Die Erfindung betrifft ein Ansteuerverfahren für eine Schalteinrichtung mit wenigstens einem Relais, Schütz oder dergleichen, welche zumindest einen elektrischen Verbraucher mit einem versorgenden Netz wahlweise verbindet, bei welchem Ansteuerverfahren einer Ansteuerschaltung der Schalteinrichtung ein eine Schaltspannung auslösendes Schaltsignal eingegeben wird und in Reaktion auf das Schaltsignal nach Ablauf einer Schaltzeit ein durch eine Induktionseinrichtung betätigbarer Kontakt der Schalteinrichtung schließt, wobei ein durch die Induktionseinrichtung fließender Schaltstrom in zeitlicher Abhängigkeit des an der Induktionseinrichtung in Reaktion auf das Schaltsignal angelegten Schaltspannung bis auf zumindest einen Schaltwert ansteigt.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Ansteuerschaltung zur Durchführung des vorangehend genannten Ansteuerverfahrens.

Ein solches Ansteuerverfahren dient beispielsweise in der Praxis dazu, Glühlampen oder Leuchtstofflampen mit elektronischen Vorschaltgeräten als elektrische Verbraucher über Relaiskontakte an das versorgende Netz zu schalten. Glühlampen weisen einen kleinen Kaltwiderstand und die Vorschaltgeräte entsprechen einer kapazitiven Last auf, so dass bei Schließen des Relaiskontaktes im ungünstigen Fall im Spannungsmaximum des versorgenden Netzes Einschaltströme auftreten, die mindestens das 20 bis 80-fache des Nennstroms des entsprechenden elektrischen Verbrauchers betragen.

Zur Zeit sind Schalteinrichtungen mit Relais, Schützen oder dergleichen verfügbar, die in der Lage sind, einen Einschaltstrom vom 8 bis 10-fachen des Nennstroms zu bewältigen.

Aufgabe der Erfindung ist, hohe Einschaltströme in einfacher und kostengünstiger Weise zu verhindern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der beanspruchten Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gemäß Erfindung wird die entsprechende Schalteinrichtung so angesteuert, dass der Kontakt zur Begrenzung der Einschaltströme im Spannungsnulldurchgang oder zumindest nahe des Spannungsnulldurchganges der Spannung des versorgenden Netzes geschlossen wird. Dies wird dadurch erreicht, dass ein entsprechendes Schaltsignal zum Schließen des Kontaktes zu einem Zeitpunkt der Schalteinrichtung übermittelt wird, zu dem sichergestellt ist, dass nach Ablauf der Schaltzeit, das heißt der Zeitspanne zwischen dem logischen Befehl "Schalteinrichtung betätigen" durch das entsprechende Schaltsignal und dem Schließen des Kontaktes, gerade ein Spannungsnulldurchgang der Netzspannung auf der zu schaltenden Leitung zwischen versorgendem Netz und elektrischem Verbraucher vorliegt. In diesem Fall ist der Einschaltstrom äußerst gering und es können Schalteinrichtungen mit kleinen Relais verwenden werden, die kostengünstiger als größere Relais sind.

Die oben genannte Zeitspanne, die zwischen Anlegen der Schaltspannung und Erreichen des Schaltwertes des Schaltstromes abläuft, ist durch die vorgegebene Funktion bestimmt, die die zeitliche Abhängigkeit von Schaltstrom und Schaltspannung wiedergibt. Daher kann unter Berücksichtigung dieser Funktion die Schaltspannung vorangehend genannten Zeitpunkt angelegt werden, zu dem sichergestellt ist, dass der Schaltstrom gerade dann seinen Schaltwert erreicht, wenn im wesentlichen ein Spannungsnulldurchgang der Netzspannung vorliegt.

Leider ist in diesem Zusammenhang zu beachten, dass die Schaltzeit durch sie beeinflussende Parameter und deren Variationen oder Toleranzen variieren kann.

