EP3855467A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines relais - Google Patents

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EP3855467A1
EP3855467A1 EP21152556.3A EP21152556A EP3855467A1 EP 3855467 A1 EP3855467 A1 EP 3855467A1 EP 21152556 A EP21152556 A EP 21152556A EP 3855467 A1 EP3855467 A1 EP 3855467A1
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EP
European Patent Office
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switching
relay
delay
zero crossing
voltage zero
Prior art date
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Application number
EP21152556.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3855467B1 (de
Inventor
Patrick Engelhardt
Eduard Krämer
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EGO Elektro Geratebau GmbH
Original Assignee
EGO Elektro Geratebau GmbH
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Publication date
Application filed by EGO Elektro Geratebau GmbH filed Critical EGO Elektro Geratebau GmbH
Publication of EP3855467A1 publication Critical patent/EP3855467A1/de
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Publication of EP3855467B1 publication Critical patent/EP3855467B1/de
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/56—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/02—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay
    • H01H47/18—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for introducing delay in the operation of the relay
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/56—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H2009/566—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle with self learning, e.g. measured delay is used in later actuations

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a relay with a relay contact, preferably a conventional relay.
  • the invention also relates to a device which is designed to carry out this method and which has the relay, preferably also a load to be connected by the relay to a switching voltage, and connections to a controller to control the relay, which preferably has a microcontroller .
  • the invention is based on the object of creating a method mentioned at the beginning and a device mentioned at the beginning designed for carrying out the method, with which problems of the prior art can be solved and in particular it is possible to be able to safely and reliably control a relay and a To achieve opening or closing of the relay contact as possible in the switching voltage zero crossing, whereby the design effort should preferably remain small.
  • switching is recorded as an opening process or as a closing process at the relay in terms of precise opening and precise closing of the relay contact in comparison to a switching voltage zero crossing of a switching voltage to be switched.
  • the switching voltage to be switched is therefore advantageously monitored and it is also monitored whether the relay contact is open or closed. This is determined as a stop or start of a switching current flow, which is thus also recorded or monitored indirectly by monitoring the voltage change.
  • the duration between the activation of the relay with a switching trigger signal and an actual opening or closing of the relay contact is referred to as the switching delay and is recorded or determined. In practice, it can be a few milliseconds. With a frequency of the switching voltage to be switched at 230 V of 50 Hz as the normal mains frequency, a half-wave lasts 10 msec. The switching delay is therefore preferably less than the duration of a half-wave.
  • the switching voltage to be switched by the relay is therefore monitored or recorded, preferably permanently.
  • the relay is activated with a switch trigger signal in order to switch or to open or close the relay contact.
  • the relay is activated with the switching trigger signal before or a switching voltage zero crossing, namely shifted forward by the mentioned switching delay or earlier than a switching voltage zero crossing or when the next or following switching voltage zero crossing follows. If the duration of the switching delay is longer than the duration of a half-wave, after the relay has been activated, the opening or closing process is not carried out until the next but one switching voltage zero crossing, with the relay contact actually opening or closing.
  • the actually performed switching time i.e. when the relay contact is opened or closed and the switching current flow stops or has started, is recorded.
  • the switching voltage zero crossing is recorded.
  • the switching time actually carried out and the switching voltage zero crossing are then set in relation to one another or a check is carried out to determine whether the actual switching time occurred before or after the switching voltage zero crossing.
  • a switching difference is determined as a duration, the actual switching time just being around this switching difference before or after the switching voltage zero crossing or being too late or too early. Only if the switching differential were zero and the actual switching time occurs at the same time as the switching voltage zero crossing the desired optimal switching would have taken place. For a subsequent similar switching, the switching delay is corrected with this switching differential.
  • Similar switching means switching off or switching on or an opening process or a closing process.
  • the switching differential is added to the switching delay if the actual switching time was just too late by the switching differential or was only carried out with this duration after the switching voltage zero crossing. If the actual switching time before the switching voltage zero crossing or by this duration of the switching differential was too early, the switching differential is subtracted from the switching delay. For the subsequent switching of the same type, a considerably smaller switching difference or a considerably smaller difference between the actual switching time and switching voltage zero crossing can then be assumed; in the ideal case, they are exactly together.
  • a microcontroller is used to detect the switching or the opening process and the closing process as well as the switching voltage zero crossing.
  • Various of the aforementioned values can also be stored therein.
  • the signals are advantageously recorded digitally on the microcontroller, that is to say on an A / D input, and converted or processed therein.
  • the correction of the switching difference is carried out so precisely that switching takes place in a time range of ⁇ 0.4 msec around the switching voltage zero crossing. This is considered to be sufficient to avoid an arc when switching, so that a relay contact lasts or can be used considerably longer. This is guaranteed with the mentioned switching range of ⁇ 0.4 msec around the switching voltage zero crossing.
  • resistive loads are switched during the switching or during the method. Only ohmic loads are preferably switched, since the current and voltage are exactly in phase here. This makes the process much easier.
  • the possible switching delays are recorded separately.
  • a closing / switching delay and an opening / switching delay can be determined separately for the closing process and the opening process, respectively become.
  • These two delays do not necessarily have to be the same and can differ by up to 50% or up to 70%.
  • the opening process is usually faster than the closing process. This is one of the reasons why the two switching delays are recorded and used separately.
  • the method can provide that the relay is moved forward by the switching delay after a command to switch or after being activated with the switching trigger signal or is activated earlier than a subsequent switching voltage zero crossing by the duration of the switching delay. Switching therefore takes place within a duration of a half-wave of the switching voltage and after a last detected switching voltage zero crossing.
  • An alternative calculation can provide that the duration of the switching delay is subtracted from the duration of a half-wave and the relay is controlled with the switching trigger signal by this difference or switching time after the switching voltage zero crossing, so that it is actually switched as far as possible in the subsequent switching voltage zero crossing . As a result, it is the same.
  • a closing process and an opening process to be carried out alternately at the end of a positive half-cycle and at the end of a negative half-cycle of the switching voltage.
  • the opening also takes place alternately after the end of a positive half-wave and then a negative half-wave.
  • material migration on the relay contact which would damage the relay contact in the long term, can be reduced. Every similar closing process and every similar opening process is thus carried out with a directly alternating current direction, which reduces or avoids this migration of material.
  • this relay is switched once at any time, in particular switched exactly once at any time.
  • the duration of the switching delay of this relay can be roughly recorded as the initial switching delay.
  • this initial switching delay is used as the duration for triggering the switching trigger signal on the relay before a switching voltage zero crossing.
  • the switching difference is recorded as the time difference between the actual switching time and switching voltage zero crossing. In this way, the first switching delay is corrected as described above and a switching delay is obtained that replaces the first switching delay is used for further operation of the electrical device when the relay is switched on.
  • This corrected switching delay of the relay is then used for a subsequent opening process of the relay. Since, as has been explained above, the opening and closing of the relay contact can take place at different speeds, a noticeable switching difference will again occur between the actual switching time and switching voltage zero crossing.
  • the aforementioned switching delay is corrected with this switching differential in order to obtain an opening switching delay.
  • the relay is switched as a closing process, i.e. when it is to be closed, the switching differential is recorded again and the switching delay is corrected in order to obtain a closing switching delay. With these two switching delays, the relay can then be controlled further.
  • the switching delay is corrected only at certain intervals by means of a detected switching difference, for example every fifth, every tenth or every fiftieth switching and not every switching.
