[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschalten eines eine wechselstromgespeiste
Last schaltenden Relais zum Bewirken eines minimalen Einschaltstroms durch das Relais.
[0002] Verfahren zum Nullpunktschalten eines Relais sind vorbekannt. Mit den vorbekannten
Verfahren zum Nullpunktschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden
Relais möchte man die Lebensdauer des Relais hinsichtlich der Anzahl seiner Schaltspiele
verlängern, indem die Relaiskontakte im oder im Bereich des Nulldurchganges der Wechselspannung
oder im Stromnulldurchgang geschaltet werden. Dieses ist beispielsweise in
EP 3 605 579 B1 offenbart. Hierdurch wird eine Entstehung von Schaltfunken vermieden. Schaltfunken
sind Lichtbögen, die sich zwischen den Schaltkontakten ausbilden, wenn diese nicht
geschlossen sind und solange deren Abstand noch nicht hinreichend groß ist. Derartige
Lichtbögen tragen Material von den Schaltkontakten ab, führen zur Korrosion und Schädigung
der Kontakte, was wiederum beim Schließvorgang der Kontakte Verschweißungen begünstigt.
Je höher die Spannung bzw. der Strom im Schaltzeitpunkt ist, je intensiver ist die
unerwünschte Ausbildung eines solchen Schaltlichtbogens. Aus diesem Grund sind Verfahren
und Relaisschaltungen entwickelt worden, mit denen ein solches Relais im Bereich des
Stromnulldurchganges der Wechselspannung geschaltet wird. Vorbekannt ist eine solche
Relaisschaltung beispielsweise aus
DE 297 01 352 U1. Diesen und anderen vorbekannten Verfahren ist gemein, dass in einem ersten Schritt
die Schaltträgheit beim Einschaltvorgang bestimmt wird. Die Schaltträgheit des Relais
ist die Zeitspanne, die von dem Relais benötigt wird, bis nach Empfang eines Einschaltansteuersignals
die Relaiskontakte tatsächlich geschlossen sind. Diese Schaltträgheit ist systembedingt
und liegt in dem notwendigen Aufbau des Magnetfeldes durch die Bestromung der Relaisspule
und den durch die beweglichen Schaltkontakte zurückzulegenden Weg begründet. Beim
Einschaltvorgang arbeiten die beweglichen Relaiskontakte gegen die Kraft einer Rückstellfeder,
durch die die gewünschte Bewegung der beweglichen Schaltkontakte gebremst und damit
verlangsamt wird. Die Schaltträgheit eines solchen Relais ist somit abhängig von seiner
Auslegung und kann beispielsweise zwischen 3 - 10 ms betragen.
[0003] Mit der ermittelten Schaltträgheit wird das Relais durch seine Steuerelektronik dann
so angesteuert, dass der Einschaltzeitpunkt zeitlich um die Zeitdauer der Schaltträgheit
vor dem nächsten erwarteten Nulldurchgang der Wechselspannung liegt. Bei diesem Wert
handelt es sich grundsätzlich um eine herstellerseitig vorgegebene Größe. Die Schaltträgheit
kann auch durch die Relaisschaltung selbsttätig ermittelt werden, ebenso wie eine
Änderung der Schaltträgheit in Folge beispielsweise einer Alterung des Relais.
[0004] Der vorstehend genannte Stand der Technik hat den entscheidenden Nachteil, sofern
eine galvanische Trennung zwischen dem zu schaltenden Stromkreis und dem Schaltkreis
zur Relaisansteuerung gefordert ist (wobei dieses regelmäßig der Fall ist), dass je
Schaltkontakt neben der Schaltung zur Kontaktspannungsüberwachung auch eine galvanische
Trennung, insbesondere realisiert durch einen Optokoppler, eingesetzt werden muss.
Dieses hat jedoch zur Folge, dass jedoch auch bei geöffneten Kontakt ein minimaler
Strom durch die Schaltung zur Kontaktspannungsüberwachung fließt. Dies kann insbesondere
bei LED-Lasten mit eingebauten Vorschaltgerät zum Aufladen des Pufferkondensators
führen und so zum zyklischen Anlaufen beziehungsweise Blitzen des LED-Leuchtmittels
führen. Auch Effekte wie Ghosting von LED-Leuchtmitteln kann die Folge eines solchen
Bypass-Stromes sein. Zudem muss die Kontaktspannungserkennung über jeden Relaiskontakt
ausgeführt werden. Dieses ist bauraumbeanspruchend und kostenintensiv. Zudem ist bei
den vorbekannten Verfahren das Schalten von Signaleingängen regelmäßig problematisch,
da die kleinen Bypass-Ströme bereits ausreichen können, um das zu schaltende Signal
zu triggern.
