[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Überwachung eines Wechselstromschalters
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
[0002] Derartige Schaltungen werden beispielsweise in Einrichtungen für die Steuerung und
Überwachung des Brenners und der Zündeinrichtung von Öl- und Gasfeuerungen sowie zur
Überwachung von Schaltern für Stellglieder wie Brennstoffventile und Lüftungsklappen
verwendet, wobei ein Mikroprozessor die über netzspannungsführende Meldeleitungen
zugeführten Informationen auswertet und entsprechende Steuerbefehle absetzt. Insbesondere
wegen der beim Einschaltvorgang und beim Betrieb von Öl-und Gasbrennern geforderten
Sicherheit ist die Abschaltfähigkeit der Schalteinrichtungen, die sicherheitstechnisch
kritische Lasten wie beispielsweise ein Brennstoffventil schalten, häufig zu überprüfen,
um eine Fehlfunktion der Schalteinrichtung erkennen zu können, bevor eine gefährliche
Situation entsteht.
[0003] Aus der DE-PS 30 44 047 und der prioritätsälteren DE-PS 30 41 521 C2 ist eine Steuereinrichtung
für Ölbrenner gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei welcher Informationen
über die Schaltzustände von Relais- und Sensorkontakten mittels Verstärker in einen
Mikroprozessor übertragen werden. Die Schaltzustände der Relaiskontakte sind über
netzspannungsführende Meldeleitungen je einem Verstärker zugeführt, der ausgangsseitig
mit einem Eingang des Mikroprozessors verbunden ist, so dass dieser eine der Anzahl
Verstärker entsprechende Anzahl Eingänge aufweisen muss. Zur galvanischen Trennung
der Meldeleitungen und des Mikroprozessors sind Trennglieder wie z.B. Optokoppler
oder Übertrager eingesetzt. Dabei ist ein Trennglied pro Signalspannung vorhanden.
Der Mikroprozessor ist programmiert, eine Anzahl Prüfungen dahingehend durchzuführen,
ob ein System mit geschalteten Verbrauchern tatsächlich in der richtigen Weise eine
Einschaltphase durchläuft. Dazu werden vom Mikroprozessor Signale eingelesen und mit
Sollwerten verglichen. Bei einem fehlerhaften Verbraucherzustand schaltet der Mikroprozessor
die Verbraucher ab.
[0004] Weiter sind bei einer aus der DE-OS 41 37 204 bekannten Anordnung zur Überwachung
von Wechselstromschaltern netzspannungsführende Meldeleitungen über Optokoppler mit
einer Abfrageeinheit eines Wechselspannungsdetektors verbunden. Die Meldeleitungen
sind hierbei über je einen Tiefpass, der aus einem Widerstand und einem mit diesem
in Reihe geschalteten Kondensator besteht, an den Optokoppler angeschlossen. Über
die Meldeleitungen werden die Schaltzustände der Wechselstromschalter abgefragt und
gespeichert. In einer der Abfrageeinheit nachgeschalteten Auswerteeinheit werden die
Schaltzustände mit einem Sollzustand - offen oder geschlossen - verglichen und danach
ein Schalterzustandssignal gebildet, das mindestens eine Information - Fehler oder
kein Fehler - gesamthaft für alle vorkommenden Wechselstromschalter enthält. Aus dem
Schalterzustandssignal lässt sich nicht ermitteln, welcher Wechselstromschalter allenfalls
nicht mehr abschaltbar ist, so dass eine einfache Anzeige zur Diagnose nicht möglich
ist.
[0005] Aus den europäischen Patenten EP 660 043 und EP 660 044 sind ebenfalls Schaltungen
zur Überwachung von Wechselstromschaltern bekannt. Diese Schaltungen lassen sich im
Dauerbetrieb jedoch nicht bezüglich der korrekten Funktionsfähigkeit ihrer sicherheitsrelevanten
Bauelemente überprüfen.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Überwachung eines Wechselstromschalters
anzugeben, mit dem eine Last an eine Netzspannung schaltbar ist, die gegenüber dem
Nullpunkt der Netzspannung speisbar ist und deren sicherheitsrelevante Bauelemente
im Dauerbetrieb der Schaltung jederzeit auf ihre korrekte Funktionsfähigkeit hin überprüfbar
sind.