  • the switching delay is corrected for each switching or each subsequent opening and closing process of the relay. After two or three corrections, there should actually be no or no significant switching differential, at least none above the aforementioned 0.4 msec. Nevertheless, it is possible under certain circumstances that a switching delay changes somewhat as the relay heats up.
  • a switching delay of earlier switching in particular in the first hours of operation of the electrical device with the relay therein, can be stored. This is advantageously done both for an opening process and for a closing process.
  • an error is detected in the relay or in a control for the relay. Such an error can be signaled to an operator optically and / or acoustically. Under certain circumstances it can even be provided that a closing process of the relay is prevented so that it is not switched on at all on the electrical device.
  • the microcontroller can use between 1,000 and 20,000 measuring points per second as the sampling frequency. These are preferably between 5,000 and 8,000 measuring points. This means that measurements are taken approximately every 150 ⁇ sec or every 160 ⁇ sec, or this time interval lies between two measuring points. This is well below the aforementioned targeted 0.4 msec as the desired upper limit for a time interval from the switching voltage zero crossing.
  • digital recording can be made to the sense line of the microcontroller. The microcontroller then controls the relay with the switch trigger signal.
  • An electrical device that is designed to carry out the method is advantageously a household electrical device or a cooking device.
  • the method is thus integrated into its control with a microcontroller, for example in a hob.
  • the method can advantageously be used for switching any type of ohmic load, even in an oven or for use in industry.
  • a hob 11 is shown schematically and in a simplified manner with a hob plate 12.
  • Two heating devices 13a and 13b are arranged under the hob plate 12, which are designed here as known and customary radiant heating devices. They are thus resistance heaters and thus represent an exclusively ohmic load.
  • a pot 14 is placed on the hob plate 12 above the right-hand heating device 13a in order to be heated.
  • the hob 11 has a control 16 in order to be operated with it, in particular in order to supply the heating devices 13a and 13b with power during operation.
  • the control 16 has an operating device 18 on the underside of the hob plate 12, advantageously designed with operating elements in the form of touch switches and displays in the form of LEDs or illuminated displays.
  • the controller 16 also has a microcontroller 20 as what is known as intelligence.
  • the microcontroller 20 controls clock relays 22a and 22b, which each switch the switching voltage for the heating devices 13a and 13b and thus take over the power supply.
  • an isolating relay 23 and a switched-mode power supply 28, possibly designed as a switched mode power supply, are provided.
  • the controller 16 has a connection cable 25 with a plug 26 at the free end as a mains connection to 230 V / 50 Hz. This is representative of the electrical connection of the hob 11, which is normally made in a junction box.
  • a circuit diagram is shown with a conductor L and a neutral conductor of the switching voltage U, which correspond to the connection cable 25, so to speak.
  • the conductor L goes to an isolating relay 23, which essentially serves to be opened in emergencies and to switch off the hob 11, for example because a serious error has been detected. Such a switching process is very rare. Otherwise, the isolating relay 23 only switches in the de-energized state, so that its control or switching behavior is not critical for the subject of the present application.
  • a resistor R1 is connected to the isolating relay 23 in the upper branch upper interconnection connected. By means of two diodes, the signal behind the resistor R1 is between ground and the potential of the neutral conductor N. Another resistor R2 and a capacitor C1 are then connected in parallel to ground.
  • the signal S_DLB applied to it is required, in particular for dynamic load balancing.
  • the clock relay 22 is arranged in the lower branch of the neutral conductor N.
  • the lower branch there is also a resistor R3 and, in turn, a diode connection similar to that in the upper branch.
  • the lower branch is connected to ground with a capacitance C2 and to the neutral conductor N or its potential with a resistor R4.
  • a signal S_Takt can be tapped here.
  • a heating device 13 is connected as an ohmic load between the two branches behind the clock relay 22 and the isolating relay 23. If both relays 22 and 23 are closed, the heating device 13 is connected to the switching voltage and is operated or heated with it.
  • the microcontroller 20 controls the clock relay 22 to open and close its relay contact on the basis of a power specification of an operator on the operating device 18 or on the basis of a cooking program.
  • the clock relay 22 thus switches the switching voltage between L and N.
  • the isolating relay 23 is always closed. It is only opened by the microcontroller 20 in the event of a serious incident mentioned above.
  • the switched-mode power supply 28 supplies the microcontroller 20 with a supply voltage in the usual way. This can be selected differently, for example 3.3 V or 5 V, depending on how the microcontroller 20 is designed. Behind the switched-mode power supply you can see that the upper branch is at the potential of the neutral conductor N, while ground compared to this potential of N is then -3.3 V or -5 V. This results in the aforementioned supply voltage at the microcontroller 20. This negative ground, so to speak, naturally also applies to the interconnection of the Fig. 2 .
  • the microcontroller 20 in turn is connected to the one isolating relay 23 and to the clock relays 22a and 22b and also to further clock relays, if these are present.
  • the two signals S_DLB and S_Takt are also fed into the microcontroller 20, specifically the signal S_Takt on a digital senseline.
  • the signal S_DLB is also absolutely necessary, since it is necessary for zero crossing detection.
  • the signals are used to like from the Fig. 2 It can be seen that the microcontroller 20 to carry out the method according to the invention can on the one hand monitor the switching voltage U and on the other hand sees or detects when the clock relay 22 switches or when its actually carried out switching time occurs.
  • the curve for the switching voltage U is now shown over the time t, below it for a switching trigger signal and again below it for the signal S_Takt.
  • the switching voltage U is here at 230 V and 50 Hz.
  • the microcontroller 20 switches the clock relay 22 with a switching trigger signal at any point in time 1, so that the clock relay closes or a closing process takes place on its relay contact.
  • a certain closing / switching delay SV on which here can last for example 7 msec, the clock relay or its relay contact is actually closed and the switching current flow has started. This can be seen in the signal S_Takt, namely when it is at 1 again. It is at zero during the closing process.
  • This switching delay SV on is recorded by the microcontroller 20 and stored for use in the next closing process on the clock relay 22.
  • the microcontroller 20 At an already planned time of opening of the clock relay 22, for example because this is desired because of a power level of the power supply for the heating device 13, here as time 3, the microcontroller 20 generates a switching trigger signal to open the clock relay as an opening process at the relay contact. This takes place, for example, at the zero crossing of the switching voltage, which does not have to be the case.
  • time 4 after an opening / switching delay SV off, the relay contact is actually opened or the switching voltage is switched, the switching current flow has stopped.
  • This switching delay SV off is here about 5 msec and is thus somewhat shorter than the switching delay when switching on SV on .
  • the microcontroller 20 detects the switching delay SV off of the opening process. On the one hand, the heating device 13 is now switched off. On the other hand, this can in turn be recognized by the S_Takt signal. This switching delay is saved for the next use.
  • Fig. 5 it is now shown how these switching delays are actually used, for example exactly the next time the clock relay is switched. If this is to be switched on again for the power supply of the heating device, it is before a zero crossing the switching voltage, here from negative to positive, shifted forward by the switching delay SV on generates a switching trigger signal on the clock relay. In practice, this can also easily be achieved in that the microcontroller 20 subtracts this switching delay SV on from the duration of a half-wave and this results in a switch-on time t on . In the oppositely polarized zero crossing of the switching voltage U, the microcontroller 20 waits this switch-on time t on after the zero crossing from positive to negative in order to then give the switching trigger signal to the clock relay, i.e.