Dokument EP-0 997 921 A1 (03 May 2000) offenbart eine Ansteuerschaltung mit einem Ansteuereingang zur Eingabe des Schaltsignals und einer Schaltstrombestimmungsschaltung zur Bestimmung eines Schaltwertes des Schaltstroms derart, dass der Schaltstrom bei im wesentlichen Spannungsnulldurchgang der Netzspannung einen zum Schalten des Kontaktes ausreichend großen Schaltwert aufweist. Im Gegensatz zu der Ansteuerschaltung des Anspruchs 10 weist diese Ansteuerschaltung keine Zeitkonstantenschaltung zur Bestimmung einer Exponentialfunktion zur Wiedergabe der zeitlichen Abhängigkeit von Schaltstrom und Schaltspannung und keinen Regler zur Regelung der Schaltspannung unter Berücksichtigung der Exponentialfunktion auf.

Um Ansteuerverfahren bzw. entsprechende Ansteuerschaltung gemäß Erfindung dahingehend zu verbessern, dass die Schaltzeit unabhängig von Toleranzen der sie beeinflussenden Parameter reproduzierbar genau bestimmt werden kann, so dass der Kontakt der Schalteinrichtung zur Begrenzung der Einschaltströme auch b ei Vorliegen solcher Toleranzen im Spannungsnulldurchgang oder zumindest sehr nahe zum Spannungsnulldurchgang der Netzspannung geschlossen wird, werden vorgegebene oder bei Anwendung der Schalteinrichtung auftretende Variationen wenigstens eines Parameters, wie Temperatur, Induktivität, Widerstand oder Spannung erfasst, wobei dieser Parameter die zeitliche Abhängigkeit von Schaltstrom und Schaltspannung bestimmt. Ist die Variation des entsprechenden Parameters erfasst, kann die von diesem Parameter abhängige Funktion für die zeitliche Abhängigkeit von Schaltstrom und Schaltspannung zum Erreichen einer genaueren Schaltzeit vorgegeben oder bestimmt werden. Diese Funktion wird dann verwendet, um die Schaltspannung in einem solchen Zeitpunkt anzulegen, damit noch zeitgenauer ein Schaltwert des Schaltstroms zum Schließen des Kontakts im wesentlichen beim Spannungsnulldurchgang der Netzspannung erreicht wird.

Auf diese Weise ist durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet, dass nur äußerst geringe Einschaltströme bei Schließen des Kontaktes auftreten. Die Schaltzeit ist aufgrund der Berücksichtigung der Variationen des zumindest einen sie beeinflussenden Parameters in ihrer Genauigkeit und in ihrer Reproduzierbarkeit verbessert.

Erfindungsgemäß sind daher kleine und kostengünstige Relais oder Schütze für die Schalteinrichtung verwendbar.

Da das Schalten des Kontaktes durch eine Induktionseinrichtung erfolgt, kann es als günstig angesehen werden, wenn die zeitliche Abhängigkeit von Schaltstrom und Schaltspannung durch eine Exponentialfunktion gegeben ist. Eine solche Exponentialfunktion hat in der Regel folgende Form:$${\mathrm{e}}^{\mathrm{\tau }\mathrm{/}\mathrm{t}}$$ τ entspricht der Zeitkonstanten der e-Funktion und ist bei einer Spule als Induktionseinrichtung durch L_Spule/R_Spule gegeben. L_Spule entspricht dabei der Induktivität der Spule und R_Spule entspricht dem Widerstand der Spule bzw. der entsprechenden Induktionseinrichtung. Bei einer solchen Exponentialfunktion ergibt sich der Schaltwert des Schaltstroms bzw. dessen Endwert als I_Spule = U_Spule/R_Spule mit U_Spule als Schaltspannung. Weiterhin ist zu beachten, dass der Spulenwiderstand R_Spule auch abhängig von der Spulentemperatur δ_Spule ist. Entsprechend den Variationen dieser vorangehend genannten vier Parameter kann sich die Schaltzeit verändern.

Es ergibt sich, dass die Schaltzeit t proportional zur Induktivität L, zum Widerstand R und auch zur Spulentemperatur δ ist. Allerdings ist die Schaltzeit t umgekehrt proportional zur Spulenspannung bzw. Schaltspannung.