[0007] Die Erfindung besteht in den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhatte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0008] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
[0009] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Schaltung zur Überwachung eines Wechselstromschalters,
- Fig. 2, 3, 4
- Spannungs- und Signaldiagramme,
- Fig. 5
- eine erste Erweiterung der Schaltung, und
- Fig. 6
- eine zweite Erweiterung der Schaltung,
[0010] Die Fig. 1 zeigt eine Schaltung 1 zur Überwachung eines Wechselstromschalters 2.
Die Schaltung 1 wird von einer zwischen einer Phase P und einem Nullpunkt N liegenden
Netzspannung U
PN gespeist. Der Wechselstromschalter 2 kann z.B., wie in der Fig. 1 gestrichelt dargestellt
ist, eine Last 3 an die Netzspannung U
PN schalten. Dabei sind der Wechselstromschalter 2 und die Last 3 in Reihe geschaltet,
wobei ein Anschluss des Wechselstromschalters 2 mit der Phase P und ein Anschluss
der Last 3 mit dem Nullpunkt N verbunden ist. Der Abgriff zwischen dem Wechselstromschalter
2 und der Last 3 ist mit einem Eingang 4 der Schaltung 1 verbunden.
[0011] Der Wechselstromschalter 2 kann aber auch ein Schalter sein, dessen Stellung - offen
oder geschlossen - als Melde- oder Steuersignal dient. Beispielhaft sei erwähnt, dass
der Wechselstromschalter 2 ein Übertemperaturschalter ist, der öffnet, sobald eine
vorbestimmte Temperatur überschritten wird, oder dass der Wechselstromschalter 2 ein
Endschalter ist, der öffnet (oder schliesst), sobald ein Gerät eine vorbestimmte Position
erreicht. In diesem Fall ist in der Fig. 1 die Last 3 einfach wegzudenken.
[0012] In allen Fällen ist somit der eine Anschluss des Wechselstromschalters 2 mit der
Phase P der Netzspannung U
PN und der andere Anschluss mit dem Eingang 4 der Schaltung 1 verbunden.
[0013] Die Schaltung 1, die die üblichen Speisespannungsanschlüsse V
DD und V
SS aufweist, ist in bekannter Weise, beispielsweise mit einem aus einer Diode 5, einem
Widerstand 6, einer Zenerdiode 7 und einem Kondensator 8 gebildeten Spannungsteil,
von der Spannung U
PN gespeist, wobei der Speisespannungsanschluss V
SS mit dem Nullpunkt N verbunden ist. Die Speisung der Schaltung 1 kann aber auch auf
andere Art erfolgen, beispielsweise mittels eines Trafos mit nachfolgender Gleichrichtung,
Stabilisierung und galvanischer Kopplung zum Nullpunkt N.
[0014] Der Eingang 4 ist über eine Diode 9 und einen ersten Widerstand 10 mit einem hochohmigen
Eingang 11 eines ersten Digitalbausteins 12 verbunden. Ein zweiter Widerstand 13 verbindet
den hochohmigen Eingang 11 mit einem Ausgang 14 eines zweiten Digitalbausteins 15.
Der Eingang 11 und der Ausgang 14 der beiden Digitalbausteine 12 bzw. 15 sind wie
üblich über Schutzdioden 16 mit der Speisespannung V
DD und dem Nullpunkt N verbunden.
[0015] Aus Sicherheitsgründen dürfen Bauelementefehler nicht dazu führen, dass die Schaltung
1 einen geöffneten Wechselstromschalter 2 als geschlossenen Wechselstromschalter interpretiert.
Es müssen daher alle Bauelementefehler, die zu einem sicherheitstechnisch gefährlichen
Resultat führen könnten, von der Schaltung 1 selbsttätig erkannt werden. Dazu ist
die Durchführung eines Bauteiletests vorgesehen. Ist beispielsweise die Diode 9 infolge
eines Defektes kurzgeschlossen, dann dürfen kapazitiv eingekoppelte Signale am Eingang
4 der Schaltung 1 nicht dazu führen, dass die Schaltung 1 irrtümlich meldet dass der
Wechselstromschalter 2 geschlossen ist. Ein Unterbruch des Widerstandes 13 führt ebenfalls
zu einer Veränderung der Spannung am Eingang 11 des ersten Digitalbausteins 12. Auch
dies darf nicht zu einem sicherheitstechnisch gefährlichen Resultat bezüglich der
Stellung des Wechselstromschalters 2 führen. Die Widerstände 10 und 13 sind in einer
Technologie hergestellt, die als Defekt nur einen Unterbruch, nicht aber einen Kurzschluss
zulässt. Deshalb genügt es, die Widerstände 10 und 13 auf einen Unterbruch hin zu
testen.