  • the clock relay thus begins the closing process at the relay contact, which is completed after a certain period, which is approximately at the aforementioned switching delay SV on .
  • the actual switching time is now recognized in the signal S_Takt, namely when this rises again. This is here somewhat before the zero crossing shown in dashed lines, but still within the desired switching window SB, which can be approximately 800 microseconds.
  • the microcontroller 20 detects this switching difference between the actual switching time and the switching voltage zero crossing, which here can be, for example, 200 microseconds.
  • the clock relay has switched in the switching range SB, but somewhat before the actual switching voltage zero crossing, so that the switching delay is corrected.
  • the mentioned switching difference is subtracted from the switching delay SV on , so the switching trigger signal for the closing process is triggered a little later the next time or the switch-on time t on is correspondingly slightly longer until the switching trigger signal is sent to the clock relay.
  • the microcontroller 20 should open the clock relay 22 again within the scope of the power supply.
  • a switching trigger signal for the opening process should therefore be generated or given to the clock relay 22 by the switching delay SV off before a voltage zero crossing, here from negative to positive.
  • the microcontroller 20 subtracts the switching delay SV off from the duration of a half-wave of the switching voltage and receives the switch-off time t off . After the oppositely polarized switching voltage zero crossing from positive to negative, the switch-off time t off is waited for and the switch trigger signal for opening the relay contact is then generated at time 3.
  • the relay contact is opened or is actually opened and the switching current flow stops.
  • This switching can also be recognized in the signal S_Takt; it is also within the desired switching range SB.
  • the actual switching time is slightly before the switching voltage zero crossing, which again results in a switching difference.
  • This switching difference is subtracted from the switching delay SV off , which is thus shorter, so that the switching trigger signal is generated a little later during the next opening process or less long before the switching voltage zero crossing, the switch-off time t off is a little longer as a result. If the actual switching time were a little after the switching voltage zero crossing, the resulting switching difference would be added to the switching delay, the switching trigger signal is generated a little earlier during the next opening process.
  • the switching delays SV on and SV off corrected in this way are used for the next closing process and the next opening process.
  • the respective switching differential can then be recorded again and the switching delays SV on and SV off can thus be corrected again.
  • the microcontroller 20 can take into account that the next closing process and also the next opening process take place at the switching voltage zero crossing with opposite polarity, that is, from positive to negative in each case. Then it may be switched a half-wave later, but this does not represent a significant difference or a problem for the power supply.
  • FIG. 5 shows how switching is actually carried out after the switching delay SV on at time 2 has elapsed. This takes place a little earlier than the switching voltage zero crossing, which is shown in dashed lines.
  • the switching difference SD can be about 100 microseconds here and is still well within the switching range SB or the actual switching time is within this switching range SB around the switching voltage zero crossing.
  • the switching difference SD shown is added to the switching delay SV on as the aforementioned correction because of the actual closing process at relay 22 which actually took place somewhat too early.
  • the special feature of the invention with the simple interconnection according to the Figs. 2 and 3 and the simple control or wiring of the microcontroller 20 show how the invention can be advantageously implemented.
  • the wiring effort according to Fig. 2 is low.
  • the above-described continuous correction of the switching delays SV on and SV off ensures that the switching time is actually carried out as close as possible to the switching voltage zero crossing, i.e. with a low switching current, at least in the aforementioned switching range SB of less than 1 msec or less than 0.8 msec .
  • switching delays are advantageously stored from the first start-up of the hob 11, so that a history of the duration of these switching delays can be recorded over a very long period, so to speak. For this it can be sufficient if not every value for switching delays is saved, but only every value, for example tenth, every fiftieth or every hundredth switching delay. Over a period of several months or even several years of the operation of the hob 11, it is then possible to monitor how the switching delay behaves in the long term. As a rule, it is more likely to increase a little. However, if this increase becomes too strong or the speed of the increase increases too much, for example if certain predetermined limit values are exceeded, the controller 16 or the microcontroller 20 can generate a type of warning or a request to replace a certain clock relay.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Ansteuerung eines Relais mit Relaiskontakt wird ein Schalten als Öffnungsvorgang oder Schließvorgang an dem Relais zeitlich erfasst hinsichtlich genauem Öffnen oder Schließen des Relaiskontakts im Vergleich zu einem Schalt-Spannungsnulldurchgang einer zu schaltenden Schalt-Spannung. Ein tatsächlicher Schaltzeitpunkt wird ermittelt und durch weiteres Erfassen von Schaltvorgängen korrigiert. Dazu wird ein Mikrocontroller benutzt, die Signale können digital erfasst werden, also an einem A/D-Eingang erfasst werden.

Description

    Anwendungsgebiet und Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Relais mit Relaiskontakt, vorzugsweise eines üblichen Relais. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist und die das Relais aufweist, vorzugsweise auch eine von dem Relais an eine Schalt-Spannung anzuschließende Last sowie Anschlüsse an eine Steuerung, um das Relais anzusteuern, die vorzugsweise einen Mikrocontroller aufweist.
  • Aus der DE 19916778 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Schaltvorgänge von Lastschaltern bekannt, beispielsweise eines Schützes. Dabei wird der Stromfluss überwacht.
  • Ein weiteres Verfahren zum verbesserten Herstellen einer Schaltverbindung ist aus der DE 102005051762 A1 bekannt. Dabei können eine Einschaltverzögerung und eine Ausschaltverzögerung erfasst werden.
  • Schwierig ist die Verbesserung einer solchen Ansteuerung eines Relais im praktischen Betrieb mit geringem Aufwand und hoher Sicherheit im Betrieb.
    • Aufgabe und Lösung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine eingangs genannte Vorrichtung ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, ein Relais sicher und zuverlässig ansteuern zu können sowie ein Öffnen oder Schließen des Relaiskontakts möglichst im Schalt-Spannungsnulldurchgang zu erreichen, wobei vorzugsweise der konstruktive Aufwand klein bleiben sollte.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für das Verfahren oder nur für die Vorrichtung beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für ein Verfahren als auch für eine Vorrichtung selbständig und unabhängig voneinander gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Für das Verfahren ist vorgesehen, dass folgende Schritte durchgeführt werden. Allgemein wird ein Schalten als ein Öffnungsvorgang oder als ein Schließvorgang an dem Relais zeitlich erfasst hinsichtlich genauem Öffnen und genauem Schließen des Relaiskontakts im Vergleich zu einem Schalt-Spannungsnulldurchgang einer zu schaltenden Schalt-Spannung. Vorteilhaft wird also die zu schaltende Schalt-Spannung überwacht und ebenso wird überwacht, ob der Relaiskontakt geöffnet oder geschlossen ist. Dies wird als Stopp oder als Start eines Schalt-Stromflusses ermittelt, was somit auch indirekt mittels Überwachung der Spannungsänderung erfasst bzw. überwacht wird. Die Dauer zwischen einem Ansteuern des Relais mit einem Schaltauslösesignal und einem tatsächlichen Öffnen oder Schließen des Relaiskontakts wird als Schaltverzögerung bezeichnet und erfasst bzw. ermittelt. Sie kann in der Praxis wenige Millisekunden betragen. Bei einer Frequenz der zu schaltenden Schalt-Spannung bei 230 V von 50 Hz als normale Netzfrequenz dauert eine Halbwelle 10 msec. Vorzugsweise liegt die Schaltverzögerung also unter der Dauer einer Halbwelle.
