[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikbaugruppe für Haustechnikgeräte,
insbesondere Warmwasserspeicher sowie Kochendwasserspeicher, sowie ein entsprechendes
Haustechnikgerät.
[0002] Elektrische Warmwassergeräte sind bekannt. Sie dienen häufig dazu, erwärmtes oder
heißes Trinkwasser für den täglichen Bedarf bereitzustellen. Es werden zwei bekannte
Hauptformen von Warmwassergeräten unterschieden, Durchlauferhitzer und Warmwasserspeicher.
In beiden Fällen wird ein durch Heizelemente fließender elektrischer Strom zur Erwärmung
des Trinkwassers eingesetzt.
[0003] Warmwasserspeicher haben einen Speicher oder Tank, in dem ein gewisses Volumen von
Trinkwasser permanent auf einer eingestellten Temperatur bereitgestellt wird. Der
Tank ist thermisch bestmöglich isoliert, um die Wärmeverluste der Bereitstellung des
Warmwassers zu minimieren.
[0004] Die Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Leistung kann über ein Relais erfolgen,
das in der Lage ist, den angeschlossenen elektrischen Verbraucher, also das Heizelement,
ein- bzw. auszuschalten. Ein Relais hat den Vorteil, dass es im geschlossenen Zustand
einen nahezu verlustfreien elektrischen Kontakt herstellt, so dass auch größere Ströme,
wie sie zum Erwärmen von Wasser zum Einsatz kommen, ohne nennenswerte Verluste verarbeitet
werden können. Dies hat besonders bei Warmwasserspeichern den Vorteil, dass durch
das Schaltorgan keine Wärmeverluste und damit Effizienzverluste des Warmwassergeräts
auftreten.
[0005] Ein signifikanter Nachteil ist jedoch, dass es bei jedem Schaltvorgang beispielsweise
aufgrund von Funkenbildung beim Annähern / Entfernen der Schaltkontakte zu erosivem
Verschleiß kommt. Das hat eine belastungs- bzw. stromabhängige Lebensdauer-Schaltspielanzahl
zur Folge, die signifikant, d.h. mehrere Größenordnungen, geringer als die theoretische
mechanische Lebensdauer ist.
[0006] Beispielsweise liegt für ein gebräuchliches, zum Einbau auf Leiterplatten geeignetes
sogenanntes Print-Relais mit einem Nennstrom von 16 A die mechanische Lebensdauer
bei über 10
7 Schaltspielen. Schon bei einem Strom von 13 A liegt die elektrische Lebensdauer nur
noch in der Größenordnung von 10
5 Schaltspielen.
[0007] Die maximale Anzahl an Schaltspielen unter Last ist für ein elektrisches Heizgerät,
insbesondere Warmwassergeräte wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät,
gleichbedeutend mit eine zulässigen Regler-Schalthysterese bei einer gewünschten Lebensdauer
des Gerätes. Größere Schaltspielanzahl ist in diesem Zusammenhang gleichbedeutend
mit möglicher, geringerer Hysterese und umgekehrt - die erreichbare Temperaturregelgüte
des Gerätes hängt unmittelbar von dieser Hysterese und damit von der Schaltspielanzahl
ab.
[0008] Ebenfalls sind rein elektronische Halbleiterschaltorgange wie Transistoren, Thyristoren
oder sogenannte TRIACs bekannt, die ohne jegliche mechanisch bewegten Teile auskommen.
Sie unterliegen folglich keinem mechanischen Verschleiß, besitzen jedoch einen vergleichsweise
hohen Übergangswiderstand und produzieren deshalb stromproportionale Verluste an eben
diesem Widerstand, welche im Betrieb zu Erwärmung führen. Diese Verlustleistung muss
deshalb in aller Regel über Kühlmechanismen abgeführt werden, um eine unzulässige
Erwärmung des Halbleiters und die damit verbundene Zerstörung zu vermeiden. Während
die Abführung beispielsweise bei Durchlauferhitzern mühelos über das zu erwärmende,
strömende Wasser erfolgen kann, gestaltet sich die Abführung der Verlustleistung bei
insbesondere stark isolierten Warmwasserspeichern schwierig.
[0009] Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leistungselektronikbaugruppe
eines Haustechnikgeräts bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer des Haustechnikgeräts
bei hohem Bedienkomfort und hoher Effizienz ermöglicht.