[0005] Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zu Grunde, ein Verfahren zum Einschalten eines Relais zum Bewirken eines minimalen
Einschaltstroms vorzuschlagen, mit dem der Bauraumbedarf minimiert wird, Ghosting
oder Blitzen von mit einem Relais geschalteten LED-Leuchtmitteln wirkungsvoll vermieden
wird und auch das Schalten kleinster Signale zuverlässig ermöglicht wird.
[0006] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Einschalten eines
eine wechselstromgespeiste Last schaltenden Relais zum Bewirken eines minimalen Einschaltstroms
durch das Relais wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Überwachen der Netzspannung zum Ermitteln eines festen Synchronisationspunktes an
der Netzfrequenz und
- Erfassen des Einschaltstromes durch die Relaiskontakte mit Hilfe eines Magnetfeldsensors,
der das Magnetfeld erfasst, welches durch den Einschaltvorgang erzeugt wird, für unterschiedliche
Zeitabstände zwischen dem Zeitpunkt seiner Einschaltansteuerung und dem Zeitpunkt
des Synchronisationspunktes über mindestens eine Halbwelle,
- Identifizieren des Zeitpunktes korrespondierend zu dem minimalen Einschaltstrom,
- Ansteuern des Relais zum Zeitpunkt, so dass das Schließen der Relaiskontakte einen
minimalen Einschaltstrom bewirkt.
[0007] Dieses Verfahren zum Einschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden
Relais setzt ein Überwachen der Netzspannung zum Ermitteln eines festen Synchronisationspunktes
an der Netzfrequenz voraus. Im Anschluss an die Ermittlung der Netzfrequenz werden
die Einschaltströme, regelmäßig reichen 20 - 60 Einschaltvorgänge für das Kalibrieren
aus, mittels des durch den Einschaltstrom erzeugten Magnetfeldes detektiert. Über
einen geeigneten Magnetfeldsensor, insbesondere eine Leiterschleife (entspricht einer
Antenne), und die in selbigem induzierten Spannung kann auf den Einschaltstrom geschlossen
werden. Die Intensität der induzierten Spannung ist dabei proportional zum Einschaltstrom.
Dabei erfolgt das Erfassen des Einschaltstroms für unterschiedliche Zeitabstände zwischen
dem Zeitpunkt seiner Einschaltansteuerung und dem Zeitpunkt des Synchronisationspunktes.
Insofern wird eine Vielzahl von Einschaltströmen ermittelt, so dass sich eine Einschaltstrom-Kurve
für unterschiedliche Zeitabstände zwischen dem Zeitpunkt seiner Einschaltansteuerung
und dem Zeitpunkt des (festgehaltenen) Synchronisationspunktes ergibt. Eine solche
Kurve wird ein Einschaltstromminimum aufweisen, welches zu einem bestimmten (Einschalt-)
Zeitpunkt korrespondiert. Auf Basis dieses Zeitpunktes, der zu einem minimalen Einschaltstrom
korrespondiert, wird das Relais als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuert,
so dass das Schließen der Relaiskontakte lediglich mit einem minimalen Einschaltstrom
einhergeht. Vorteilhaft dabei ist, dass Ghosting oder Blitzen von mit einem Relais
geschalteten LED-Leuchtmitteln wirkungsvoll vermieden wird, da kein Bypassstrom über
den Kontakt fließt. So wird auch das Schalten kleinster Signale zuverlässig möglich.
Auch der Bauraumbedarf ist sehr gering.
[0008] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das
Identifizieren des Zeitpunktes des minimalen Einschaltstromes in der Umgebung des
mit der Zeitdauer identifizierten Zeitpunktes des minimalen Einschaltstromes erneut.