Die Variationen der vorangehenden Parameter sind in der Regel nicht beliebig, sondern weisen nur Variationen bestimmter Größen auf. Daher kann für jede Abhängigkeit der Schaltzeit vom entsprechenden Parameter in der Exponentialfunktion ein maximaler oder ein minimaler Wert des Parameters innerhalb seiner Variationen in dem Exponenten angegeben werden. Das heißt, beispielsweise für Temperatur, Widerstand und Induktivität wird der innerhalb der Variationen dieser Größen maximal auftretende Wert im Exponenten berücksichtigt, während für die Spulspannung der minimale Wert verwendet wird.

Um die entsprechenden Variationen oder Toleranzen dieser Parameter zu bestimmen, ist je nach Parameter ein unterschiedliches Verfahren anzuwenden. Beispielsweise sind Variationen oder Toleranzen für Spulenwiderstand und Spuleninduktivität einem entsprechenden Datenblatt für die Spule bzw. das Relais zu entnehmen. Spulenspannung bzw. Schaltspannung und Spulentemperatur sind allerdings je nach Anwendung der Schalteinrichtung variabel. Die Spulenspannung kann beispielsweise durch den Anwender ausgewählt werden, um entsprechend einen Spulen- oder Schaltstrom zu bestimmen. Die Spulentemperatur ist einerseits durch den Schaltstrom und andererseits durch die Umgebungstemperatur bestimmt. Allerdings zeigt sich auch bei diesen Parametern, dass nur bestimmte Variationen vorliegen, so dass auch hier rnaximale bzw. minimale Werte der Parameter auswählbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Exponentialfunktion für den Schaltstrom so unter Berücksichtigung der entsprechenden Toleranzen bzw. Variationen der Parameter ausgewählt, dass die Schaltzeitabweichungen relativ zum Spannungsnulldurchgang der Netzspannung weniger als +/- 2 ms und vorzugsweise weniger als +/- 1 ms betragen. Bei solchen geringfügigen Abweichungen der Schaltzeit vom Spannungsnulldurchgang ist der Einschaltstrom immer noch klein genug, um kleine und kostengünstige Relais verwenden zu können.

Eine im wesentlichen optimale Exponentialfunktion ergibt sich durch eine e-Funktion des Schaltstroms, bei der im Exponenten die größte innerhalb der Variationen der Induktivität auftretende Spuleninduktivität, der größte innerhalb der Variationen auftretende Widerstand, die größt mögliche auftretende Temperatur und gleichzeitig die kleinstmögliche auftretende Spulenspannung angegeben ist.

Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Ansteuerschaltung zur Durchführung des vorangehend geschilderten Ansteuerverfahrens der Schalteinrichtung beschrieben mit einem Ansteuereingang zur Eingabe des Schaltsignals, einer Schaltstrombestimmungsschaltung zur Bestimmung eines Schalt- oder Endwertes des Schaltstroms, einer Zeitkonstantenschaltung zur Bestimmung der Exponentialfunktion zur Wiedergabe der zeitlichen Abhängigkeit von Schaltstrom und Schaltspannung sowie einem Regler zur Regelung der Schaltspannung zur Berücksichtigung der Exponentialfunktion derart, dass der Schaltstrom bei im wesentlichen Spannungsnulldurchgang der Netzspannung einen zum Schalten des Kontaktes ausreichenden großen Wert, vorzugsweise den Schaltwert, aufweist.

Eine einfache Möglichkeit zur Ansteuerung der Schalteinrichtung bzw. der Ansteuerschaltung kann darin gesehen werden, wenn das Schaltsignal ein digitales Signal insbesondere von einem Prozessor ist.

Auf diese Weise ist das Schaltsignal leicht in der Größe variierbar.

Die Schaltstrombestimmungsschaltung kann direkt aus dem Schaltsignal einen Endwert bzw. Schaltwert des Spulenstroms festlegen. Eine einfache Möglichkeit zur Variation des Endwertes des Spulenstroms kann darin gesehen werden, wenn die Schaltstrombestimmungsschaltung einen Spannungsteiler aufweist. Je nach Größe der entsprechenden Widerstände in den verschiedenen Zweigen des Spannungsteilers wird aus dem Schaltsignal ein entsprechender Spannungsteilwert bestimmt, der je nach dessen Größe einen unterschiedlichen Endwert des Spulenstroms festlegt.