  • Die von dem Relais zu schaltende Schalt-Spannung wird also überwacht bzw. erfasst, vorzugsweise permanent. Das Relais wird nach Freigabe eines Befehls zum Schalten mit einem Schaltauslösesignal angesteuert, um zu schalten bzw. um den Relaiskontakt zu öffnen oder zu schließen. Allerdings wird das Relais mit dem Schaltauslösesignal vor dem oder einem Schalt-Spannungsnulldurchgang angesteuert, und zwar um die genannte Schaltverzögerung zeitlich nach vorne versetzt bzw. zeitlich früher als ein Schalt-Spannungsnulldurchgang kommt bzw. als der nächste oder folgende Schalt-Spannungsnulldurchgang folgt. Sollte die Dauer der Schaltverzögerung über der Dauer einer Halbwelle liegen, so wird nach Ansteuern des Relais erst beim übernächsten Schalt-Spannungsnulldurchgang der Öffnungsvorgang oder der Schließvorgang durchgeführt mit tatsächlichem Öffnen oder Schließen des Relaiskontakts.
  • Dann wird der tatsächlich durchgeführte Schaltzeitpunkt, also wenn der Relaiskontakt geöffnet oder geschlossen ist und der Schalt-Stromfluss stoppt oder gestartet ist, erfasst. Zusätzlich wird der Schalt-Spannungsnulldurchgang erfasst. Der tatsächlich durchgeführte Schaltzeitpunkt und der Schalt-Spannungsnulldurchgang werden dann in Relation zueinander gesetzt bzw. es wird überprüft, ob der tatsächliche Schaltzeitpunkt vor oder nach dem Schalt-Spannungsnulldurchgang erfolgt ist. Hierbei wird eine sogenannte Schaltdifferenz ermittelt als Dauer, wobei der tatsächliche Schaltzeitpunkt eben um diese Schaltdifferenz vor oder nach dem Schalt-Spannungsnulldurchgang lag bzw. zu spät oder zu früh erfolgt ist. Nur wenn die Schaltdifferenz Null wäre und der tatsächliche Schaltzeitpunkt zeitglich mit dem Schalt-Spannungsnulldurchgang erfolgt wäre, wäre das gewünschte optimale Schalten erfolgt. Für ein nachfolgendes gleichartiges Schalten wird die Schaltverzögerung mit dieser Schaltdifferenz korrigiert. Gleichartiges Schalten bedeutet hier Ausschalten oder Einschalten bzw. ein Öffnungsvorgang oder ein Schließvorgang. Bei der Korrektur wird die Schaltdifferenz zur Schaltverzögerung addiert, falls der tatsächliche Schaltzeitpunkt eben um die Schaltdifferenz zu spät war bzw. mit dieser Dauer erst nach dem Schalt-Spannungsnulldurchgang erfolgt ist. War der tatsächliche Schaltzeitpunkt vor dem Schalt-Spannungsnulldurchgang bzw. um diese Dauer der Schaltdifferenz zu früh, so wird die Schaltdifferenz von der Schaltverzögerung abgezogen. Für das nachfolgende gleichartige Schalten kann dann von einer erheblich geringeren Schaltdifferenz bzw. einem erheblich geringeren Unterschied zwischen tatsächlichem Schaltzeitpunkt und Schalt-Spannungsnulldurchgang ausgegangen werden, im Idealfall liegen sie genau beieinander.
  • Bei der Erfindung wird ein Mikrocontroller verwendet, um das Schalten bzw. den Öffnungsvorgang und den Schließvorgang sowie auch den Schalt-Spannungsnulldurchgang zu erfassen. Darin können auch verschiedene vorgenannte Werte darin abgespeichert werden. Vorteilhaft werden die Signale am Mikrocontroller digital erfasst, also an einem A/D-Eingang, und darin umgesetzt bzw. verarbeitet.
  • Somit ist es mit der Erfindung möglich, dass ein Schalten möglichst genau im Schalt-Spannungsnulldurchgang erfolgt. Eine Anpassung an unterschiedliche Relais sowie auch an ein möglicherweise unterschiedliches Schaltverhalten beim Öffnungsvorgang und beim Schließvorgang ist somit einfach möglich.
  • Um ein Relais beim Schalten bzw. dessen Relaiskontakt möglichst zu schonen, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Korrektur der Schaltdifferenz so genau erfolgt, dass in einem zeitlichen Bereich von ± 0,4 msec um den Schalt-Spannungsnulldurchgang herum geschaltet wird. Dies wird als ausreichend angesehen, um einen Lichtbogen beim Schalten zu vermeiden, so dass ein Relaiskontakt erheblich länger hält bzw. verwendbar ist. Bei dem genannten Schaltbereich von ± 0,4 msec um den Schalt-Spannungsnulldurchgang herum ist dies gewährleistet.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden bei dem Schalten bzw. bei dem Verfahren ohmsche Lasten geschaltet. Vorzugsweise werden ausschließlich ohmsche Lasten geschaltet, da hier Strom und Spannung genau phasengleich sind. Dies erleichtert das Verfahren deutlich.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die möglichen Schaltverzögerungen separat erfasst werden. Somit können eine Schließen-Schaltverzögerung und eine Öffnen-Schaltverzögerung separat für jeweils den Schließvorgang und den Öffnungsvorgang ermittelt werden. Diese beiden Verzögerungen müssen nicht zwingend gleich sein und können um bis zu 50% oder bis zu 70% voneinander abweichen. Der Öffnungsvorgang geht in der Regel schneller als der Schließvorgang. Dies ist einer der Gründe, warum die beiden Schaltverzögerungen separat erfasst und verwendet werden.
  • Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass das Relais nach Freigabe eines Befehls zum Schalten bzw. nach Ansteuern mit dem Schaltauslösesignal um die Schaltverzögerung zeitlich nach vorne versetzt bzw. um die Dauer der Schaltverzögerung früher als ein folgender Schalt-Spannungsnulldurchgang angesteuert wird. Somit erfolgt ein Schalten innerhalb einer Dauer einer Halbwelle der Schalt-Spannung und nach einem letzten erfassten Schalt-Spannungsnulldurchgang. Eine alternative Berechnung kann vorsehen, dass die Dauer der Schaltverzögerung von der Dauer einer Halbwelle abgezogen wird und um diese Differenz oder Schalt-Zeit nach dem Schalt-Spannungsnulldurchgang das Relais mit dem Schaltauslösesignal angesteuert wird, so dass tatsächlich möglichst im darauffolgenden Schalt-Spannungsnulldurchgang geschaltet wird. Im Ergebnis ist dies dasselbe.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft möglich, dass ein Schließvorgang und ein Öffnungsvorgang jeweils abwechselnd am Ende einer positiven Halbwelle und am Ende einer negativen Halbwelle der Schalt-Spannung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass das Schließen jeweils abwechselnd nach Ende einer positiven Halbwelle und dann einer negativen Halbwelle und dann wieder einer positiven Halbwelle erfolgt. Ebenso erfolgt das Öffnen jeweils abwechselnd nach Ende einer positiven Halbwelle und dann einer negativen Halbwelle. Damit kann eine sogenannte Materialabwanderung am Relaiskontakt reduziert werden, welche den Relaiskontakt auf Dauer schädigen würde. Jeder gleichartige Schließvorgang und jeder gleichartige Öffnungsvorgang wird somit mit jeweils direkt abwechselnder Stromrichtung durchgeführt, wodurch eben diese genannte Materialabwanderung reduziert oder vermieden wird.