Es wird also nach einem ersten groben Scandurchlauf zum Auffinden des Zeitpunktes
des minimalen Einschaltstroms erneut ein Scandurchlauf durchgeführt, und zwar mit
einer reduzierten Zeitdauer. Aufgrund der daraus resultierenden höheren Zeitauflösung,
kann der Zeitpunkt des minimalen Einschaltstromes besonders präzise und mit verhältnismäßig
wenig Rechen- und Zeitaufwand ermittelt werden.
[0009] In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erfindungsgemäße
Verfahren für mehrere Kanäle angewendet, wobei die Netzsynchronisation nur an einer,
beliebigen Phase erfolgt. Für einen ein Relais aufweisenden Aktor, der beispielsweise
drei Kanäle aufweist, welche unterschiedliche Phasen schalten, reicht es aus, sich
an einer beliebigen Phase zu synchronisieren, für jede Phase kann dann der optimale
Schaltzeitpunkt zum Schalten im Stromminimum relativ diesem einen Synchronisationspunkt
bestimmt werden, da alle Phasen immer 120° Abstand zueinander aufweisen.
[0010] Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zeitpunkt korrespondierend
zu dem minimalen Einschaltstrom mehrfach ermittelt und aus einer vordefinierten Anzahl
an Messungen ein Mittelwert gebildet. Dieses stellt eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung
der Präzisierung des Verfahrens dar.
[0011] Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Überwachung des
Stromverlaufes in der Stromüberwachungseinrichtung mittels einer Leiterschleife als
Magnetfeldsensor vorgenommen. Dabei erfasst die Leiterschleife das Magnetfeld, welches
durch den Einschaltvorgang erzeugt wird.
[0012] Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Steuerung und
Auswertung durch einen Mikrocontroller durchgeführt, insbesondere durch einen Mikrocontroller
für einen mehrere Kanäle aufweisenden Aktor.
[0013] In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erfindungsgemäße
Verfahren selbstlernend, insbesondere beim Auftreten von einem über die Zeit ansteigenden
minimalen Einschaltstrom, durchgeführt. Dieses erlaubt es, Alterungseffekte, die den
Zeitpunkt korrespondierend zu dem minimalen Einschaltstrom verschieben, automatisch
zu berücksichtigen.
[0014] Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: ein schematisches Diagramm, in dem die Ermittlung eines ersten Einschaltstromes (korrespondierend
zu einem ersten Einschaltzeitpunkt, der bezüglich des Synchronisationspunktes um einen
ersten Zeitabstand beabstandet ist) dargestellt ist,
Fig. 2: ein schematisches Diagramm, in dem die Ermittlung eines zweiten Einschaltstromes
(korrespondierend zu einem zweiten Einschaltzeitpunkt, der bezüglich des Synchronisationspunktes
um einen zweiten Zeitabstand beabstandet ist) dargestellt ist,
Fig. 3: ein schematisches Diagramm, in dem die Ermittlung eines dritten Einschaltstromes
(korrespondierend zu einem zweiten Einschaltzeitpunkt, der bezüglich des Synchronisationspunktes
um einen dritten Zeitabstand beabstandet ist) dargestellt ist und
Fig. 4: ein schematisches Diagramm, in dem die ermittelten Einschaltströme aus den Figuren
Fig. 1 und Fig. 3 eingezeichnet sind, wobei das Identifizieren des Zeitpunktes des
minimalen Einschaltstroms in der Umgebung des minimalen Einschaltstromes erneut mit
einer reduzierten Zeitdauer (tdelta) erfolgt, was zu einer verbesserten Zeitauflösung führt.
[0015] In den Figuren 1 bis 3 sind schematische Diagramme gezeigt, die das schrittweise
Ermitteln der Einschaltströme I (korrespondierend zu einem bestimmten Einschaltzeitpunkt,
der bezüglich des Synchronisationspunktes um einen bestimmten Zeitabstand beabstandet
ist) visualisert. Dabei ist ein fester Synchronisationspunkt t
sync an der Netzfrequenz erforderlich. Dazu wird die Netzspannung überwacht, welche in
den Figuren als U dargestellt ist. Operativ erfolgt das Erfassen des Einschaltstromes
I über mindestens eine Halbwelle durch die Relaiskontakte mit Hilfe eines Magnetfeldsensors,
der das Magnetfeld erfasst, welches durch den Einschaltvorgang erzeugt wird. In den
Figuren 1 bis 3 ist erkennbar, dass für einen Zeitabstand t
Delta, der der Differenz aus Synchronisationspunktes t
sync und Einschaltzeitpunkt t
ein, entspricht, exakt ein Einschaltstrom I ermittelt wird (auf der rechten Achse gezeigt,
während die linke Achse die Netzspannung zeigt).