Um in einfacher Weise mittels der Zeitkonstantenschaltung die Zeitkonstante τ der e-Funktion und dabei die zeitliche Abhängigkeit des Schaltstroms zu bestimmen, kann die Zeitkonstantenschaltung eine CR-Schaltung aufweisen.

Zur Vereinfachung der Ansteuerschaltung kann weiterhin der Spannungsteiler Teil der CR-Schaltung sein.

Durch die Konduktivität der CR-Schaltung und die Widerstände des Spannungsteilers wird die Zeitkonstante τ der e-Funktion bestimmt, wobei der an der Konduktivität entstehende Spannungsverlauf den Sollwert des Schalt- oder Spulenstroms darstellt.

Um den entsprechenden Sollwert des Spulenstroms, der durch den Spannungsverlauf an der Kapazität der CR-Schaltung dargestellt ist, dafür zu verwenden, dass entsprechend die der Induktionseinrichtung der Schalteinrichtung zugeführte Schaltspannung der Spannung an der Kapazität folgt, kann dieser Sollwert einem Pl-Regler zugeführt werden.

Um entsprechend die Schaltspannung in einfacher Weise zu steuern und mit entsprechender Größe zu erzeugen, kann der Induktionseinrichtung der Schalteinrichtung ein Transistor mit einem Source-Widerstand vorgeschaltet sein, wobei die am Source-Widerstand anliegende Schaltspannung gesteuert durch den Regler der Spannung an der Kapazität bzw. dem C-Glied der CR-Schaltung folgt, wobei durch diese Schaltspannung der Schaltstrom in der Induktionseinrichtung bzw. Spule bestimmt ist.

Erfindungsgemäß kann mit einer einfachen Ansteuerschaltung mit geringen Kosten ein Ansteuerverfahren für eine Schalteinrichtung durchgeführt werden, bei dem die Schaltzeit reproduzierbar genau ist und eventuelle Toleranzen oder Variationen bei einer Reihe von Parametern, die die Schaltzeit beeinflussen, in der Weise berücksichtigt werden, dass der Kontakt der Schalteinrichtung immer im Spannungsnulldurchgang oder nahe des Spannungsnulldurchgangs der versorgenden Netzspannung geschlossen wird.

Im folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine Ansteuerschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens anhand der einzigen Figur erläutert.

Es zeigt:

Figur 1

eine Prinzipdarstellung eine Ansteuerschaltung zur Durchführung eines Ansteuerverfahrens für eine Schalteinrichtung,

Nach Figur 1 umfasst eine Schalteinrichtung 1 ein Relais oder Schütz 2 mit wahlweise schaltbaren Kontakten und einer Spule 20 als Induktionseinrichtung 8. Mittels der Kontakte 9 ist ein elektrischer Verbraucher 3 mit einem versorgenden Netz 4 verbindbar. Das Netz 4 ist ein Wechselspannungsnetz, so dass bei Betätigen der Kontakte 9 die Verbindung zwischen elektrischen Verbraucher und versorgendem Netz 4 prinzipiell bei jedem Wert der Versorgungsspannung zwischen derem maximalen und minimalen Wert erfolgen kann.

Dabei ist zu beachten, dass der elektrische Verbraucher beispielsweise eine Glühlampe oder eine Leuchtstofflampe mit elektronischem Vorschaltgerät sein kann. Eine Glühlampe weist einen kleinen Kaltwiderstand auf und das Vorschaltgerät kann als kapazitive Last betrachtet werden, so dass beim Schließen der Kontakte 9 beispielsweise im Spannungsmaximum der Versorgungsspannung Einschaltströme für den elektrischen Verbraucher auftreten, die zumindest das 20 bis 80-fache des Nennstromes des elektrischen Verbrauchers betragen. Dies kann sowohl zur Zerstörung der Schalteinrichtung als auch zur Zerstörung des elektrischen Verbrauchers führen.