[0010] Erfindungsgemäß ist die Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß
ist die Aufgabe ferner mit dem Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0011] In einem Aspekt wird eine Leistungselektronikbaugruppe eines Haustechnikgeräts, insbesondere
Warmwassergeräts wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät, bereitgestellt
die aufweist:
- ein erstes Relais, das einen elektrischen Kontakt zwischen einem ersten stromführenden
Leiter und einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem ohmschen Verbraucher
wie einem Heizelement, des Haustechnikgeräts steuert,
- ein Halbleiterschaltelement, das den elektrischen Kontakt zwischen dem ersten stromführenden
Leiter und dem elektrischen Verbraucher schaltet und parallel zu dem ersten Relais
angeordnet ist, und
- eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, zum Einschalten des elektrischen Verbrauchers
das Halbleiterschaltelement anzusteuern bevor das erste Relais geschlossen wird.
[0012] Durch die erfindungsgemäße parallele Anordnung und zeitlich geschickte Ansteuerung
von Relais und Halbleiterschaltelement liegt die Spannung über das erste Relais zum
Zeitpunkt des Schließens des ersten Relais im niedrigen Bereich, beispielsweise kleiner
als 1 V, so dass das Relais quasi leistungsfrei geschaltet werden kann. Durch das
quasi leistungsfreie Schalten des Relais wird ein Abbrand vermieden und die Lebensdauer
des Relais kann gesteigert werden.
[0013] Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die Zahl der Schaltzyklen
durch die Unterstützung des Halbleiterschaltelementes um wenigstens den Faktor 10
erhöht werden kann. Experimente haben eine Zahl von über 3 Millionen Schaltzyklen
bei handelsüblichen Relais für Haustechnikgeräte ergeben.
[0014] Der Widerstand über das Halbleiterschaltelement kann in leitendem Zustand beispielsweise
20 mΩ betragen. Da der Leitungswiderstand des geschlossenen ersten Relais deutlich
niedriger liegt, wird nahezu der gesamte Strom an den elektrischen Verbraucher nach
dem Schließen des ersten Relais durch das erste Relais und nicht das Halbleiterschaltelement
fließen. Damit wird die Verlustleistung, die nahezu ausschließlich an dem Halbleiterschaltelement
auftritt, verhindert.
[0015] Der elektrische Verbraucher ist insbesondere ein ohmscher Heizer, beispielsweise
ein Rohrheizkörper oder ein Blankdrahtheizkörper.
[0016] Die erfindungsgemäße Erhöhung der Lebensdauerschaltzyklen kann zu zwei Verbesserungen
des Haustechnikgeräts führen. Zum einen kann bei einer Beibehaltung der bisherigen
Schaltabstände die Lebensdauer des Haustechnikgeräts verlängert werden. Dies setzt
voraus, dass die weiteren Komponenten des Haustechnikgeräts für eine längere Lebensdauer
geeignet sind.
[0017] Im häufigeren und bevorzugten Fall kann die Erhöhung der Lebensdauerschaltzyklen
des ersten Relais dazu eingesetzt werden, dass ein häufigeres Schalten zugelassen
wird. Die Häufigkeit des Ein- bzw. Ausschalten des Relais ist insbesondere durch Hysteresegrenzen
gesetzt. Besonders bevorzugt ermöglicht die Erfindung die Einhaltung einer Hysterese
von 2 K oder sogar weniger als 2 K. Damit einher geht eine Zunahme an Komfort, da
die gewünschte Temperatur mit einer hohen Genauigkeit eingehalten wird.
[0018] Erfindungsgemäß wird damit eine Güte erreicht, die bislang den ausschließlichen Einsatz
von Halbleiterschaltelementen erforderte, mit den damit in Zusammenhang stehenden
unvermeidbaren Verlustleistungen. Verlustleistungen werden durch das erfindungsgemäß
vorgesehene erste Relais vermieden.
[0019] Die Erfindung ermöglicht demnach, die Vorteile von verlustfreien Relais und von verschleißfreien
Halbleiterschaltelementen zu kombinieren, um insgesamt einen höheren Komfort des Haustechnikgeräts
zu ermöglichen, ohne dass die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit des Haustechnikgeräts
beeinträchtigt ist.
[0020] Vorzugsweise ist die Steuerung weiter ausgebildet, die Ansteuerung des Halbleiterschaltelement
nach dem Schließen des ersten Relais zu beenden.
[0021] Bei geschlossenem ersten Relais wird lediglich eine vernachlässigbare Leistung durch
das Halbleiterschaltelement geführt, so dass nicht erforderlich ist, dass das Halbleiterschaltelement
leitend ist, vielmehr ist die Schließstellung des ersten Relais für den Betrieb des
elektrischen Verbrauchers ausreichend.
