DE29701352U1 - Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines durch eine Last fließenden elektrischen Wechselstroms - Google Patents

Description

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Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines durch eine Last fließenden elcktrischcn Wechselstroms

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines Wechselstroms durch eine Last zu schaffen, welches bzw. welche eine lange Lebensdauer sowie eine zu vernachlässigende Erwärmung der Schaltungskomponenten, insbesondere des Schaltelements bzw. der Schaltelemente, unter Einhaltung der behördlich geforderten elektromagnetischen Verträglichkeit [EMV] aufweist.

Unter einer zu vernachlässigenden Erwännung wird eine derart geringe Komponentenerwärmung verstanden, bei der das bzw. die betreffenden Bauteile bei ihrem Betrieb keine Kühlbleche erfordern. Zur Einhaltung der behördlich geforderten elektromagnetischen Verträglichkeit [EMV] wird hier beispielsweise auf die Norrnen des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins SEV 3600 (SEV 3600-1, 3600-2), 3601, auf die Schweizer Normen

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SN 413600-1, SN 413600-2, auf die Europäischen Normen EN 413600 (insbesondere EN 413600-2), EN 55015, EN 60555-1, EN 61000 (EN 61000-3-3), auf die IEC-Normen IEC 555-1, IEC 1000-3-2, IEC 1000-3-3,] und äquivalente DIN-Normen verwiesen. Der zu schaltende Wechselstrom ist in der Größenordnung von einigen Amperes. Die Stromflußzeil beträgt mindestens einige Sekunden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird insbesondere zur Schaltung elektrischer Heizeinrichtungen bevorzugt von temperaturgeregelten Bodenheizungen mit sclbstregulierenden Heizbändern verwendet. Die Heizleistung und damit die zu schaltende Leistung beträgt hier einige Kilowatt.

Die Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß sich erfindungsgemäß im Laststromkreis ein Kontaktpaar eines Relais befindet, über das der Laststrom geführt wird. Die Kontakte des Kontaktpaarcs werden zu einem Kontaktschaltzeitpunkt geschaltet, in dem der Lastwechselslrom durch das Kontaktpaar null bzw. vernachlässigbar klein ist, d.h. so klein ist, daß sich beim Schalten kein Schaltfunken ausbildet. Da sich bei diesem Betrieb kein Kontaktabbrand ergibt, ist eine lange Lebensdauer des Relais gewährleistet. Die Erwärmung des Kontaktpaares durch den fließenden Laststrom ist vernachlässigbar; ebenso eine Erwärmung durch einen für das Halten der Relaiskontakte benötigten Relaisstrom. Würden Halbleiterschaitelemente wie Transistoren, Thristoren, Triac,... alleine für die Laststromschaltung eingesetzt, so müßte eine große in den Halblciterschaltelementen erzeugte Verlustwärme über Wärmeleitelemente abgeführt werden.

Um das Relais bei einem Stromnulldurchgang schalten zu können, wird als zeitliche Referenz der Spannungsverlauf über der Last bestimmt und dann der Relaisschaltstrom zeitlich derart geschaltet, daß die Kontakte des Kontaktpaares in dem Augenblick geschaltet werden, in dem der Strom über die Rclaiskontakte null bzw. vemachlässigbar klein ist. Es bildet sich dann zwischen den Schaltkontakten kein Schaltfunken.

Jedes Schaltrelais hat als typenspezifische Konstante eine spezielle Schaltverzögerungszeit zwischen Anlegen bzw. Ausschalten des Relaisschaltstroms durch die Relaisspule und dem Auftrennen bzw. dem Schließen der Kontakte. Die Schaltverzögerungszeit hängt u.a. ab von den beim Schaltvorgang zu beschleunigenden Massen der Schaltkontakte, vom zeitlichen

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Spulenstromverlauf sowie von den magnetischen und elektrischen Eigenschaften (insbesondere der Induktivität der Relaisspule). Wird der Schaltetrom, d.h. dessen zeitlicher Verlauf und die Schaltspannung für die Relaisspule konstant gehallen, so ist auch die Schaltverzöge· rungszeit bis auf eine Alterungstoleranz konstant. Die Schaltverzögerungszeit als Differenz zwischen dem Kontaktschaltzeitpunkt und dem Relaisstromschaltzeitpunkt ist experimentell für jeden Relaistyp bestimmbar. Die Schaltverzögerungszeiten für das Schließen und das öffnen der Kontakte sind um einen Toleranzwert unterschiedlich.

Ein Schalten ohne Schaltfunken ist nur zum Zeitpunkt des Wechselstromnulldurchgangs möglich. Handelt es sich um eine reine ohmsche Last, so sind Strom und Spannung in Phase. &igr; &ogr; Wechselspannungsnulldurchgänge lassen sich auf einfache Art und Weise mit einer Vergleicherschaltung feststellen. Bei einer rein ohmschen Last ist dann auch der SlromnuUdurchgang bestimmt. Der Schaltbefehl muß dann nur entsprechend der Schaltverzögerungszeit voreilend zum nächsten Stromnulldurchgang gegeben werden.