Dies wird erfindungsgemäß verhindert, indem im Spannungsnulldurchgang der Versorgungsspannung bzw. nahe des Spannungsnulldurchgangs die Kontakte 9 geschlossen werden. In diesem Zusammenhang wird es als ausreichend betrachtet, wenn das Schließen der Kontakte 2 ms, vorzugsweise 1 ms oder weniger vor und nach dem Spannungsnulldurchgang erfolgt.

Zum Schalten der Kontakte 9 muss die Spule 20 von einem Schaltstrom 10 mit entsprechender Größe durchflossen werden, um ein ausreichend großes Magnetfeld der Spule zu erzeugen, welches eine Federkräften innerhalb des Relais 2 entgegenwirkende Kraft zum Schließen der Kontakte erzeugt. Diese Kraft ist proportional zur magnetischen Durchflutung der Spule und damit auch proportional zum Schaltstrom 10.

Der Schaltstrom 10 steigt bei Anlegen einer entsprechenden Schaltspannung 6 an der Spule gemäß einer Exponentialfunktion mit Zeitkonstanten τ an τ entspricht dem Quotienten aus L_Spule und R_Spule. L_Spule ist die Induktivität der Spule 20 und R_Spule ist der Spulenwiderstand. Das heißt, der Schaltstrom erreicht erst nach einer gewissen Zeit einen Wert (Schaltwert), der groß genug zum Schließen der Kontakte ist. Diese zeitliche Verzögerung von Schaltstrom und Schaltspannung wird erfindungsgemäß berücksichtigt, um im oder nahe bei dem Spannungsnulldurchgang der Versorgungsspannung die Kontakte 9 zu schließen.

Die Zeit, die zwischen einem entsprechenden Befehl zum Schließen der Kontakte und dem tatsächlichen Schließen der Kontakte durch Erreichen des Schaltwertes des Schaltstromes verstreicht, wird allgemein als Schaltzeit bezeichnet. Bei dieser Schaltzeit ist we iterhin zu beachten, dass sie von einer Reihe von Parametern abhängt und diese Parameter keinen konstanten Wert aufweisen, sondern mit bestimmten Toleranzen behaftet sind oder zeitlich variieren können. Beispiele für diese Parameter sind Temperatur δ der Spule, Spulenwiderstand, Spuleninduktivität und Spulenspannung. Die Temperatur der Spule wirkt sich beispielsweise in einer Änderung des Spulenwiderstandes aus.

Folglich ergibt sich, dass die Schaltzeit zumindest von den folgenden vier physikalischen Größen bzw. Parametern der Spule abhängt:
   Temperatur δ, Widerstand R, Spannung U und Induktivität L.

Bei Betrachtung der Abhängigkeit von Schaltzeit und Parametern ergibt sich, dass die Schaltzeit t proportional zur Induktivität L, proportional zum Widerstand R, proportional zur Temperatur δ und umgekehrt proportional zur Spulenspannung U ist. Auch bei Variationen dieser Parameter ändert sich qualitativ nichts am Verlauf des Schaltstroms bzw. seiner zeitlichen Verzögerung relativ zur Schaltspannung, welcher Verlauf und zeitliche Verzögerung durch die entsprechende Exponentialfunktion beschrieben ist.

Die Variationen bzw. Toleranzen der verschiedenen Parameter sind auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen. Die Toleranzen bzw. Variationen von Spulenwiderstand und Spuleninduktivität sind herstellungsbedingt und ergeben sich beispielsweise aus einem entsprechenden Datenblatt des Relais oder Schützes 2 der Schalteinrichtung 1. Spulenspannung und Spulentemperatur sind durch äußere Bedingungen oder durch Vorgabe entsprechender Bedingungen durch einen Anwender der Schalteinrichtung 1 bestimmt. Auch für Spulenspannung und Spulentemperatur lassen sich die Toleranzen bestimmen.