[0022] Indem in dieser Ausführung die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements nach dem
Schließen des ersten Relais beendet wird, muss die Steuerung dem Halbleiterelement
nicht dauerhaft einen Steuerstrom bereitstellen, so dass die Gesamteffizienz des Haustechnikgeräts
verbessert ist.
[0023] Vorzugsweise weist die Leistungselektronikbaugruppe weiter ein zweites Relais auf,
das einen elektrischen Kontakt zwischen einem zweiten stromführenden Leiter und dem
elektrischen Verbraucher steuert, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, zum Einschalten
des elektrischen Verbrauchers das zweite Relais zu schließen, bevor das Halbleiterschaltelement
angesteuert wird.
[0024] Das zweite Relais ist mit dem zweiten stromführenden Leiter verbunden. Typischerweise
werden Haustechnikgeräte im Niederspannungsnetz angeschlossen, das zwei aktive oder
stromführende Leiter aufweist, nämlich einen Neutralleiter und einen die Phase führenden
Außenleiter.
[0025] Das zweite Relais ermöglicht demnach eine zuverlässige Abschaltung, da unabhängig
von der Anschlussorientierung am Niederspannungsnetz, d.h. unabhängig davon, ob die
Phase den zweiten stromführenden Leiter oder den ersten stromführenden Leiter ausbildet,
die Phase durch das erste Relais oder das zweite Relais getrennt werden kann.
[0026] Wenn das zweite Relais geschlossen ist, bevor das Halbleiterschaltelement angesteuert
ist und folglich auch bevor das erste Relais geschlossen ist, führt das Schließen
des zweiten Relais nicht zum Schließen eines elektrischen Kreises über den elektrischen
Verbraucher, so dass das Schließen des zweiten Relais spannungsfrei und abbrandfrei
erfolgt. Aus diesem Grund ist es nicht nötig, auch parallel zu dem zweiten Relais
ein Halbleiterschaltelement vorzusehen.
[0027] Vorzugsweise ist die Steuerung dazu ausgebildet, zum Ausschalten des elektronischen
Verbrauchers das Halbleiterschaltelement vor dem Öffnen des ersten Relais anzusteuern.
[0028] In umgekehrter Reihenfolge des Einschaltens wird zur Vorbereitung des Ausschaltens
sichergestellt, dass das erste Relais nahezu verschleißfrei geöffnet werden kann,
indem über das parallel geschaltete Halbleiterschaltelement der Stromkreis geschlossen
ist.
[0029] Vorzugsweise ist die Steuerung dazu ausgebildet, zum Ausschalten des elektronischen
Verbrauchers die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements nach dem Öffnen des ersten
Relais und insbesondere vor dem Öffnen des zweiten Relais zu beenden.
[0030] Da der Stromkreis demnach bereits getrennt ist, bevor das zweite Relais geöffnet
wird, kann auch das zweite Relais leistungsfrei und demnach abbrandfrei geöffnet werden.
[0031] Vorzugsweise weist das Halbleiterschaltelement ein Triac auf.
[0032] Triacs haben eine Steuerelektrode G (engl.
gate), die in Kommunikationsverbindung mit der Steuerung ist. Bei an der Steuerelektrode
G anliegendem Zündstrom wird ein Laststrom zwischen zwei Hauptelektroden des Triacs
gezündet. Der Triac bleibt so lange leitend, bis der Haltestrom unterschritten wird.
Auch andere Halbleiterschaltelemente sind einsetzbar.
[0033] Vorzugsweise sind das erste und/oder das zweite Relais als Relais mit monostabilem
Schaltzustand ausgeführt.
[0034] Besonders bevorzugt sind die Relais entsprechend geöffnet, solange sie von der Steuerung
nicht bestromt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Steuerstrom zum Schließen des
Relais anliegen muss, damit ein stromführender Kontakt zu dem elektrischen Verbraucher
vorliegt. Im Fehlerfall sind daher die entsprechenden Relais geöffnet und das ungewollte
Fließen des elektrischen Stroms kann verhindert werden.
[0035] Vorzugsweise weist die Leistungselektronikbaugruppe weiter eine galvanische Trennung
zwischen dem bzw. den stromführenden Leitern und der Steuerung auf.
[0036] Vorzugsweise weist die Leistungselektronikbaugruppe weiter eine Schmelzlotsicherung
in einer Anschlussleitung der Steuerung und/oder einen Glättungskondensator zwischen
Anschlussleitungen der Steuerung auf.
[0037] In einem weiteren Aspekt wird ein Haustechnikgerät vorgeschlagen, insbesondere ein
Warmwassergerät wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät. Das Haustechnikgerät
weist eine erfindungsgemäße Leistungselektronikbaugruppe auf.
