedliche Erwägungen hinsichtlich der
Wirtschaftlichkeit und der Wärmeabstrahlung der Steuerschaltung haben dazu
geführt, für dieses System ein elektromechanisches Relais als
Mittel zum Schalten des Stromes in der Last zu wählen, und
zwar üblicherweise einen Heizwiderstand. In solchen Systemen
muß eine Gleichspannungsquelle mit niedrigem Potential
vorgesehen werden, um die Erregerspule des Relais zu speisen. Diese
Niederspannungsversorgung wird im allgemeinen auch dazu
verwendet, weitere Komponenten der Schaltung zu versorgen. Der
momentane Trend geht z.B. dahin, in die elektrischen
Haushaltsgeräte Microprozessoren einzufügen, deren Kosten mehr und
mehr abnehmen, um unterschiedliche Erfassungssignale zu
verarbeiten, z.B. Signale, welche Kurzschlüsse, ein Überheizen,
das Fehlen von Flüssigkeit usw. anzeigen.
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Fig. 1 stellt eine übliche Struktur einer Schaltung der oben
angegebenen Art nach dem Stand der Technik dar.
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Die Schaltung umfaßt zwischen zwei Anschlüssen 1 und 2 eines
Wechselstromnetzes eine Last L in Reihe mit dem Schalter 3
eines über eine Spule 4 gesteuerten Relais. Die
Versorgungsanschlüsse 1 und 2 speisen einen Gleichrichter 5, dessen
gleichgerichtetes Ausgangssignal zu einer
spannungsvermindernden
Schaltung 6 geht, die Ausgangsanschlüsse 7 und 8 aufweist.
Zwischen diesen Anschlüssen 7 und 8 sind eine Erregerspule 4
des Relais und ein Schalter 9 angeordnet, welche manuell oder
über Signale gesteuert werden können, die von einem
Mikroprozessor oder einer anderen geeigneten Schaltung (nicht gezeigt)
vorgesehen werden, die über die niedrige Gleichspannung an den
Anschlüssen 7 und 8 gespeist wird.
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Die Realisierung der spannungsvermindernden Schaltung wirft
zwei Probleme auf. Die Schaltung wird entweder vollständig aus
passiven Elementen aufgebaut, wobei sie dann Wärme abstrahlt,
oder diese Schaltung wird mit aktiven Elementen hergestellt,
um die Wärmeabstrahlung zu vermindern, wobei sie dann
Komponenten enthalten muß, welche die gesamte gleichgerichtete
Spannung des Netzes aushalten können müssen.
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Darüberhinaus beschreibt die GB-A-2,077,543 eine über Relais
gesteuerte Schaltung, welche bereits mit einer verminderten
Spannung versorgt wird, und bei der im übrigen ein
geschalteter Schaltkreis vorgesehen ist, um die in der Spule
verbrauchte Leistung weiter zu vermindern, wenn diese
abgeschaltet ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
elektrisches System der oben genannten Art vorzusehen, bei dem
die Kosten der spannungsvermindernden Schaltung gesenkt werden
können und gleichwohl nur eine geringe thermische Abstrahlung
auftritt.
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Um diese Aufgabe zu lösen, verwendet die vorliegende Erfindung
eine aktive spannungsvermindernde Schaltung, bei der die
Erregerspule des Relais auch als ein Element verwendet wird, das
zu der spannungsvermindernden Schaltung gehört.
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Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung sieht eine
Einrichtung
vor, bei der die gleichrichtende spannungsvermindernde
Schaltung, oder Gleichrichter/Abwärtswandler-Schaltung, in
einem Schaltmodus arbeitet und die Erregerspule des
Relaisschalters als eine Induktivität verwendet wird, durch welche
ein regulierter Strom fließt, der normalerweise auf den Wert
des Haltestroms des Relaisschalters eingestellt wird und der
auf einen höheren Einschaltwert oder einen niedrigeren
Ausschaltwert umgeschaltet werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die
Gleichrichter/Abwärtswandler-Schaltung an dem Ausgang eines
Gleichrichters eine Zerhackerschaltung, einen Meßwiderstand und die
Spule, die mit einem ersten Ausgangsanschluß verbunden ist,
wobei der erste Ausgangsanschluß mit einem zweiten
Ausgangsanschluß über die parallele Schaltung einer Zenerdiode und
eines Speicherkondensators verbunden ist, wobei eine
Regelschaltung den Arbeitszyklus des Schalters steuert, um einen
vorgegebenen Strom in der Spule festzulegen, und wobei die
Regelschaltung eine Vorrichtung zum Festlegen des Stroms bei
dem Wert des Haltestroms des Relaisschalters, bei einem hohen
Wert, der größer ist als der Einschaltstrom, oder bei einem
niedrigen Wert, der kleiner ist als der Ausschaltstrom,
aufweist.