  • In der Praxis kann für ein Verfahren vorgesehen sein, dass nach einem ersten Einschalten eines elektrischen Geräts, welches das Relais enthält, dieses Relais einmal beliebig geschaltet wird zu einem beliebigen Zeitpunkt, insbesondere genau einmal zu einem beliebigen Zeitpunkt geschaltet wird. So kann eine Dauer der Schaltverzögerung dieses Relais grob erfasst werden als Erst-Schaltverzögerung. Anschließend wird beim nächsten Schalten des Relais, in der Regel ein Schließvorgang, diese Erst-Schaltverzögerung verwendet als Dauer zum Auslösen des Schaltauslösesignals am Relais vor einem Schalt-Spannungsnulldurchgang. Dann wird wie zuvor erläutert die Schaltdifferenz erfasst als zeitlicher Unterschied zwischen tatsächlichem Schaltzeitpunkt und Schalt-Spannungsnulldurchgang. Damit wird die Erst-Schaltverzögerung wie vorbeschrieben korrigiert und eine Schaltverzögerung erhalten, die anstelle der Erst-Schaltverzögerung für den weiteren Betrieb des elektrischen Geräts mit Einschalten des Relais verwendet wird. Für einen nachfolgenden Öffnungsvorgang des Relais wird dann diese korrigierte Schaltverzögerung des Relais verwendet. Da, wie zuvor erläutert worden ist, das Öffnen und das Schließen des Relaiskontakts unterschiedlich schnell erfolgen kann, wird hier wieder eine merkbare Schaltdifferenz zwischen tatsächlichem Schaltzeitpunkt und Schalt-Spannungsnulldurchgang auftreten. Mit dieser Schaltdifferenz wird die vorgenannte Schaltverzögerung korrigiert, um eine Öffnen-Schaltverzögerung zu erhalten. Beim nächsten Schalten des Relais als Schließvorgang, also wenn es geschlossen werden soll, wird dann erneut die Schaltdifferenz erfasst und damit die Schaltverzögerung korrigiert, um eine Schließen-Schaltverzögerung zu erhalten. Mit diesen beiden Schaltverzögerungen kann dann das weitere Ansteuern des Relais erfolgen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Schaltverzögerung nur in bestimmten Abständen korrigiert wird mittels einer erfassten Schaltdifferenz, beispielsweise bei jedem fünften, jedem zehnten oder jedem fünfzigsten Schalten und nicht bei jedem Schalten. Alternativ und vorteilhaft wird die Schaltverzögerung aber für jedes Schalten bzw. jeden nachfolgenden Öffnungsvorgang und Schließvorgang des Relais korrigiert. Eigentlich sollte sich nach zwei- oder dreimaligem Korrigieren keine oder keine nennenswerte Schaltdifferenz mehr ergeben, zumindest keine oberhalb der vorgenannten 0,4 msec. Dennoch ist es unter Umständen möglich, dass sich durch Erwärmen des Relais eine Schaltverzögerung etwas ändert.
  • In möglicher weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann eine Schaltverzögerung früheren Schaltens, insbesondere in den ersten Betriebsstunden des elektrischen Geräts mit dem Relais darin, abgespeichert werden. Vorteilhaft erfolgt dies sowohl für einen Öffnungsvorgang als auch für einen Schließvorgang. Für den Fall, dass aktuell erfasste Werte für die Schaltverzögerung um mehr als 20 %, alternativ um mehr als 30 % oder 40 %, davon abweichen, wird ein Fehlerfall an dem Relais oder an einer Ansteuerung für das Relais erkannt. Ein solcher Fehlerfall kann einer Bedienperson optisch und/oder akustisch signalisiert werden. Unter Umständen kann sogar vorgesehen sein, dass ein Schließvorgang des Relais verhindert wird, so dass sein Einschalten an dem elektrischen Gerät gar nicht erst erfolgt. Ein solches Abweichen aktuell erfasster Werte für die Schaltverzögerung um mehr als den vorgenannten Anteil, insbesondere wenn die aktuell erfasste Schaltverzögerung entsprechend länger dauert, ist ein starker Hinweis auf einen Fehler am Relais mit möglicher Gefahr eines plötzlichen Versagens, so dass das Relais beispielsweise nicht mehr öffnen kann. Deswegen sollte es gar nicht erst eingeschaltet werden.
  • Es ist möglich, dass bei dem Mikrocontroller pro Sekunde zwischen 1.000 und 20.000 Messpunkte verwendet werden als Sampling-Frequenz. Bevorzugt sind dies zwischen 5.000 und 8.000 Messpunkte. Dies führt dazu, dass etwa alle 150 µsec oder alle 160 µsec gemessen wird bzw. zwischen zwei Messpunkten dieser zeitliche Abstand liegt. Dies liegt gut unterhalb der vorgenannten angestrebten 0,4 msec als gewünschte Obergrenze für einen zeitlichen Abstand zum Schalt-Spannungsnulldurchgang. Bei der Verwendung des Mikrocontrollers kann eine digitale Erfassung an die Sense-Line des Mikrocontrollers erfolgen. Der Mikrocontroller bewirkt dann das Ansteuern des Relais mit dem Schaltauslösesignal.
  • Ein elektrisches Gerät, das zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist, ist vorteilhaft ein Elektrohaushaltsgerät bzw. ein Kochgerät. Somit ist das Verfahren in dessen Steuerung mit einem Mikrocontroller integriert, beispielsweise in einem Kochfeld. Vorteilhaft ist das Verfahren für das Schalten jeglicher Art von ohmscher Last verwendbar, auch bei einem Backofen oder zum Einsatz in der Industrie.
  • Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische vereinfachte Darstellung eines Kochfelds zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Steuerung als erfindungsgemäßer Vorrichtung,
    Fig. 2
    eine Darstellung einer Verschaltung in der Steuerung mit Taktrelais und Trennrelais,
    Fig. 3
    einen weiteren Teil der Verschaltung mit Anschluss der Schaltung aus Fig. 2 an einen Mikrocontroller der Steuerung,
    Fig. 4
    einen zeitlichen Verlauf der Schalt-Spannung, eines Ansteuersignals für eines der Relais sowie eines Kontrollsignals zum ersten Ermitteln der Schaltverzögerungen,
    Fig. 5
    den zeitlichen Verlauf der Schalt-Spannung mit Anwendung der ermittelten Schaltverzögerungen, um möglichst im Schalt-Spannungsnulldurchgang zu schalten und
    Fig. 6
    eine vergrößerte Darstellung des Schaltbereichs und der Schaltdifferenz.
    Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In der Fig. 1 ist schematisch und vereinfacht ein Kochfeld 11 dargestellt mit einer Kochfeldplatte 12. Unter der Kochfeldplatte 12 sind beispielhaft zwei Heizeinrichtungen 13a und 13b angeordnet, die hier als bekannte und übliche Strahlungsheizeinrichtungen ausgebildet sind. Sie sind damit Widerstandsheizer und stellen somit eine ausschließlich ohmsche Last dar. Über der rechten Heizeinrichtung 13a ist ein Topf 14 auf die Kochfeldplatte 12 aufgesetzt, um beheizt zu werden.