Handelt es sich um eine kapazitive oder um eine induktive Last, so ist die Phasenver-Schiebung zwischen Laststrom und Spannung entweder zu errechnen oder experimentell zu bestimmen. Ausgehend von einem leicht zu bestimmenden Spannungsnulldurchgang wird mit einem Verzögerungselement der Relaisschaltstrom (Strom durch die Relaisspule) derart geschaltet, daß die Kontakte dann im Stromnulldurchgang aufgetrennt werden. Die Schaltverzögerungszeit der Kontakte des Kontaktpaares sind für das Schließen und das Öffnen der Kontakte in der Regel um eine Toleranz unterschiedlich.

Ein Kontaktfunken entsteht bevorzugt beim öffnen der Kontakte bei Stromfluß. Werden die Kontakte nicht im Spannungsnulldurchgang geschlossen, so entsteht ein Kontaktfunken infolge von Prellen oder bei einer relativ großen zeitlichen Abweichung zum Spannungsnulldurchgang. Bei einer Last mit einem kapazitiven oder induktiven Impedanzanteil von lediglieh 20% zum ohmschen Anteil kann ein Schließen der Kontakte in erster Näherung mit derselben Schaltverzögerungszeit wie beim öffnen erfolgen. In vorteilhafter Weise wird man jedoch, wie unten beschrieben, eine Schaltverzögerungzeit auch unter Berücksichtigung der Phasenverschiebung für den Schließvorgang und für das Kontaktöffnen bestimmen und das Relais dementsprechend schalten.

<- Anstatt den Laststrom nur über die Kontakte eines Relais zu schalten, kann auch parallel

zu den Kontakten ein paralleler Strompfad gelegt werden, der mit einem Halbleiterschaltelement [Transistoren, Thyristoren, Triac,,..] geschaltet wird. Soll der Stromkreis unterbrochen werden, wird das Halbleiterschaltelement auf Stromdurchgang geschaltet, dann die Relaiskontakle unmittelbar darauffolgend aufgetrennt und beim nächsten Stromnulldurchgang der Halbleiter ausgeschaltet. Verwendet man einen Thyristor oder einen Triac, so schaltet sich dieser selber beim kommenden Stromnuildurchgang aus. Da Halbleiterelcmente sehr schnell schalten, kann man den Schaltbefehl für das Relais und für das Einschalten des Halbleiters unter Berücksichtigung der Schaltverzögerungszeit in einem vorgegebenen zeitlichen Schalt-&ogr; fenster gleichzeitig geben. Die Stromflußzeit durch den Halbleiter ist damit derart kurz gehalten, daß sich dieser nur vemachlässigbar erwärmt.

Zur selbsttätigen Ermittlung der typischen Schaltverzögerungszeit eines Relais oder zur selbsttätigen Kompensation einer Änderung der Schaltverzögerung infolge Alterung des Relais oder der elektrischen Daten des Lastkreises (insbesondere Veränderung der Phasenver-Schiebung) können physikalische Effekte, welche von einem Kontaktfunken ausgehen, verwendet werden. Anschließend an die Messung eines Kontaktfunkens wird der Relaisstromschaltzeitpunkt verändert, bis kein Kontaktfunken mehr auftritt. Nach bereits drei Messungen ist ein kontaktfunkenfreies Schalten wieder möglich. Diese drei Kontaktfunken beeinträchtigen die Lebensdauer des Relais keineswegs. Das unten beschriebenen Meß- und Abgleichsverfahren erübrigt eine Bestimmung der Phasenverschiebung.

Das Auftreten eines Kontaktfunkens kann nun beispielsweise optisch bestimmt werden. Hierzu bringt man in unmittelbarer Nähe der Schaltkontakte eine Fotodiode an. Mit der Fotodiode wird die von Funken ausgesandte Strahlung gemessen. Auch läßt sich mit der Fotodiode der durch den Kontaktfunken fließende Laststrom relativ feststellen. In einer ersten Näherung ist die Leuchtstärke des Funkens proportional zum Quadrat des fließenden Stroms. Durch einen Funken können elektrische Oberwellen entstehen; es können Leitungswellen angeregt und neben der optischen Strahlung eine Hochfrequenzstrahlung abgestrahlt werden. Die mit der Fotodiode gemessene optische Strahlung kann somit auch noch andere Strahlungsteile enthalten. Bevorzugt wird man deshalb das mit der Fotodiode Gemessene glätten. Der maximale geglättete Signalwert wird für die Bestimmung des Schaltverzögerungszeit verwendet.

Für einen kommenden Schaltvorgang wird nun der Relaisstromschaltzeitpunkt um den Bruchteil der halben Periode der Wechselspannung verschoben, erneut gemessen und der ermittelte zweite "Leuchtstärkewert¹¹ abgespeichert. Es wird eine dritte Messung vorgenommen. Aus diesen drei Werten ist nun von einer Mikroprozessoreinheit relativ genau der Wechsel-Stromnulldurchgang bestimmbar und damit der Relaisstromschaltstrom einstellbar. Sollten immer noch Kontaktfunken auftreten, so sind diese über eine Feinkorrektur climinierbar. Als Zeitspanne zum Verschieben des Relaisstromschaltzeitpunktes wird man etwa fünf Prozent der halbenPeriodendauer, d. h. 500 Mikrosekunden bei einem 50 Hz-Netz verwenden, um den Abbrand während der automatischen Einstellphase möglichst klein zu halten.