[0016] Die Durchführung einer Abfrage der Stellung des Wechselstromschalters 2 und die Durchführung
eines Bauteiletests über die Funktionsfähigkeit der Bauteile 9, 10 und 13 kann in
zeitlich getrennten Verfahren oder mittels eines gemeinsamen Verfahrens erfolgen.
[0017] Eine Abfrage des Zustandes des Wechselstromschalters 2 - offen oder geschlossen -
, ohne Überprüfung der Bauteile, kann erfolgen, indem der Ausgang 14 des Digitalbausteins
15 mit dem Nullpunkt N verbunden wird. Die Fig. 2 zeigt nun für die beiden Zustände
Wechselstromschalter 2 geschlossen bzw. offen in Funktion der Zeit t:
a) den Spannungsverlauf am Eingang der Diode 9,
b) den Spannungsverlauf am Ausgang der Diode 9,
c) den Spannungsverlauf am Eingang 11 des ersten Digitalbausteins 12,
d) die Abtastimpulse,
e) binäre Signale 0 oder 1 am Ausgang 17 (Fig. 1) des ersten Digitalbausteins 12,
die durch die Abtastung der am Eingang 11 des ersten Digitalbausteins 12 anliegenden
Spannung mit den Abtastimpulsen entstehen.
[0018] Wegen der in den Digitalbausteinen 12 und 15 (Fig. 1) vorhandenen Schutzdioden 16
ist der Spannungsverlauf bei geschlossenem Wechselstromschalter 2 am Eingang 11 des
ersten Digitalbausteins 12 praktisch rechteckförmig und in Phase mit der Spannung
U
PN. Die Widerstände 10 und 13 wirken als Spannungsteiler. Bei jedem Abtastimpuls erscheint
am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12 ein binäres Signal 0 oder 1, das angibt,
ob die Spannung am Eingang 11 tiefer oder höher als eine vom Eingang 11 vorgegebene
Schwellwertspannung U
S von beispielsweise 2.5 V ist. Die weitere Auswertung der Abtastung kann z.B. erfolgen,
indem die während einer bestimmten Zeitspanne anfallenden Signale 0 bzw. 1 summiert
werden, wobei die Zeitspanne länger als eine halbe Netzperiode ist. Bei offenem Wechselstromschalter
2 muss diese Summe Null ergeben. Bei geschlossenem Wechselstromschalter 2 muss diese
Summe einerseits einen endlichen, von Null verschiedenen Wert ergeben, andererseits
müssen die Werte des Signals innerhalb der besagten Zeitspanne sowohl Werte 0 als
auch Werte 1 enthalten.
[0019] Zur Durchführung des Bauteiletests, mit dem überprüft werden kann, ob die Diode 9
nicht kurzgeschlossen oder einer der Widerstände 10 oder 13 unterbrochen ist, wird
am Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins 15 eine positive Spannung angelegt, die
grösser als die Schwellwertspannung U
S ist. Ist der Widerstand 13 intakt, dann ist die Spannung am Eingang 11 des ersten
Digitalbausteins 12 ebenfalls grösser als die Schwellwertspannung U
S. Die Zeitspanne, während der am Ausgang 14 die positive Spannung anliegt, ist grösser
als eine Netzhalbwelle und kürzer als eine Netzvollwelle. Ein Bauteilfehler liegt
dann vor, wenn die am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12 erscheinenden Signale
nicht den erwarteten Signalen entsprechen, wie sie nun näher erläutert werden.
[0020] Die Fig. 3a und 3b zeigen für den Fall der intakten bzw. der kurzgeschlossenen Diode
9 wiederum für die beiden Zustände Wechselstromschalter 2 geschlossen bzw. offen in
Funktion der Zeit t:
a) den Spannungsverlauf am Ausgang der Diode 9,
b) den Spannungsverlauf am Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins 15,
c) den Spannungsverlauf am Eingang 11 des ersten Digitalbausteins 12,
d) die Abtastimpulse, und
e) die Signale am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12.