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Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung sind mit weiteren Einzelheiten in der
folgenden Beschreibung besonderer Ausführungs formen in Bezug
auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
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Fig. 1, die bereits oben beschrieben wurde, die herkömmliche
Architektur einer Schaltung, welche mit der
vorliegenden Erfindung verbessert werden soll;
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Fig. 2 den allgemeinen Aufbau einer Schaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 die Ströme, welche über die Spule eines
elektromechanischen
Relais fließen, um den Schalter dieses
Relais anzusteuern; und
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Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Regelschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Schaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei widerum die Anschlüsse 1
und 2 des Wechselstromnetzes, der Relaisschalter 3, die Last L
und der Gleichrichter 5 gezeigt sind, der in diesem Fall eine
Diodenbrücke ist. Die Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung, welche sowohl die spannungsvermindernde oder
Abwärtswandlungs-Funktion als auch die Steuerung der Erregerspule des
Relais 4 kombiniert, ist an den Ausgangsanschlüssen 11 und 12
des Gleichrichters angeschlossen. Wie in Fig. 1 sind die
Ausgangsanschlüsse der Abwärtswandlerschaltungen mit den
Bezugszeichen 7 und 8 bezeichnet.
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Die spannungsvermindernde Schaltung ist ein geschalteter
Abwärtswandler. Er besteht im wesentlichen aus einem Schalter
13, der mit einer hohen Frequenz, z.B. 100 kHz, geschaltet
wird und dessen erster Anschluß mit dem Anschluß 11 verbunden
ist und dessen zweiter Anschluß über eine Spule mit dem
Ausgangsanschluß 7 verbunden ist, wobei gemäß der vorliegenden
Erfindung als die Spule die Erregerspule 4 des Relais
verwendet wird. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 7 und 8 ist eine
Parallelschaltung aus einer Zenerdiode 14, zum Einstellen des
Wertes der niedrigen Spannung der Abwärtswandlerschaltung z.B.
6 oder 12 Volt, und einem Speicherkondensator 15
angeschlossen. Die zwischen den Ausgangsanschlüssen 7 und 8 zur
Verfügung stehende Leistung wird durch den Arbeitszyklus des
Schalters 13 bestimmt. Dieser Arbeitszyklus wird durch eine
Regelschaltung 16 festgelegt, welche über einen Meßwiderstand rm
Information über den durch die Spule 4 fließenden Strom
erhält.
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Man beachte, daß die Wahl des durch die Relaisspule 4
fließenden Stromes den Ein- oder Aus-Zustand des Schalters des Relais
3 bestimmt. In der Tat, wenn man den Steuermodus der Spule 4
in Fig. 1 betrachtet, bekommt der Betrachter des Relais im
Allgemeinen den Eindruck, daß die Steuerung des
Ausschaltoder Einschaltvorgangs des Schalters 3 davon abhängig ist, ob
die Spule 4 über den Schalter 9 Leistung erhält oder nicht.
Dies ist der Steuermodus für einen elektromechanischen
Relaisschalter, der am häufigsten eingesetzt wird. Wenn der Betrieb
des Relais jedoch genauer analysiert wird, bemerkt man mit
Bezug auf Fig. 3, daß der Zustand eines Relaisschalters in
Wirklichkeit von dem Strom abhängt, der durch die zugeordnete
Erregerspule fließt. Wenn der Strom im wesentlichen gleich
einen bestimmten Haltestrom iH ist, bleibt das Relais in seinem
Anfangszustand. Wenn der Strom einen Schwellwert ion während
einer minimalen Zeitdauer überschreitet, wird der Schalter
geschlossen, und er bleibt geschlossen, bis der Strom während
einer vorgegebenen Zeitspanne niedriger als ein niedriger
Schwellwert ioff ist.
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Die vorliegende Erfindung nützt diesen Steuermodus eines
Relais aus. Der Schalter 13 von Fig. 2 wird so eingestellt, daß
im Ruhezustand der Strom in der Spule 4 im wesentlichen gleich
iH ist. (Tatsächlich bewirkt die Hochfrequenzsteuerung des
Schalters 13 eine Schwingung dieses Stromes um einen
Mittelwert iH; es genügt, wenn die Schwingung des Stromes mit diesen
periodischen Wellen zwischen den Werten ion und ioff bleibt bzw.
nur sehr kurz hiervon abweicht.) Es sind in dem Regler 16 also
Mittel vorgesehen, um in einem normalen Zustand den Strom in
der Spule auf den Wert iH zu halten und um den Strom
vorübergehend über den hohen oder unter den niedrigen
Triggerwert abzuändern, wenn dies erwünscht ist, um den
Zustand des Relais zu verändern.