Anstelle optischer Signal können auch elektrische Signale, beispielsweise eine Differenzierung des an den Schaltkontakten sich bildenden Stromverlaufs infolge des Stroms im Schaltfunken erfolgen. Ob nun die Auslösezeit zu kurz oder zu lang war, ergibt sich dann aus der Pulsbreite des Differenzierungssignals. Die Richtung der Zeitkorrektur ergibt sich aus dessen Polarität, da ja der Spannungsverlauf über der Last bekannt ist bzw. laufend als Zeitrcferenz gemessen wird.

Die durch den Schaltrunken erzeugten Schwingungen können auch durch Anstoßen von entsprechend abgestimmten Schwingkreisen ermittelt werden.

Vorteile, weitere Ausführungsbeispiele und Varianten ergeben sich aus dem nachfolgenden Beschreibungstext.

Im folgenden werden Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Schaltung eines Laststroms mit einem Relais, dessen Schaltkontakte eine Überbrückung mit einem Haltleiterschalter aufweisen,

Fig. 2 ein zeitliches Impulsdiagramm zum Stromein- und -ausschaltvorgang durch eine hier beispielsweise einen kapazitiven Lastanteil aufweisende Last, geschaltet mit der Schaltungsanordnung nach Figur 1, wobei die linke Seite des Impulsdiagramms den

Einschaltvorgang und die rechte den Ausschaltvorgang darstellen; es zeigen die Teilfiguren:

a.) den Spannungsverlauf u über der Last sowie gestrichelt den Stromverlauf i im eingeschwungenen Zustand bei kontinuierlichem Heizvorgang,

b.) die Spannungsausgangspulse u_c des Spannungskomparators 13,

c.) beispielsweise Pulse u_zdes Zeitgltcds 11,
d.) den Triggerstromverlauf i_ST zum Gate des Triacs 8, c) den Stromverlauf i_T durch den Triac 8,
f.) den Slromverlauf i_s durch die Relaisspule,

g.) den Zustand des Kontaktpaares 3 des Relais 5, wobei ein Zustand über der Nulllinie den geschlossenen, stromlcitenden Zustand darstellt,

h.) den Stromverlauf i_K über das Kontaktpaar 3 des Relais 5 und

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur selbsttätigen Einstellung eines kontaktfunkenfreien Relais-

slromschaltzeitpunkts.
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Bei der in Figur 1 als Blockschaltbild dargestellten Schaltungsanordnung wird der Wechselstrom i für eine Last 1 über ein Kontaktpaar 3 eines Relais 5 gefilhrt und mit diesem ein- und ausgeschaltet. Die Last 1 ist hier beispielsweise eine Heizeinrichiung mit sclbstreguliercnden elektrischen Heizbändem. Selbstregulierende elektrische Heizbänder sind beispielsweise aus der US-A 4 334 148, der US-A 4 334 351, der US-A 4 400 614, der

US-A 4 398 084 und der US A 4 459 473 bekannt. Heizbänder dienen zur Bodenheizung, zur Heizung von Rohren, Dachrinnen usw. Die Stromaumahme einer Heizbandanlage hängt von der Heizbandlänge und dessen Temperatur ab. Der Schaltstrom zum Schalten des Spulenstroms des Relais 5 wird von einem mit diesem verbundenen Schalttreiber 7 geliefert. Eine Schutzdiode über der Relaässpule ist nicht eingezeichnet, aber selbstverständlich vorhanden. Im Laststromkreis ist ein Triac 8 als Halbleiterschaltelement parallel zum Kontaktpaar 3 geschaltet. Der Schalttreiber 7 ist mit einem Temperaturfühler 9, einem Zeitglied 11 und einem Spannungskomparator 13 verbunden, Der Spannungskomparator 13 ermittelt die Spanmtngsnulldurchgänge der Wechselspannung &agr; für die Last 1. Der Spannungskomparator 13 hat ein

"Spannungsfenster" mit einer Ein- und Ausschaltspannung vor sowie nach jeweils einem Wechselspannungsnulldurchgang. Entsprechend seiner "Fensterbreite" gibt er einen entsprechend breiten Rechteckpuls mit einer maximalen Pulsspannung u_c ab. Bei einer Lastspannung von 230 V schaltet der Spannungskomparator 13 in einem "Spannungsfenster" von ± 30V, Die zeitliche Breite des Pulses u_c ergibt sich aus der Breite des "Spannungsfensters" und ist unter Zuordnung zum Spannungsverlauf u in Figur 2 unter b.) dargestellt.