[0021] Falls der Wechselstromschalter 2 geschlossen ist und die Diode 9 und die Widerstände
10 und 13 intakt sind (Fig. 3a), erscheinen am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins
12 dann Signale mit dem Wert 1, wenn die Spannung am Eingang 11 infolge einer aktuellen
positiven Netzhalbwelle oder infolge einer positiven Spannung am Ausgang 14 des zweiten
Digitalbausteins 15 die Schwellwertspannung U
S überschreitet.
[0022] Bei einem Kurzschluss der Diode 9 (Fig. 3b) hingegen erscheinen nur während der positiven
Netzhalbwelle Signale mit dem Wert 1: Während der negativen Netzhalbwelle liegt die
Spannung am Eingang 11 des ersten Digitalbausteins 12 unterhalb des Schwellwertes
U
S, so dass am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12 Signale mit dem Wert 0 erscheinen.
[0023] Falls der Widerstand 10 unterbrochen ist, dann ist die Spannung am Eingang 11 des
ersten Digitalbausteins 12 unabhängig von der Stellung des Wechselstromschalters 2
und gleich der Spannung am Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins 15, also erscheinen
am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12 Signale 1 oder 0, die in Phase mit der
Spannung am Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins 15 sind.
[0024] Falls der Widerstand 13 unterbrochen ist, dann ist die Spannung am Eingang 11 des
ersten Digitalbausteins 12 unabhängig von der Spannung am Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins
15. Die Signale am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12 sind dann in Phase mit
der Spannung am Eingang 4 der Schaltung 1.
[0025] Ist der Wechselstromschalter 2 offen, dann hängt die Spannung am Eingang 11 des ersten
Digitalbausteins 12 nur von der Spannung am Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins
15 und davon ab, ob der Widerstand 13 intakt oder unterbrochen ist. Ist der Widerstand
13 intakt, dann muss die Spannung am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12 in
Phase mit der Spannung am Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins 15 sein. Ist der
Widerstand 13 unterbrochen dann dürfen am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12
nur Signale 0 erscheinen.
[0026] Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten. In
der ersten Kolonne ist symbolisch dargestellt, ob der Wechselstromschalter 2 offen
oder geschlossen ist und ob die Diode 9 und die Widerstände 10 und 13 intakt sind
oder nicht. Die Zahl N in der zweiten Kolonne gibt an, wieviele Signale mit dem Wert
1 am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12 erscheinen, wenn pro Netzvollwelle
zwanzig Abtastimpulse vorgesehen sind und wenn die Spannung am Ausgang 14 des zweiten
Digitalbausteins 15 während einer Zeitspanne, die vierzehn Abtastimpulse umfasst,
über der Schwellspannung U
S liegt.

[0027] Der Bauteiletest muss also eine Zahl N ergeben, die grösser oder gleich 14 ist. Ist
der Wechselstromschalter 2 geschlossen, dann sind die Diode 9 und die Widerstände
10 und 13 intakt wenn die Zahl N ≥ 14 ist. Ist der Wechselstromschalter 2 offen, dann
kann nur der Widerstand 13 überprüft werden. Er ist intakt, wenn die Zahl N = 14 ist.
Ergibt der Bauteiletest eine Zahl N, die kleiner als 14 ist, dann liegt ein Bauteilfehler
vor. Ergibt der Bauteiletest eine Zahl N, die grösser oder gleich 14 ist, dann kann
der Zustand - offen oder geschlossen - des Wechselstromschalters 2 nun wie oben erläutert
durch eine Abfrage festgestellt werden, bei der der Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins
15 mit dem Nullpunkt N verbunden ist.
[0028] Anhand der Fig. 4 ist noch ein Ausführungsbeispiel erläutert. bei dem die Abfrage
der Stellung des Wechselstromschalters 2 und die Überprüfung der Funktionsfähigkeit
der Bauelemente in einem einzigen Verfahren erfolgt. Der Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins
15 führt normalerweise den Pegel des Nullpunktes N, wird jedoch mit der Häufigkeit
R in regelmässigen Abständen für die Dauer eines einzigen Abtastimpulses auf einen
höheren Pegel gesetzt, bei dem die Spannung am Eingang 11 des ersten Digitalbausteins
12 die Schwellwertspannung U
S überschreitet. Während einer vollen Netzwelle TN werden M Abtastimpulse generiert
und die binären Abtastwerte am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12 zur Summe
Z aufsummiert. Die Diagramme zeigen für die beiden Zustände Wechselstromschalter 2
geschlossen bzw. offen in Funktion der Zeit t:
a) den Spannungsverlauf am Ausgang der Diode 9,
b) den Spannungsverlauf am Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins 15,
c) den Spannungsverlauf am Eingang 11 des ersten Digitalbausteins 12,
d) die Abtastimpulse, und
e) die Signale am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins 12.