  • Das Kochfeld 11 weist eine Steuerung 16 auf, um damit bedient zu werden, insbesondere um die Heizeinrichtungen 13a und 13b im Betrieb mit Leistung zu versorgen. Die Steuerung 16 weist an der Unterseite der Kochfeldplatte 12 eine Bedieneinrichtung 18 auf, vorteilhaft ausgebildet mit Bedienelementen in Form von Berührungsschaltern und Anzeigen in Form von LED oder beleuchteten Displays. Des Weiteren weist die Steuerung 16 einen Mikrocontroller 20 als sogenannte Intelligenz auf. Der Mikrocontroller 20 steuert Taktrelais 22a und 22b an, die jeweils die Schalt-Spannung für die Heizeinrichtungen 13a und 13b schalten und somit die Leistungsversorgung übernehmen. Des Weiteren sind ein Trennrelais 23 vorgesehen sowie ein Schaltnetzteil 28, möglicherweise ausgebildet als Switched Mode Power Supply. Zur Stromversorgung weist die Steuerung 16 ein Anschlusskabel 25 mit einem Stecker 26 am freien Ende auf als Netzanschluss an 230 V/50 Hz. Dies steht stellvertretend für den elektrischen Anschluss des Kochfelds 11, der normalerweise in einer Anschlussdose erfolgt.
  • In der Fig. 2 ist ein Schaltbild dargestellt mit einem Leiter L und einem Null-Leiter der SchaltSpannung U, die quasi dem Anschlusskabel 25 entsprechen. Der Leiter L geht an ein Trennrelais 23, welches im Wesentlichen dazu dient, in Notfällen geöffnet zu werden und das Kochfeld 11 auszuschalten, beispielsweise weil ein schwerwiegender Fehler erkannt worden ist. Ein solcher Schaltvorgang ist sehr selten. Ansonsten schaltet das Trennrelais 23 nur im stromfreien Zustand, so dass dessen Ansteuerung bzw. Schaltverhalten für das Thema der vorliegenden Anmeldung unkritisch ist. An das Trennrelais 23 im oberen Zweig ist ein Widerstand R1 einer oberen Verschaltung angeschlossen. Mittels zweier Dioden liegt das Signal hinter dem Widerstand R1 zwischen Masse und dem Potenzial des Null-Leiters N. Gegen Masse sind dann ein weiterer Widerstand R2 und eine Kapazität C1 parallelgeschaltet. Das daran anliegende Signal S_DLB wird benötigt, insbesondere für einen dynamischen Lastausgleich.
  • Im unteren Zweig des Null-Leiters N ist das Taktrelais 22 angeordnet. Im unteren Zweig sind außerdem ein Widerstand R3 und daran wiederum eine Diodenverschaltung ähnlich wie im oberen Zweig vorgesehen. Des Weiteren ist der untere Zweig mit einer Kapazität C2 an Masse angeschlossen und mit einem Widerstand R4 an den Null-Leiter N bzw. dessen Potenzial. Hier kann ein Signal S_Takt abgegriffen werden.
  • Vor allem aber ist zwischen den beiden Zweigen hinter dem Taktrelais 22 und dem Trennrelais 23 eine Heizeinrichtung 13 als ohmsche Last geschaltet. Sind beide Relais 22 und 23 geschlossen, so ist die Heizeinrichtung 13 an die Schalt-Spannung angeschlossen und wird damit betrieben bzw. heizt. Zum Einstellen einer bestimmten Leistung im Taktverfahren, wie dies für Strahlungsheizeinrichtungen in einem Kochfeld üblich ist, steuert der Mikrocontroller 20 anhand einer Leistungsvorgabe einer Bedienperson an der Bedieneinrichtung 18 oder anhand eines Kochprogramms das Taktrelais 22 an zum Öffnen und zum Schließen seines Relaiskontakts. Das Taktrelais 22 schaltet also die Schalt-Spannung zwischen L und N. Das Trennrelais 23 ist dabei stets geschlossen. Es wird vom Mikrocontroller 20 nur in einem vorgenannten schwerwiegenden Störfall geöffnet.
  • In der Fig. 3 ist nun dargestellt, wie das Schaltnetzteil 28 ebenfalls an den Null-Leiter und an den Leiter L entsprechend der Schalt-Spannung angeschlossen ist. Das Schaltnetzteil 28 versorgt den Mikrocontroller 20 auf übliche Art und Weise mit einer Versorgungsspannung. Diese kann unterschiedlich gewählt sein, beispielsweise 3,3 V oder 5 V betragen, abhängig davon, wie der Mikrocontroller 20 ausgelegt ist. Hinter dem Schaltnetzteil ist zu sehen, dass der obere Zweig auf dem Potential des Null-Leiters N liegt, während Masse gegenüber diesem Potential von N dann auf -3,3 V oder -5 V liegt. Somit ergibt sich eben die vorgenannte Versorgungsspannung am Mikrocontroller 20. Diese sozusagen negative Masse gilt natürlich auch für die Verschaltung der Fig. 2. Der Mikrocontroller 20 wiederum ist an das eine Trennrelais 23 sowie an die Taktrelais 22a und 22b angeschlossen sowie auch noch an weitere Taktrelais, falls diese vorhanden sind.
  • Die beiden Signale S_DLB und S_Takt werden ebenfalls in den Mikrocontroller 20 eingespeist, und zwar das Signal S_Takt an einer digitalen Senseline. Das Signal S_DLB ist auch zwingend erforderlich, da es für eine Null-Durchgangs-Erkennung notwendig ist. Die Signale dienen dazu, wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, dass der Mikrocontroller 20 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einerseits die Schalt-Spannung U überwachen kann und andererseits sieht bzw. erfasst, wann das Taktrelais 22 schaltet bzw. wann dessen tatsächlich durchgeführter Schaltzeitpunkt erfolgt.
  • In der Fig. 4 ist nun über der Zeit t dargestellt der Verlauf für die Schalt-Spannung U, darunter für ein Schaltauslösesignal und nochmals darunter für das Signal S_Takt. Die Schalt-Spannung U liegt hier bei 230 V und 50 Hz. Zu Beginn des Verfahrens schaltet der Mikrocontroller 20 das Taktrelais 22 mit einem Schaltauslösesignal zu einem beliebigen Zeitpunkt 1, so dass das Taktrelais schließt bzw. ein Schließvorgang an seinem Relaiskontakt stattfindet. Nach einer bestimmten Schließen-Schaltverzögerung SVon, die hier beispielsweise 7 msec dauern kann, ist das Taktrelais bzw. dessen Relaiskontakt tatsächlich geschlossen und der Schalt-Stromfluss ist gestartet. Dies zeigt sich dann am Signal S_Takt, wenn dieses nämlich wieder auf 1 ist. Während des Schließvorgangs ist es auf Null.
  • Diese Schaltverzögerung SVon wird von dem Mikrocontroller 20 erfasst und abgespeichert zur Verwendung beim nächsten Schließvorgang an dem Taktrelais 22.