Der ohmsche Widerstand eines selbstregulierenden Heizbandes steigt mit dessen Temperatur an. Im kalten Zustand ist der Widerstand gering und im wannen Zustand verhältnismäßig hoch. Bei dem hier aufgezeigten Beispiel ist der kalte Widerstand etwa halb so groß wie im warmen Zustand. In diesem Heizband laufen die beiden Leiter für den Stromfluß über die gesamte Heizbandlänge annähernd parallel zueinander. Das Heizband weist deshalb zu seinem ohmschen Widerstand eine kapazitive Impedanz auf, weiche nicht durch einen induktiven Leiteranteil aufgehoben wird. Der Spannungsverlauf u ist in Figur 2 unter der Teilabbildung a.) aufgetragen. Der Stromverlauf &iacgr; ist in dem hier gewählten Beispiel gegenüber dem Spannungsverlauf um eine Phasenverschiebung t_p voreilend. Die Phasenverschiebung ist hier als Zeil und nicht als Winkel aufgetragen, da hier immer von einer Wechselspannung von 50 Hz ausgegangen wird. Für andere Wechselspannungsfrequenzen, z. B. 60 Hz, ergeben sich analoge Überlegungen. Es können selbstverständlich durch andere Lasten andere Phasenver-Schiebungen auftreten. Ebenfalls ist in dieser Teilabbildung 2a.) der infolge des kapazitiven Lastanteils voreilende Strom i gestrichelt eingezeichnet. Dieser Stromverlauf i stellt sich in der zweiten Halbwelle nach dem Einschalten des Laststroms ein. Das Einschalten der Last 1 erfolgt in der Regel mit einem Zeitglied 11 bei einem Aufheizvorgang bei einer frisch eingeschalteten Heizbandanlage; ansonsten erfolgt das Einschalten durch den Temperaturfühler 9.

Der Aufheizvorgang sowie auch das Einschalten könnten auch manuell gestartet werden, beispielsweise durch einen Taster 12, wie in Figur 1 angedeutet. Nach dem Einschalten gibt das Zeitglied 11 einen Schaltimpuls U₁ (Figur 2c.)) an den Schalttreiber 7. Der Schalttreiber 7 sendet dann getriggert durch den Puls u_c des Spannungskomparators 13 im Spannungsnulldurchgangsberejch der Wechselspannung u einen Schaltpuls I₅₁. (Figur 2d.)) an die Steuerelcktronde des Triacs 8, der daraufhin durchzündet, wie in der Teilabbildung Figur 2e.) dargestellt ist. Durch den Triac 8 fließt nun der Strom i_T als Laststrom i. Unmittelbar nach "Zün-

den" des Triacs 8 bzw. gleichzeitig, wie hier dargestellt [je nach der typischen Einschaltverzögerungszeit (Schließzeit) tg des Kontaktpaares 3], wird der Spulenstrom i_s zum Schließen des Kontaktpaares 3 eingeschaltet. Das Kontaktpaar 3 schließt einen Strompfad für den Lasistrom i parallel zum Strompfad durch den Triac 8. Nach dem Schließen der Kontakte des S Kontaktpaares 3 verlöscht der Strom i_T durch den Triac 8 von selbst, da der elektrische Widerstand des Kontaktpaares 3 vemachlässigbar klein geworden ist und somit der Stromfluß i_T durch den Triac 8 unter dessen Haltestrom gesunken ist. Der Triac 8 ist somit nur einen Bruchteil einer Ilalbwelle des Wechselstroms leitend gewesen. Eine Erwärmung des Triacs 8 während des Slromeinschaltvorgangs ist vemachlässigbar klein. Über das Kontaktpaar 3 fließt nun ein Strom i_K nahezu vollständig verlustfrei als Laststrom i.

Der ohmsche Widerstand ist beim Einschalten des selbstregulierenden kalten Heizbandes als Last 1 klein; d.h. es fließt ein hoher Strom i. Als elektrische Absicherung wird man bevorzugt eine träge Sicherung 15 im Laststromkreis verwenden. Die Sicherung 15 ist nun derart ausgelegt, daß sie nicht anspricht, wenn das Heizband 1 auf seine vorgegebene Temperatur erwärmt ist und ein Dauerstrom i zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Heizleistung zusätzlich einer Heiztoleranz fließt. Beim Einschalten fließt nun ein Strom i der die Sicherung 15 zum Ansprechen bringen würde. Um bei kalter Anlage das Stromnetz nicht zu überlasten, bzw, damit die Sicherung 15 nicht anspricht, wird zum Aufheizen des Heizbandes 1 vom Zeitglied 11 ein Tastverhältnis zwischen Stromfluß und ausgeschaltetem Strom gewählt, der die Sicherung 15 gerade nicht ansprechen läßt, aber ein Aufheizen des Heizbandes 1 ermöglicht. In dem hier gewählten Schaltungsbeispiel wird der Strom i bzw. i_K unter Einschalten von I₇ nach drei Sekunden wieder ausgeschaltet.