Die folgende Tabelle zeigt die möglichen Werte der Summe Z und deren Bedeutung, wobei
neben den allgemein gültigen Angaben auch Angaben für das konkrete Beispiel mit M=32
und R=8 angegeben sind.

[0029] 
bedeutet also, dass der Wechselstromschalter 2 "geschlossen" ist und dass die Bauteile
9, 10 und 13 intakt sind. Z=R bedeutet, dass der Wechselstromschalter 2 "offen" ist,
wobei der Zustand der Diode 9 und des Widerstandes 10 allerdings nicht bestimmt werden
kann. Wird jedoch zusätzlich immer dann, wenn die Spannung am Ausgang 14 über der
Schwellwertspannung U
S liegt, überprüft, ob der Ausgang 17 den Abtastwert "1" führt, dann kann daraus ermittelt
werden, ob die Diode 9 kurzgeschlossen oder der Widerstand 13 unterbrochen ist. Ein
Unterbruch des Widerstandes 10 hingegen wird immer als Wechselstromschalter 2 "offen"
interpretiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass innerhalb einer Netzwelle feststellbar
ist, ob ein die Sicherheit beeinträchtigender Bauteilfehler vorliegt und welche Stellung
der Wechselstromschalter 2 einnimmt. Es ist aus sicherheitstechnischer Sicht tolerierbar,
wenn die Werte für Z um ± 1 vom korrekten Wert abweichen. Es ist dann nämlich nicht
nötig, die Frequenz der Abtastimpulse mit der Netzspannung zu synchronisieren.
[0030] Die Fig. 5 zeigt eine Erweiterung der Schaltung 1, mit der sich mehrere Wechselstromschalter
2 überwachen lassen. Das Besondere an dieser Schaltung ist, dass die zweiten Widerstände
13 alle auf einen gemeinsamen Ausgang 14 geführt sind. Anstelle der Digitalbausteine
12, 15 (Fig. 1), die auch verwendet werden könnten, sind hier Transistorstufen 18,
19 eingesetzt.
[0031] Die Fig. 6 zeigt eine Erweiterung der Schaltung 1, bei der der Eingang 11 des ersten
Digitalbausteins 12 auch als Ausgang und der Ausgang 14 des zweiten Digitalbausteins
15 auch als Eingang geschaltet werden können. Der Eingang 11 und der Ausgang 14 sind
also bidirektionale Ports 20, 21. Der Anschluss des ersten Widerstandes 10 ist nun
über einen Widerstand 22 mit dem ersten Port 20 und über einen weiteren Widerstand
23 mit dem zweiten Port 21 verbunden. Der Schaltungsaufbau bezüglich der Ports 20,
21 ist also symmetrisch, so dass die Funktion der Ports 20, 21 - "Eingang" oder "Ausgang"
- vertauschbar ist. Daher kann durch Wiederholen der Tests, wobei die Beschaltung
der beiden Ports 20, 21 als Eingang bzw. Ausgang vertauscht ist, auch die Funktionsfähigkeit
der Digitalbausteine 12 und 15 mitüberprüft werden.
[0032] Die Schaltung 1 (Fig. 1 und 6) bietet den Vorteil gegenüber bekannten Schaltungen,
dass bei offenem Wechselstromschalter 2 infolge parasitärer Leitungskapazitäten kapazitiv
eingekoppelte Wechselspannungen unterdrückt werden. Die eingekoppelte Wechselspannung
wird von der Diode 9 gleichgerichtet. Die Leitungskapazitäten werden dadurch polarisiert,
so dass die eingekoppelte Wechselspannung DC-mässig um den Spitzenwert der eingekoppelten
Wechselspannung verschoben wird. Die Diode 9 ist derart angeordnet, dass die eingekoppelte
Wechselspannung einen negativen Gleichspannungsanteil besitzt. Kapazitiv eingekoppelte
Wechselspannungen können somit die Signale am Ausgang 17 des ersten Digitalbausteins
12 nicht beeinflussen.