  • Zu einem ohnehin geplanten Zeitpunkt des Öffnens des Taktrelais 22, beispielsweise weil dies wegen einer Leistungshöhe der Leistungsversorgung für die Heizeinrichtung 13 gewünscht ist, hier als Zeitpunkt 3, erzeugt der Mikrocontroller 20 ein Schaltauslösesignal zum Öffnen des Taktrelais als Öffnungsvorgang am Relaiskontakt. Dies erfolgt beispielhaft im Nulldurchgang der Schalt-Spannung, was aber nicht so sein muss. Zum Zeitpunkt 4 ist dann nach einer Öffnen-Schaltverzögerung SVoff der Relaiskontakt tatsächlich geöffnet bzw. die SchaltSpannung ist geschaltet, der Schalt-Stromfluss hat gestoppt. Diese Schaltverzögerung SVoff beträgt hier etwa 5 msec und ist damit etwas kürzer als die Schaltverzögerung beim Einschalten SVon. Der Mikrocontroller 20 erfasst die Schaltverzögerung SVoff des Öffnungsvorgangs. Zum einen ist nun die Heizeinrichtung 13 ausgeschaltet. Zum anderen kann dies wiederum am Signal S_Takt erkannt werden. Diese Schaltverzögerung wird abgespeichert zur nächsten Verwendung.
  • Das Springen im Signal S_Takt beim tatsächlichen Schließen des Taktrelais resultiert aus dem Prallen des Relaiskontakts beim Schließvorgang. Dies wird nicht berücksichtigt.
  • In der Fig. 5 ist nun dargestellt, wie diese Schaltverzögerungen tatsächlich verwendet werden, beispielsweise schon genau beim nächsten Schalten am Taktrelais. Wenn für die Leistungsversorgung der Heizeinrichtung diese wieder eingeschaltet werden soll, so wird vor einem Nulldurchgang der Schalt-Spannung, hier von negativ zu positiv, nach vorne versetzt um die Schaltverzögerung SVon ein Schaltauslösesignal am Taktrelais erzeugt. Dieses kann in der Praxis auch leicht dadurch erreicht werden, dass der Mikrocontroller 20 von der Dauer einer Halbwelle diese Schaltverzögerung SVon subtrahiert und sich dadurch eine Einschalt-Zeit ton ergibt. Im entgegengesetzt gepolten Nulldurchgang der Schalt-Spannung U wartet der Mikrocontroller 20 also diese Einschalt-Zeit ton nach dem Nulldurchgang von positiv zu negativ, um dann das Schaltauslösesignal an das Taktrelais zu geben, also dessen Schalten zu bewirken. Dies ist wiederum der Zeitpunkt 1. Das Taktrelais beginnt also den Schließvorgang am Relaiskontakt, der nach einer bestimmten Dauer abgeschlossen ist, welche in etwa bei der vorgenannten Schaltverzögerung SVon liegt. Der tatsächliche Schaltzeitpunkt wird nun im Signal S_Takt erkannt, wenn dieses nämlich wieder ansteigt. Dies ist hier etwas vor dem gestrichelt dargestellten Nulldurchgang, aber immer noch innerhalb des gewünschten Schaltfensters SB, welches etwa 800 µsec betragen kann. Der Mikrocontroller 20 erkennt hier diese Schaltdifferenz zwischen dem tatsächlichen Schaltzeitpunkt und dem Schalt-Spannungsnulldurchgang, welche hier beispielsweise 200 µsec betragen kann. Das Taktrelais hat also zwar in dem Schaltbereich SB geschaltet, aber etwas vor dem tatsächlichen Schalt-Spannungsnulldurchgang, so dass die Schaltverzögerung korrigiert wird. Die genannte Schaltdifferenz wird von der Schaltverzögerung SVon abgezogen, das Schaltauslösesignal für den Schließvorgang wird also das nächste Mal etwas später ausgelöst bzw. die Einschalt-Zeit ton wird entsprechend etwas länger, bis das Schaltauslösesignal an das Taktrelais gegeben wird.
  • Nach einer gewissen Zeit soll der Mikrocontroller 20 das Taktrelais 22 wieder öffnen im Rahmen der Leistungsversorgung. Ein Schaltauslösesignal für den Öffnungsvorgang soll also um die Schaltverzögerung SVoff vor einem Spannungsnulldurchgang, hier von negativ zu positiv, erzeugt werden bzw. an das Taktrelais 22 gegeben werden. Dazu zieht der Mikrocontroller 20 von der Dauer einer Halbwelle der Schalt-Spannung die Schaltverzögerung SVoff ab und erhält die Ausschalt-Zeit toff. Nach dem entgegengesetzt gepolten Schalt-Spannungsnulldurchgang von positiv zu negativ wird also die Ausschalt-Zeit toff gewartet und dann das Schaltauslösesignal zum Öffnen des Relaiskontakts erzeugt zum Zeitpunkt 3.
  • Nach Ablauf der Schaltverzögerung SVoff zum Zeitpunkt 4 wird der Relaiskontakt geöffnet bzw. ist tatsächlich geöffnet und der Schalt-Stromfluss stoppt. Dieses Schalten kann auch im Signal S_Takt erkannt werden, es liegt ebenfalls innerhalb des gewünschten Schaltbereichs SB. Allerdings liegt der tatsächliche Schaltzeitpunkt etwas vor dem Schalt-Spannungsnulldurchgang, wodurch sich wieder eine Schaltdifferenz ergibt. Diese Schaltdifferenz wird von der Schaltverzögerung SVoff abgezogen, die somit kürzer wird, so dass das Schaltauslösesignal beim nächsten Öffnungsvorgang etwas später erzeugt wird bzw. weniger lange vor dem Schalt-Spannungsnulldurchgang, die Ausschalt-Zeit toff wird dadurch etwas länger. Wäre der tatsächliche Schaltzeitpunkt etwas nach dem Schalt-Spannungsnulldurchgang, so würde die entstehende Schaltdifferenz zur Schaltverzögerung aufaddiert werden, das Schaltauslösesignal wird beim nächsten Öffnungsvorgang etwas früher erzeugt.
  • Die so korrigierten Schaltverzögerungen SVon und SVoff werden beim nächsten Schließvorgang und beim nächsten Öffnungsvorgang verwendet. Dann kann auch wieder die jeweilige Schaltdifferenz erfasst werden und damit eine erneute Korrektur der Schaltverzögerungen SVon und SVoff erfolgen. Des Weiteren kann der Mikrocontroller 20 berücksichtigen, dass der nächste Schließvorgang und auch der nächste Öffnungsvorgang beim entgegengesetzt gepolten Schalt-Spannungsnulldurchgang erfolgen, also jeweils von positiv zu negativ. Dann wird eben möglicherweise eine Halbwelle später geschaltet, was aber für die Leistungsversorgung keinen nennenswerten Unterschied bzw. kein Problem darstellt.
  • In der Fig. 6 ist stark vergrößert entsprechend Fig. 5 dargestellt, wie nach Ablauf der Schaltverzögerung SVon zum Zeitpunkt 2 tatsächlich geschaltet wird. Dies erfolgt etwas früher als der Schalt-Spannungsnulldurchgang, der gestrichelt dargestellt ist. Die Schaltdifferenz SD kann hier etwa 100 µsec betragen und liegt noch gut innerhalb des Schaltbereichs SB bzw. der tatsächliche Schaltzeitpunkt liegt innerhalb dieses Schaltbereichs SB um den Schalt-Spannungsnulldurchgang herum. Die dargestellte Schaltdifferenz SD wird, wegen des tatsächlich etwas zu früh erfolgten tatsächlichen Schließvorgangs am Relais 22, zu der Schaltverzögerung SVon addiert als vorgenannte Korrektur.