Zu Beginn der Aufwärmphase fließt der Laststrom i drei Sekunden durch das Heiz-. band 1 und bleibt dann während sieben Sekunden ausgeschaltet. Die gesamte Taktzeit beträgt somit zehn Sekunden. Zur Vermeidung einer Netzübcrlastung wird nun sukzessive in dem hier beschriebenen Beispiel über acht Minuten laufend das Tastverhältnis unter Vergrößerung der Stromlaufzeit auf einen kontinuierlichen Stromfluß i geändert (da ja das Heizband wärmer und damit sein ohmscher Widerstand größer wird). Dieser Strom wird erst dann abgeschaltet, wenn eine vorgegebene Heizendtemperatur erreicht ist. Diese Heizendtempeatur wird mit dem

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Temperaturfühler 9 gemessen, der bei einem Temperaturabfall um einen Regelwert dann "wieder einen Einschaltbefehl, wie bereits oben beschrieben, an den Schalttreiber 7 gibt.

Zum Ausschalten des Lastsiroms i im Aufheizbetrieb bzw. Heizbetrieb sendet das Zeilglied 11 seinen Schaltpuls U₃₅ (siehe Figur 2c.)). Unmittelbar danach legt der Schalttreiber 7 einen Triggerstrom i_sr an das Gate des Triacs 8 und schaltet den Spulenstrom i_s aus. Nach einer Ausschaltverzögerungszeit t_A (Trennzeit für die Kontakte des Kontaktpaares 3), welche unterschiedlich zur Einschaltverzögerungszeit t_E sein kann, werden die Kontakte des Kontakipaares 3 voneinander getrennt. Da der Triggerstrompuls i^ immer noch am Gate des Triacs 8 Hegt, übernimmt dieser die Leitung des Laststromes i als Strom i_T. Um ein sicheres Schalten zu gewährleisten, ist die PuJsbreite &iacgr;&khgr; des Triggerstrompulses % etwas größer als eine Pcriodenhalbwelle und damit auch größer als die Ausschaltverzögerungszeit t_A In dem Augenblick, in dem die Kontakte des Kontaktpaares 3 geöffnet werden, übernimmt der Triac 8 die Stromfuhrung und schaltet beim kommenden Slromnulldurchgang selbsttätig ab. Auch beim Abschaltvorgang ist die Stromflußzeit des Triacs 8 sehr klein; eine Erwärmung tritt somit auch hier nicht auf.

Da keine Maßnahmen für eine Verlustwärmeabfuhr beim Triac 8 getroffen werden müssen, kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kompakt und damit klein im Volumen ausgeführt werden. Der Triac 8 ist sowohl beim Zusammenbringen der Kontakte als auch bei deren öffnen leitend; ein Kontaktfunken kann sich somit nicht bilden. Durch eine Vermeidung von Kontaktfunken erhöht sich die Lebensdauer des Kontaktpaares 3 und damit des Relais 5 signifikant. Es sind somit einige Millionen Schaltungen möglich. Auch wird der Triac 8 quasi in einem "stromlosen" Zustand ein- sowie auch ausgeschaltet. Schaltoberwellen, welche gemäß den oben aufgeführten Normen mit elektrischen Filteranordnungen gedämpft werden müssen, treten nicht mehr auf bzw. liegen innerhalb zulässiger Größenordnungen.

Die Ausbildung eines Einschaltfunkens über den Kontakten des Kontaktpaares 3 tritt bei der hier verwendeten Spannung von 230 V nicht auf, sofern es gelingt, ein Prellen der Schaltkontakte zu unterbinden. In diesem Fall könnte beim Stromeinschalten auf den oben beschriebcnen Schaltungsvorgang verzichtet werden. Wird auf einen gesteuerten Einschaltvor-

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gang verzichtet, so kann auf den Spannungskomparator 13 zur Bestimmung der Spannungsnulldurchgänge der Wechselspannung in der oben beschriebenen Schaltungsanordnung verzichtet werden.

Auch auf den Triac 8 kann verzichtet werden. In diesem Fall muß jedoch die bautypische Einschaltverzögerungszeit t_E und Ausschaltverzögerungszeit t_A bekannt sein sowie auch die Phasenverschiebung tp. Es müssen dann die Zeitpunkte t_!E und t_(A filr das Ein- bzw. Ausschalten des Spulenstromes i_s derart gewählt werden, daß die Kontakte des Kontaktpaares 3 sich jeweils im Stromnulldurchgang schließen bzw. öffnen. Sind die Werte für t_B) t_A und t_P bekannt, so sind die hier geforderten Schaltvorgänge mit einer Schaltungsanordnung ohne Halbleiterschaltelement über dem Kontaktpaar 3 realisierbar. Die Zeiten t_E, t_A und t_P sind im Zeitglied 11 gespeichert. Die Phasenverschiebung t_P ist bei einer Heizbandanlage bzw. bei einer beliebigen Last berechenbar bzw. meßbar. Sie ist bei einer Heizbandanlage vernachlässigbar klein. Die Ausführungen zur Phasenverschiebung t_P werden hier aufgezeigt, um eine Verwendung der eriindungsgemäßen Schaltungsanordnung generell für allgemeine elektrische Schalten aufzuzeigen. Die bautypische Einschaltverzögerungszeit t_E und Ausschaltverzögerungszeit t_A läßt sich jeweils an dem zu verwendenden Relais messen.