[0016] Wird nun, wie in den Figuren 1 bis 3 angedeutet, der Zeitabstand t
Delta variiert, erhält man eine Vielzahl von Einschaltströmen (Anmerkung: in den Figuren
1 bis 3 ist jeweils nur der zu dem jeweiligen Zeitpunkt entsprechende Einschaltstrom
I gezeigt), woraufhin der Zeitpunkt t
ein2 (siehe Figur 2) korrespondierend zu dem minimalen Einschaltstrom I
min aus der Vielzahl der Einschaltströme über die Halbwelle ermittelt wird. Damit kann
das Ansteuern des Relais zum Zeitpunkt t
ein2 erfolgen, so dass das Schließen der Relaiskontakte einen minimalen Einschaltstrom
Imin bewirkt.
[0017] In Figur 4 ist ein schematisches Diagramm gezeigt, in dem die ermittelten Einschaltströme
aus den Figuren Fig. 1 und Fig. 3 eingezeichnet sind. Insofern zeigt Figur 4 eine
Einschaltstrom-Kurve. Zur Verbesserung der zeitlichen Auflösung bezüglich des minimalen
Einschaltstroms
Imin erfolgt das Identifizieren des Zeitpunktes des minimalen Einschaltstroms t
min in der Umgebung des mit der Zeitdauer t
Delta identifizierten Zeitpunktes des minimalen Einschaltstromes t
min erneut mit einer reduzierten Zeitdauer
tdelta.
[0018] Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Figuren anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben
sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten, das beanspruchte Verfahren
sowie die beanspruchte Relaisschaltung zu realisieren, ohne dass diese im Rahmen dieser
Ausführungen im Einzelnen erläutert werden müsste.
Bezugszeichenliste
[0019]
- Imin
- minimaler Einschaltstrom
- I
- Einschaltstrom
- tDelta
- Zeitabstand
- tdelta
- reduzierter Zeitabstand
- tein2
- Zeitpunktes korrespondierend zu minimalen Einschaltstrom
- tmin
- Zeitpunktes des minimalen Einschaltstromes
- tsync
- Synchronisationspunkt
1. Verfahren zum Einschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden Relais
zum Bewirken eines minimalen Einschaltstroms (
Imin) durch das Relais wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Überwachen der Netzspannung zum Ermitteln eines festen Synchronisationspunktes (tsync) an der Netzfrequenz und
- Erfassen des Einschaltstromes (I) durch die Relaiskontakte mit Hilfe eines Magnetfeldsensors,
der das Magnetfeld erfasst, welches durch den Einschaltvorgang erzeugt wird, für unterschiedliche
Zeitabstände (tDelta) zwischen dem Zeitpunkt (tein) seiner Einschaltansteuerung und dem Zeitpunkt des Synchronisationspunktes (tsync) über mindestens eine Halbwelle,
- Identifizieren des Zeitpunktes (tein2) korrespondierend zu dem minimalen Einschaltstrom (Imin),
- Ansteuern des Relais zum Zeitpunkt (tein2), so dass das Schließen der Relaiskontakte einen minimalen Einschaltstrom (Imin)
bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Identifizieren des Zeitpunktes des minimalen Einschaltstromes (tmin) in der Umgebung des mit der Zeitdauer (tDelta) identifizierten Zeitpunktes des minimalen Einschaltstromes (tmin) erneut mit einer reduzierten Zeitdauer (tdelta) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nur für eine von drei Phasen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt (tein2) korrespondierend zu dem minimalen Einschaltstrom (Imin) mehrfach ermittelt und aus einer vordefinierten Anzahl an Messungen ein Mittelwert
gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung des Stromverlaufes in der Stromüberwachungseinrichtung mittels einer
Leiterschleife als Magnetfeldsensor vorgenommen wird, wobei die Leiterschleife das
Magnetfeld erfasst, welches durch den Einschaltvorgang erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und Auswertung durch einen Mikrocontroller durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren selbstlernend, insbesondere beim Auftreten von einem über die Zeit
ansteigenden minimalen Einschaltstrom (Imin), durchgeführt wird.