  • Die Besonderheit der Erfindung mit der einfachen Verschaltung gemäß den Fig. 2 und 3 sowie der einfachen Ansteuerung bzw. Beschaltung des Mikrocontrollers 20 zeigen, wie die Erfindung vorteilhaft realisiert werden kann. Der Beschaltungsaufwand gemäß Fig. 2 ist gering. Die vorbeschriebene fortlaufende Korrektur der Schaltverzögerungen SVon und SVoff sorgt für einen tatsächlich durchgeführten Schaltzeitpunkt möglichst nahe am Schalt-Spannungsnulldurchgang, also mit geringem Schalt-Strom, zumindest in dem vorgenannten Schaltbereich SB von weniger als 1 msec bzw. weniger als 0,8 msec.
  • Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass in dem Mikrocontroller 20 nicht nur die vorherige und die neue bzw. korrigierte Schaltverzögerung abgespeichert ist, sondern auch frühere Schaltverzögerungen. Vorteilhaft werden diese Schaltverzögerungen ab der ersten Inbetriebnahme des Kochfelds 11 abgespeichert, so dass sozusagen über einen sehr langen Zeitraum eine Historie der Dauer dieser Schaltverzögerungen erfasst werden kann. Dazu kann es ausreichen, wenn nicht jeder Wert für Schaltverzögerungen abgespeichert wird, sondern beispielsweise nur jede zehnte, jede fünfzigste oder jede hundertste Schaltverzögerung. Über einem Zeitraum von mehreren Monaten oder sogar mehreren Jahren des Betriebs des Kochfelds 11 kann dann überwacht werden, wie sich die Schaltverzögerung langfristig verhält. In der Regel wird sie wohl eher etwas zunehmen. Falls diese Zunahme aber zu stark wird oder sich das Tempo der Zunahme zu stark erhöht, beispielsweise bestimmte vorgegebene Grenzwerte überschreitet, kann von der Steuerung 16 bzw. vom Mikrocontroller 20 eine Art Warnung oder eine Aufforderung zum Austauschen eines bestimmten Taktrelais erzeugt werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Ansteuerung eines Relais mit Relaiskontakt, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
    - ein Schalten als ein Öffnungsvorgang oder als ein Schließvorgang an dem Relais wird zeitlich erfasst hinsichtlich genauem Öffnen oder Schließen des Relaiskontakts im Vergleich zu einem Schalt-Spannungsnulldurchgang einer zu schaltenden Schalt-Spannung,
    - die Dauer zwischen einem Ansteuern des Relais mit einem Schaltauslösesignal und einem tatsächlichen Öffnen oder Schließen des Relaiskontakts mit Stopp oder Start eines Schalt-Stromflusses wird als Schaltverzögerung ermittelt,
    - die von dem Relais zu schaltende Schalt-Spannung wird überwacht,
    - das Relais wird nach Freigabe eines Befehls zum Schalten um die Schaltverzögerung zeitlich nach vorne versetzt vor einem folgenden Schalt-Spannungsnulldurchgang mit einem Schaltauslösesignal angesteuert zum Schalten,
    - der tatsächlich durchgeführte Schaltzeitpunkt wird erfasst zusätzlich zu dem Schalt-Spannungsnulldurchgang,
    - es wird überprüft, ob der tatsächliche Schaltzeitpunkt um eine Schaltdifferenz zu spät war oder zu früh war relativ zu dem Schalt-Spannungsnulldurchgang, wobei für ein nachfolgendes gleichartiges Schalten die Schaltverzögerung mit der Schaltdifferenz korrigiert wird:
    - durch Addieren der Schaltdifferenz zur Schaltverzögerung falls der tatsächliche Schaltzeitpunkt um die Schaltdifferenz zu spät war relativ zu dem Schalt-Spannungsnulldurchgang, oder
    - durch Subtrahieren der Schaltdifferenz von der Schaltverzögerung, falls der tatsächliche Schaltzeitpunkt um die Schaltdifferenz zu früh war relativ zu dem Schalt-Spannungsnulldurchgang,
    - wobei ein Mikrocontroller verwendet wird zum Erfassen des Schaltens bzw. Öffnungsvorgangs und Schließvorgangs und des Schalt-Spannungsnulldurchgangs.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zeitlichen Bereich von +/- 0,4 msec um den Schalt-Spannungsnulldurchgang geschaltet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schalten ohmsche Lasten geschaltet werden, insbesondere ausschließlich ohmsche Lasten.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schließen-Schaltverzögerung und eine Öffnen-Schaltverzögerung separat für jeweils den Schließvorgang und den Öffnungsvorgang ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais nach Freigabe eines Befehls zum Schalten um die Schaltverzögerung zeitlich nach vorne versetzt vor einem folgenden Schalt-Spannungsnulldurchgang angesteuert wird zum Schalten innerhalb einer Dauer einer Halbwelle der Schalt-Spannung und nach einem letzten erfassten Schalt-Spannungsnulldurchgang.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsvorgang und Schließvorgang ein jeweils abwechselnd am Ende einer positiven Halbwelle und am Ende einer negativen Halbwelle der Schalt-Spannung durchgeführt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem ersten Einschalten eines elektrischen Geräts mit dem Relais darin das Relais einmal beliebig geschaltet wird zu einem beliebigen Zeitpunkt, um eine Dauer der Schaltverzögerung grob zu erfassen als Erst-Schaltverzögerung, wobei anschließend beim ersten Schalten des Relais diese Erst-Schaltverzögerung verwendet wird als Dauer zum Ansteuern des Relais mit dem Schaltauslösesignal vor einem Schalt-Spannungsnulldurchgang, wobei mit der dann erfassten Schaltverzögerung weitergearbeitet wird anstelle der Erst-Schaltverzögerung für den weiteren Betrieb des elektrischen Geräts mit Schalten des Relais.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltverzögerung für jedes nachfolgende Schalten bzw. jeden nachfolgenden Öffnungsvorgang und Schließvorgang korrigiert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltverzögerung früheren Schaltens abgespeichert werden, vorzugsweise sowohl für einen Öffnungsvorgang als auch für einen Schließvorgang, und für den Fall, dass aktuell erfasste Werte für die Schaltverzögerung um mehr als 20% davon abweichen, ein Fehlerfall an dem Relais oder an einer Ansteuerung für das Relais erkannt wird und einer Bedienperson optisch und/oder akustisch signalisiert wird, insbesondere ein Schließvorgang des Relais als Einschalten verhindert wird und nicht erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Sekunde zwischen 1.000 und 20.000 Messpunkte verwendet werden als Sample-Frequenz für den Mikrocontroller, vorzugsweise zwischen 5.000 und 8.000 Messpunkte.
  11. Vorrichtung ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
    - ein Relais mit Relaiskontakt,
    - eine von dem Relais an eine Schalt-Spannung anzuschließende Last, insbesondere eine ohmsche Last,
    - Anschlüsse an eine Steuerung zur Ansteuerung des Relais,
    - einen Mikrocontroller, der an Signaleingängen beschaltet ist mit einem der Schaltspannung entsprechenden Signal und einem dem tatsächlichen Öffnen oder Schließen des Relaiskontakts entsprechenden Signal.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem Elektrohaushaltsgerät bzw. in einem Kochgerät integriert ist, insbesondere in einer Steuerung für das Elektrohaushaltsgerät bzw. das Kochgerät.
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