Die Ermittlung der bautypischen Einschaltverzögerungszeit t_K, der Ausschaltverzögerungszeit t_A und der Phasenverschiebung t_r kann jedoch auch selbsttätig erfolgen. Bei einem Schalten der Kontakte außerhalb des Stromnulldurchgangs entsteht bekanntlich ein Kontaktfunken. Dieser Kontaktfunken ist somit ein Zeichen einer nicht richtig gewählten Einschaltverzögerungszeit t_E und/oder einer falschen Ausschaltverzögerungszeit t_A und/oder einer falsch bestimmten Phasenverschiebung t_r. Werden die Zeiten t_E und/oder t_P bzw t_A und/oder t_P im Zeitglied 11 als richtige Werte abgelegt, so bildet sich, wie oben ausgeführt, kein Kontaktfunken. Der Zeitpunkt t_IE und t_u unter Berücksichtigung der Phasenverschiebung t_P wird experimentell in einer bevorzugten Ausruhrungsvariante der Erfindung selbsttätig ermittelt und dann das Relais 5 mit den richtigen Zeiten unter deren Langzeitkorrektur geschaltet.

Der Zeitpunkt des Auftretens eines Kontaktfunkens in Relation zum leicht zu messenden Spannungsnulldurchgang der Wechselspannung u kann nun, wie in Figur 3 dargestellt

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ist, mit einer Fotodiode 17 ermittelt werden. Der elektrische Ausgang der Fotodiode 17 ist mit einem Fotostromverstärker 19 verbunden. Der Ausgang der Verstärkers 19 geht zum Eingang eines Pulshöhendiskriminators 21. Der Pulshöhendiskriminator 21 ermittelt die maximale Strahlungsstärke S_P der vom Kontaktrunken erzeugten Strahlung, Da der Strahlung des Kontaktfunkens, wie oben bereits ausgeführt, in der Regel Schwingungen überlagert sind, befindet sich zwischen dem Ausgang des Verstärkers 19 und dem Eingang des Pulshöhendiskriminators 21 ein Integrator 22 zur Glättung des der Strahlungsstärke entsprechenden Ausgangssignals. Mit dem Pulshöhendiskriminator 21 ist ein Speicher 23 verbunden, der seinerseits zusätzlich mit einem Spannungskomparator 25 zur Bestimmung des Spannungsnulldurchgangs der Wechselspannung u verbunden ist. Im Speicher 23 werden die gemessenen maximalen Strahlungsstärken S_P und die dazugehörenden Zeiten t_x, bezogen auf den jeweiligen vorhergehenden mit dem Spannungskomparator 25 ermittelten Spannungsnulldurchgang, abgespeichert und mit einer Recheneinheit 26 ausgewertet. Der Schalttreiber 7 wird von der Recheneinheit 26 entsprechend der ermittelten Resulate angesteuert. Zur Ermittlung des Zeitpunkts t_1A zum Ausschalten des Spulenstroms i_s wird nun wie folgt vorgegangen (der Zeitpunkt tj_E kann analog ermittelt werden):

Gemäß Vorgabe durch das ZeitgHed 11, den Temperaturfühler 9 oder ein sonstiges Auslöseelement wird zu einem beliebigen Zeitpunkt t_Xi, nach einem Spannungsnulldurchgang der Relaisstrom i_s ausgeschaltet. Sollte dieser Zeitpunkt t^,, was jedoch unwahrscheinlich ist, exakt mit dem Zeitpunkt t^ übereinstimmen, so wird von der Fotodiode 17 kein Kontaktfunken detektiert. In allen anderen Fällen wird eine maximale Strahlungsstärke S_Pil zu diesem Zeitpunkt t^, detektiert. Diese beiden Werte (S_Pj, und t_Xti) werden im Speicher 23 abgespeichert. Für einen folgenden Ausschaltvorgang wird ein Zeitpunkt t_X2 zum Ausschalten des Laststromes i um eine Zeitspanne At_x verlängert [t^₂ - t_x>, + At_x]. Für At_x wird ein Bruchteil einer Halbwelle gewählt, bevorzugt etwa 2%. Die hierzu gemessene maximale Strahlungsstärke S_P2 und der dazugehörende Zeitpunkt X_x^₂ werden im Speicher 23 abgespeichert.

Die Stromkurvenverlauf ist eine Sinuskurve. Der Spitzenwert der Strahlungsstärke S_P ist jedoch poJaritätsunabhängig [aus der Strahlung eines Kontaktrunkens ist dessen Stromrichtung nicht ersichtlich]. In einer ersten Näherung entspricht somit der Maximalwert der Kontaktfunkenstrahlung einer Sin²-Kurve, deren maximaler Strahlungswert jedoch nicht bekannt ist. Die Werte für die Ausschaltvcrzögerungszeit t_A und die Phasenverschiebung t_P müssen

nichi explizit bekannt sein. Es reichTihre Summe, woßeTKTer die Phasenverschiebung t_P automatisch vorzeichenrichtig eingeht. Es ist somit lediglich ein einziger Zeitwert t^ zu bestimmen, der die Phasenverschiebung t_p und die Ausschaltzeitverzögerung t_A beinhaltet. [Analoges gilt für das Einschalten, wobei auch hier ein einziger Zeitwert t_iE die Phasenver-Schiebung t_P und die Einschaltverzögerungszeit t_E enthält.]