Durch die Ansteuerschaltung 5 gemäß der Erfindung und das entsprechende erfindungsgemäße Ansteuerverfahren, wird eine Exponentialfunktion für den Schaltstrom bestimmt, die unter Berücksichtigung aller Toleranzen der vorangehend genannten Parameter eine reproduzierbar genaue Schaltzeit sicherstellt. Auf diese Weise ist ein Schalten im oder nahe des Spannungsnulldurchgangs unabhängig von den jeweiligen Toleranzen der Parameter möglich. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass diejenige Exponentialfunktion zur Bestimmung des Schaltstroms in Abhängigkeit der Schaltspannung verwendet wird, die die maximalen Schaltzeitänderungen verursacht durch die Toleranzen der Parameter berücksichtigt. Dies bedeutet, dass die größt mögliche Spulinduktivität, der größt mögliche Spulenwiderstand, die größt mögliche Spulentemperatur und gleichzeitig die kleinst mögliche Spulenspannung in der Exponentialfunktion berücksichtigt werden.

Schaltungstechnisch folgt die Umsetzung der Exponentialfunktion nach Figur 1 durch die Ansteuerschaltung 5. Diese weist Ansteuereingänge 11 auf, an denen ein entsprechendes Schaltsignal 7 von einem Prozessor 15 anlegbar ist, durch das ein Schließen der Kontakte 9 mittels Relais oder Schütz 2 hervorgerufen werden soll. Das Schaltsignal 7 ist dabei ein digitales Signal. Das Schaltsignal 7 wird einem Spannungsteiler 16 als Schaltstrombestimmungsschaltung 12 zugeführt. Der Spannungsteiler 16 legt einen Endwert oder Schaltwert des Spulen- oder Schaltstromes fest. Die Schaltstrombestimmungsschaltung 12 bildet einen Teil einer als CR-Schaltung 17 ausgebildeten Zeitkonstantenschaltung 13. Diese enthält neben dem Spannungsteiler 16 noch eine Kapazität bzw. ein C-Glied 21. Durch die Zeitkonstantenschaltung 13 wird die Zeitkonstante τ der Exponentialfunktion bestimmt, die die zeitliche Abhängigkeit von Schaltstrom und Schaltspannung wiedergibt. Der am Kondensator 21 entstehende Spannungsverlauf stellt den Sollwert des Schaltstromes dar. Dieser Sollwert wird einem PI-Regler 14 mit Operationsverstärker 32 zugeführt. Durch den Operationsverstärker 32 und diesem vorgeschaltete Widerstände 22, 23 sowie weiteren Widerständen 26, 27, 28, Kondensatoren 25 und 30 sowie Diode 29 wird erreicht, dass die Schaltspannung 6 am Widerstand 19 der Spannung am C-Glied 21 folgt. Hierbei ist noch zu beachten, dass der Widerstand 19 als Source-Widerstand 1 9 eines Transistors 18 verschaltet ist, über welchen Transistor die Spule 20 der Schaltstrom zugeführt wird. Mit der Schaltspannung 6 am Source-Widerstand 19 ist auch der Spulenstrom 10 für die Spule 20 festgelegt.

Die entsprechenden Toleranzen der Parameter, die bei der Exponentialfunktion in der oben beschriebenen Weise berücksichtigt werden, sind durch die Zeitkonstantenschaltung 13 und damit durch die Bestimmung der Zeitkonstante τ der Exponentialfunktion berücksichtigt.

Durch den Prozessor 15 kann beispielsweise noch der zeitliche Verlauf der versorgenden Spannung festgestellt werden, um das entsprechende Schaltsignal 7 zum korrekten Zeitpunkt der Schalteinrichtung 1 zuzuführen, wobei dieser Zeitpunkt so gewählt ist, dass das Schließen der Kontakte 9 im oder nahe des Spannungsnulldurchgangs der versorgenden Spannung erfolgt, wobei die Schaltzeit durch die Ansteuerschaltung 5 der Schalteinrichtung 1 mit den entsprechenden Toleranzen der die Schaltzeit beeinflussenden Parametern berücksichtigt ist und dadurch eine reproduziergenaue Schaltzeit sichergestellt ist.

Erfindungsgemäß erfolgt folglich ein Schalten der Kontakte 9 der Schalteinrichtung 1 im Spannungsnulldurchgang oder nahe beim Spannungsnulldurchgang der versorgenden Netzspannung, so dass die auftretenden Einschaltströme relativ gering sind. Dadurch ist es möglich, auch kleine und kostengünstigere Relais zu verwenden und auf den Einsatz größerer und teurerer Relais zu verzichten.