[0038] Das Haustechnikgerät ermöglicht demnach das Erlangen der gleichen Vorteile, wie sie
für die Leistungselektronikbaugruppe beschrieben wurden. Auch kann es mit den als
bevorzugt beschriebenen Ausgestaltungen unter Erreichen der gleichen Vorteile kombiniert
werden.
[0039] Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungen werden nachfolgend mit Verweis auf die
beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- schematisch und exemplarisch einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikbaugruppe,
und
- Fig. 2
- schematisch und exemplarisch Schaltdiagramme zum Ein- bzw. Ausschalten des elektrischen
Verbrauchers.
[0040] Fig. 1 zeigt schematisch und exemplarisch einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen
Leistungselektronikbaugruppe 1. Die Leistungselektronikbaugruppe 1 ist beispielsweise
als Baugruppe eines Haustechnikgeräts, insbesondere eines Warmwassergeräts wie Schnellheizer,
Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät, ausgebildet und steuert bzw. regelt die Ansteuerung
eines elektrischen Verbrauchers BHZ, beispielsweise eines Rohrheizkörpers oder eines
Blankdrahtheizgeräts.
[0041] Die Leistungselektronikbaugruppe 1 bzw. das gesamte Haustechnikgerät ist an zwei
stromführende Leiter beispielsweise eines Niederspannungsnetzes angeschlossen, die
hier als Phase bzw. Leiter L und Neutralleiter N bezeichnet sind. In Klammern angegeben
ist die Möglichkeit eines umgekehrten Anschlusses, was erfindungsgemäß problemlos
möglich ist.
[0042] Der elektrische Verbraucher BHZ ist zwischen den beiden Leitern L, N angeordnet und
jeweils durch ein vorgelagertes Relais K1 bzw. K2 in dem ersten Leiter L bzw. dem
zweiten Leiter N trennbar bzw. verbindbar. Damit ist bei beiderseitigem Anschluss
gewährleistet, dass jeweils die spannungsführende Phase, d.h. der Leiter L, vor dem
elektrischen Verbraucher BHZ abgeschalten wird.
[0043] Parallel zu dem Relais K1 in dem ersten Leiter L ist ein Halbleiterschaltelement
Q1 angeordnet. Das Halbleiterschaltelement Q1 ist vorzugsweise als TRIAC ausgebildet.
[0044] Von den Leitern L, N galvanisch getrennt ist ein Regler bzw. eine Steuerung 10 angeordnet.
Sämtliche bekannte Arten der galvanischen Trennung sind hier vorstellbar, von denen
lediglich eine exemplarisch im Schaltplan gezeigt ist.
[0045] Die Steuerung 10 ist insbesondere dazu ausgebildet, das Relais K1 und das Relais
K2 zu schließen. Das Relais K1 und/oder das Relais K2 sind vorzugsweise Relais mit
einem monostabilen Schaltzustand, so dass das bzw. die Relais offen sind, wenn kein
von der Steuerung 10 bereitgestellter Steuerstrom anliegt. Nur mit dem anliegenden
Steuerstrom sind das bzw. die Relais geschlossen.
[0046] Zur Sicherheit sind vorzugsweise der Steuerung 10 vorgelagert eine Schmelzlotsicherung
SLS und ein Glättungskondensator bereitgestellt.
[0047] Das Einschalten des elektrischen Verbrauchers BHZ geschieht in folgender Schaltsequenz,
die auch schematisch in Fig. 2 unter der Überschrift "EIN" schematisch aufgezeigt
ist:
- 1. Schließen von Relaiskontakt K2
Dies geschieht stromlos, da der Stromkreis wegen der zunächst noch geöffneten Kontakte
von Relais K1 und dem Halbleiterschaltelement Q1 in diesem Fall noch nicht geschlossen
ist.
- 2. Schließen/ Ansteuern des Halbleiterschaltelements Q1
Das Halbleiterschaltelement Q1 schließt den Stromkreis, der Heizkörper bzw. elektrische
Verbraucher BHZ beginnt zu heizen.
- 3. Schließen des Relaiskontakt K1
Das Relais K1 überbrückt das Halbleiterschaltelement Q1 und übernimmt den Stromfluss
- hierbei kommt es zu keiner nennenswerten Belastung des Relaiskontaktes, da nur eine
minimale Differenzspannung im Einschaltaugenblick überbrückt werden muss und der Reststrom
bereits über das Halbleiterschaltelement Q1 fließt.
- 4. Öffnen des Halbleiterschaltelements Q1
Dieser Schritt ist optional, da das Halbleiterschaltelement Q1 ohnehin nichtleitend
wird, sobald das Relais K1 geschlossen ist - die dauernde Ansteuerung ist aber unnötig.