Aufgrund einer Doppeldeutigkcit in einer Sin²-Kurve müssen zur Bestimmung deren zeitlicher Lage bei bekannter Amplitude zwei Meßwerte innerhalb einer Halbwelle zu unterschiedlichen, jedoch bekannten Zeitpunkten gemessen werden. Da in unserem Fall die Amplitude nicht bekannt ist, muß noch ein dritter Meßwert an einem zu den beiden anderen Zweitpunkten unterschiedlichen Zeitpunkt ermittelt werden. Die Berechnung der Zeit t^ wird mit einem Mikroprozessorchip vorgenommen. Diese Zeit t_u gibt an, um welche Zeitspanne nach einem mit dem Spannungsdiskriminator 25 gemessenen Spannungsnulldurchgang der Spulenstrom i_s ausgeschaltet werden muß, damit kein Kontaktfunken auftritt Die drei Messungen können zu beliebig voneinander distanzierten Zeitpunkten erfolgen. Es ist lediglich darauf zu achten, daß keine Messungen zu Zeiten vorgenommen werden, welche aufgrund der Periodizität der Wechselspannung zu identischen Meßwerten führen würden. Die zeitlichen Meßpunkte müssen nicht innerhalb einer Halbwelle liegen. Unterscheiden sich Ein- und AusschaUzeit eines Relais und soll auch das Einschalten bei bereits durchgeführter Optimierung des Ausschaltens kontaktfunkenlos erfolgen, so ist ein weiteres, viertes Meßwertepaar notwendig.

Bevorzugt wird man jedoch nicht völlig beliebige Meßzeitpunkte wählen, sondern von Erfahrungswerten ausgehen, welche bereits schon in der Nähe der richtigen Werte liegen. Mit der oben beschriebenen Meßautomatik wird dann nur noch eine Feineinstellung vorgenommen.

Sollten sich die Schaltdaten des Relais 5 beispielsweise infolge von Alterung ändern, so

tritt bei ursprünglich richtig eingestellter Ein- bzw. Ausschaltverzögerung ein Kontaktfunken auf, und der oben beschriebene Abgleich- und Berechnungsvorgang beginnt erneut zu laufen.

Dieser Abgleichvorgang endet dann wieder mit einer exakten Zeiteinstellung. Durch eine Alterung der Heizbänder kann eine Veränderung der Phasenverschiebung t_P eintreten, welche

dann ebenfalls einen Kontaktfunken hervorrufen kann. Auch diese Änderung kann mit dem oben aufgeführten Verfahren korrigiert werden. Bei einer neuen Zeitbestimmung treten jeweils Kontaktfunken auf. Eine Korrektur benötigt jedoch jeweils nur drei Meßwerte mit drei Kontaktfunken. Diese drei Messungen wirken sich jedoch nicht auf die Lebensdauer des Relais aus, da sie äußert selten vorgenommen werden.

Da sich der ohmsche Widerstand während des Aufheizvorgangs der Heizbänder ändert, deren kapazitive Impedanz aber weitgehend temperaturunabhängig ist, ändert sich auch die Phasenverschiebung t_H während des Aufheizvorgangs. Mit einer Änderung der Phasenver-Schiebung t_P ändert sich auch der Zeitpunkt tj_K bzw. t_u für das Ein- und Ausschalten des Spulenstroms i_sin Abhängigkeit der Temperatur des bzw. der Heizbänder, da als Referenz jeweils die Nulldurchgänge der Wechselspannung verwendet werden. Da die Temperatur mit dem Temperaturfühler 9 gemessen wird, kann im Speicher 23 dann zur gemessenen Temperatur auch der jeweils optimale Zeitpunkt t_1E bzw, t_u abgespeichert werden. Die optimalen Zeitpunkt t,_E und t_u lassen sich auch hier für vorgegebene Temperturintervale durch drei Messungen ermitteln.

Gemäß obigen Ausführungen treten bei der automatischen Einstellung der Schaltzeitpunkte t,_E und t_u kleinste Kontaktfunken auf. Kontaktrunken tragen nun Kontaktmaterial je nach Stromflußrichtung von dem einen Kontakt zum anderen. Dieser Kontaktmaterialtransport führt dann über mehrere Schaltungen zum Verschließen des betreffenden Kontakts. Der Kontaktmaterialtransport ist stromrichtungsabhängig. Es wird nun vorgeschlagen, den Stromschaltzeitpunkt mit dem Zeitglied 11 derart zu wählen, daß jeweils eine Schaltung unmittelbar vor dem Stromnulldurchgang im negativen Halbwellenbreich und dann wieder im positiven Halbwellenbereich erfolgt. Sollte Material bei einem Schaltvorgang von einem Kontakt zum anderen transportiert worden sein, so wird dann dieser Materialtransport beim nächsten Schaltvorgang wieder rückgängig gemacht. Da sich der Stromverlauf beim Einschalten der Last 1 vom Abschaltstromverlauf unterscheidet wird vorgeschlagen, die Alternicrung der Stromrichtung auf Ein- und Ausschalten zu beziehen. D.h. es sollte nicht immer bei positiver Stromrichtung ein- und bei negativer Stromrichtung ausgeschaltet werden..