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Eine vereinfachte Ausführungsform des Reglers 16 ist
schematisch
in Fig. 4 gezeigt, in der wiederum Anschlüsse 11 und 12
des Gleichrichters 5, der Schalter 13, welcher aus einem N-
Kanal MOS-Transistor besteht, und der Widerstand rm dargestellt
sind.
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Die Spannung an den Anschlüssen des Widerstandes rm wird in
einem Vergleicher 20 mit einer von drei Bezugsspannungen
verglichen, welche durch Zenerdioden z&sub0;, z&sub1; und z&sub2; eingestellt
werden. Die Zenerdiode z&sub0; entspricht einer Spannung, bei der
der Strom durch den Widerstand rm ungefähr gleich iH ist. Die
Zenerdiode z&sub1; entspricht einer Spannung, bei der der Strom in
dem Widerstand rm geringer als ioff ist. Die Zenerdiode z&sub2;
entspricht einer Spannung, bei der der Strom in dem Widerstand rm
höher als ion ist. Eine dieser Dioden wird über Schalter 21, 22
und 23 aktiviert, wobei der Schalter 21 normalerweise
geschlossen ist und der Schalter 22 oder der Schalter 23
geschlossen werden, wenn der Schalter 21 offen ist, wenn man den
Schalter 3 des Relais öffnen oder schließen will.
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Der Ausgang des Verstärkers 20 steuert den Eingang R eines RS-
Flip-Flops 25 an, dessen Eingang S mit dem Eingang R über eine
monostabile Schaltung 26 verbunden ist. Der Ausgang des RS-
Flip-Flops 25 steuert das Gate des MOS-Transistors 13 an. Wenn
man annimmt, daß sich der MOS-Transistor 13 öffnet, wenn ein
Signal am Eingang R des Flip-Flops auftritt, und daß er offen
bleibt, bis ein Signal am Eingang S auftritt, ist demnach die
Öffnungs- oder Abschaltdauer konstant, und sie wird durch die
Dauer der monostabilen Schaltung 26 eingestellt. Diese
Zeitspanne bestimmt die Ordnung der Länge der Einschalt- und
Ausschaltperiode des Schalters 13.
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Damit der Regler in dem Anfangszustand arbeitet, wenn das
gesamte System an die Anschlüsse des Netzes angeschlossen wird,
sollten zunächst das RS-Flip-Flop und der Komparator 20
versorgt werden. Hierfür kann eine Schaltung, wie die im rechten
unteren Teil von Fig. 4 zwischen den Anschlüssen 11 und 12
dargestellte, eingesetzt werden. Diese Schaltung umfaßt eine
Reihenschaltung aus einem Widerstand 28 und einer Zenerdiode
29, wobei letztere parallel zu einem Kondensator 30
angeschlossen ist. Diese Initialisierungsschaltung sollte nur die
Leistung vorsehen, welche zum Speisen einer RS-Flip-Flop-
Schaltung und eines Komparators notwendig ist. Wenn das System
einmal initialisiert ist, kann die an den Anschlüssen 7 und 8
anliegende Gleichspannung auch als die Spannung über dem
Kondensator 30 verwendet werden.
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Der Fachmann auf diesem Gebiet erkennt, daß die in Verbindung
mit Fig. 2 und 4 offenbarten Aus führungs formen lediglich
erläuternde Ausführungsbeispiele sind. Für den Fall von Fig. 2
sind andere Systeme bekannt, welche als
Abwärtswandlerschaltungen eingesetzt werden können, bei denen das Hauptelement
eine Induktivität ist. Für den Fall von Fig. 4 sind viele
Schaltungen bekannt, um die Regelungsfunktion vorzusehen. Ein
Beispiel einer solchen Schaltung ist die integrierte
Schaltung, welche von SGS-Thomson unter der Bezeichnung UC3842
erhältlich ist.
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Zusätzlich können einfache Druckschalter, deren Schließdauer
durch die Dauer der Betätigung bestimmt wird, als Schalter 22
und 23 verwendet werden, um eine Einschaltordnung oder
Ausschaltordnung des Relais zu bestimmen. Hierfür können auch
Schalter verwendet werden, welche Schaltungen zugeordnet sind,
die Einschaltordnungen einer vorgegebenen Dauer vorsehen.
Diese Schalter sollten ferner über ein elektrisches Signal
gesteuert werden können, beispielsweise über ein von einem
Mikroprozessor vorgesehenes Signal, welcher unterschiedliche
sich auf das System beziehende Informationen verwaltet.
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Der Fachmann auf diesem Gebiet kann auch Anordnungen in
Betracht ziehen, bei denen die Funktionen des Gleichrichters und
des Abwärtswandlers nicht getrennt sind.