[0048] Das Abschalten geschieht sinngemäß in umgekehrter Reihenfolge, wobei hierfür in Fig.
2 zwei Alternativen gezeigt sind, die mit AUS1 und AUS2 überschrieben sind.
1. Schließen / Ansteuern des Halbleiterschaltelements Q1
[0049] Während bei Alternative AUS1 das Halbleiterschaltelement Q1 bei Alternative AUS1
erst geöffnet ist und in einem ersten Schritt geschlossen wird, so ist bei Alternative
AUS2 das Halbleiterschaltelement Q1 permanent während des Betriebs des elektrischen
Verbrauchers BHZ angesteuert. Bei der Alternative AUS2 ist also der optionale Schritt
4. beim Einschalten nicht ausgeführt worden.
2. Öffnen des Relaiskontakt K1
[0050] Durch das Öffnen des Relais K1 übernimmt der angesteuerte bzw. geschlossene Kontakt
über das Halbleiterschaltelement Q1 den Strom von dem Relais K1, wobei das Relais
K1 aufgrund des geschlossenen bzw. leitenden Halbleiterschaltelements Q1 abbrandfrei
geöffnet werden kann.
3. Öffnen des Halbleiterschaltelements Q1
[0051] Das Öffnen des Halbleiterschaltelements Q1 erfolgt verschleißfrei. Damit wird der
Schaltkreis geöffnet und der Stromfluss beendet.
4. Öffnen des Relaiskontakt K2.
[0052] Da der Schaltkreis bereits geöffnet ist, kann auch das Relais K2 nun spannungsfrei
und verschleißfrei geöffnet werden.
1. Leistungselektronikbaugruppe (1) eines Haustechnikgeräts, insbesondere Warmwassergeräts
wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher, Kochendwassergerät, die aufweist:
- ein erstes Relais (K1), das einen elektrischen Kontakt zwischen einem ersten stromführenden
Leiter (L) und einem elektrischen Verbraucher (BHZ), insbesondere einem ohmschen Verbraucher
wie einem Heizelement, des Haustechnikgeräts steuert,
- ein Halbleiterschaltelement (Q1), das den elektrischen Kontakt zwischen dem ersten
stromführenden Leiter (L) und dem elektrischen Verbraucher (BHZ) schaltet und parallel
zu dem ersten Relais (K1) angeordnet ist, und
- eine Steuerung (10), die dazu ausgebildet ist, zum Einschalten des elektrischen
Verbrauchers das Halbleiterschaltelement (Q1) anzusteuern bevor das erste Relais (K1)
geschlossen wird.
2. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (10) weiter
ausgebildet ist, die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements (Q1) nach dem Schließen
des ersten Relais (K1) zu beenden.
3. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiter
aufweist:
- ein zweites Relais (K2), das einen elektrischen Kontakt zwischen einem zweiten stromführenden
Leiter (N) und dem elektrischen Verbraucher (BHZ) steuert,
wobei die Steuerung (10) dazu ausgebildet ist, zum Einschalten des elektrischen Verbrauchers
(BHZ) das zweite Relais (K2) zu schließen, bevor das Halbleiterschaltelement (Q1)
angesteuert wird.
4. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Steuerung (10) dazu ausgebildet ist, zum Ausschalten des elektronischen
Verbrauchers (BHZ) das Halbleiterschaltelement (Q1) vor dem Öffnen des ersten Relais
(K1) anzusteuern.
5. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 4,
wobei die Steuerung (10) dazu ausgebildet ist, zum Ausschalten des elektronischen
Verbrauchers (BHZ) die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements (Q1) nach dem Öffnen
des ersten Relais (K1) und insbesondere vor dem Öffnen des zweiten Relais (K2) zu
beenden.
6. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Halbleiterschaltelement (Q1) ein Triac aufweist.
7. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
erste (K1) und/oder das zweite (K2) Relais als Relais mit monostabilem Schaltzustand
ausgeführt ist.
8. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiter
eine galvanische Trennung zwischen dem bzw. den stromführenden Leitern (L, N) und
der Steuerung (10) aufweist.
9. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiter
eine Schmelzlotsicherung (SLS) in einer Anschlussleitung der Steuerung (10) und/oder
einen Glättungskondensator zwischen Anschlussleitungen der Steuerung (10) aufweist.
10. Haustechnikgerät, insbesondere Warmwassergerät wie Schnellheizer, Warmwasserspeicher,
Kochendwassergerät mit einer Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorstehenden
Ansprüche.