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Dcr hier beschriebene Abgleichvorgang ist ohne spezielle Kenntnis des verwendeten Relais sowie der Eigenschaften der Last, welche mit Strom versorgt werden soll, durchführbar. Neben den als Last verwendeten Heizbändern können auch andere elektrische Elemente eingesetzt werden. Die oben beschriebenen Schaltungsanordnungen lassen sich bei beliebigen elektrischen Lasten und bei beliebigen Phasenwinkeln einsetzen. Der Bewegungsvorgang der Kontakte des Kontaktpaares sollte jedoch im Millisekundenbereich vonstatten gehen. Die oben beschriebene Schaltungsanordnung sowie auch das Schakverfahren können nicht eingesetzt werden, wenn die Zeit zwischen geschlossenen Kontakten und vollständig geöffneten Kontakten mehr als 10% der Viertelperiode der Wechselspannung bzw. 2,5% der Wechelspannungsperiode beträgt. Die Ein- bzw. Ausschaltverzögerungszeit t_1E bzw. t_iA des Relais 5 kann jedoch größer als eine Wechselspannungshalbwelle sein.

Claims (8)

-15-Schutzansnrüche

1. Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines durch eine Last (1) fließenden elektrischen Wechselstroms (i), gekennzeichnet durch, ein im Laslstromkrcis zu dessen Ein- und Ausschalten liegendes Kontaktpaar (3) eines Relais (5) und einen mit dem Relais (5) zusammenwirkenden Schalttreiber (7), welcher das Kontaktpaar (3) derart öffnet und schließt, daß sich zwischen den Kontakten des Kontaktpaares (3) kein insbesondere Kontaktmaterial abtragender Schaltfunken bildet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein zum Laststromfluß (i) über das Kontaktpaar (3) mit dem Schalttreiber (7) parallel schaltbares Halbleiterschaltelement (8), wobei der Scbalttreiber (7) derart ausbildet ist, daß er das Halbleiterschaltelement (8) bei geschlossenem Kontaktpaar (3) auf elektrischen Durchgang und den Relais-spulenstrom (i_s) zum öffnen der Kontakte des Kontaktpaares (3) schaltet, und dann das Halbleiterschaltelement (8) unmittelbar darauf beim kommenden Stromnulldurchgang des Laststroms (i) ausschaltet bzw. das Halbleiterschaltelement (8) sich selbst ausschaltet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zur Bestimmung des zeitliches Spannungsverlaufs (u) über der Last (1) und einen Schalttreiber (7), der derart ausbildet ist, daß er das Halbleiterschaltelement (8) im Spannungsnulldurchgang einschaltet und im Stromnulldurchgang ausschaltet bzw. das Halbleiterschaltelement (8) sich selbst ausschaltet, und der Schalttreiber (7) die Kontakte des Kontaktpaares (3) während des Stromflusses (igt) durch das Halbleiterschaltelement (8) schaltet.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung des zeitlichen Spannungsverlaufs (u) über der Last (1), einen mit dem Schalttreiber (7) verbundenen Zeitgeber (11), welcher auf eine Schaltverzögerungszeit (t_A, t_E) als Differenz zwischen dem Kontaktschaltzeitpunkt und dem Relaisstromschaltzeitpunkt (t_iAJ t_m) derart einstellbar ist, daß sich kein Kontaktfunken bilden kann.

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5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber (11) derart ausgebildet ist, daß er die Laststromeinschaltung bzw. auch die Laststromausschaltung im negativen Halbwellenbereich und dann wieder in einem positiven Halbwellenbcreich alternierend auslöst, um einen Kontaktmaterialtransport von dem einen Kontakt zu dem anderen infoige eines noch so geringen Kontaktfunkens rückgängig zu machen,

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Ermittlung eines maximalen Schwingungswerts, insbesondere einer maximalen Schwingungsampütude (S_P1, S_PiJ1 S_Pi3) ausgehend von einem Kontaktfunken und dem dazu gehörenden Detektionszeitpunkt (t_Xi&ldquor; t_M, t_X(3) einen Datenspeicher (23) zum Abspeichern wenigstens der jeweils beiden zueinander gehörenden Datenpaare und einer Recheneinheit zur Ermittlung eines Ein- bzw. Ausschaltzeitpunkts (t_m, t,_A) des Relaisspulenstroms (i_s) zum stromlosen Schalten der Kontakte des Kontaktpaares (3) aus wenigstens drei der abgespeicherten Datenpaare (t_xl/S_P&ldquor; t_X)i/S_P1, t_Xi3/S_PrI).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (1) eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere ein selbstrcgulierendes elektrisches Heizband ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen mit dem Schalttreiber (7) verbundenen Temperaturfühler (9), mit dem dieser für einen Schallvorgang vorbereitbar ist.