DE69400948T2 - Schaltgerät mit zwei relaisschaltern für ein vorschaltgerät für eine entladungslampe - Google Patents

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an Stromumschaltkreisen des Typs, der beispielsweise bei Leuchtstofflampensteuersystemen zur selektiven Verbindung einer Reihe von elektronischen Vorschaltgeräten mit einer wechselstrom-Leistungsquelle verwendet wird.
Das technische Problem und Lösungen nach dem Stand der Technik
• Beim Zuführen von Leistung zu einem elektronischen Vorschaitgerät eines Typs, wie er zur Steuerung des Betriebs einer Leuchtstofflampe verwendet wird, findet man, daß sich das Vorschaitgerät wie eine kapazitive Last verhält. Somit tritt jedesmal, wenn der Last, beispielsweise durch Schließen eines Schalters zwischen der Last und einer Netzspannungsquelle, Leistung zugeführt wird, ein Einschaltstrom zur Last hin auf, der rasch abklingt, wenn sich die Last bis zur Netzspannung hin auflädt. Dieser zeitlich begrenzte Stromstoß kann problematisch sein, wenn die Anzahl der von einem einzigen Relaisschalter gesteuerten elektronischen Vorschaltgeräte anwächst. So kann bei spielsweise im Falle eines 16-Ampere-Schaltkreises (im eingeschwungenen Zustand) von als Dimmer wirkenden Vorschaltgeräten der Stromstoß eine Größe von 300 A erreichen. Obwohl er kurzlebig ist und vielleicht nur ein paar Perioden lang dauert, kann dieser Stoßpegel an den Kontakten sogar eines relativ großen Relais mit hoher Strombelastbarkeit (z.B. 50A) schweren Schaden anrichten. Das Problem geht auf die Tatsache zurück, daß jedesmal, wenn ein Paar von Relaiskontakten schließt oder zusammenschnappt, eine Tendenz zum Auseinanderprellen besteht. Wenn dieses Prellen während eines hohen Stromstoßes stattfindet, ionisiert das dazwischen befindliche Gas oder die Luft und es kommt zur Lichtbogenbildung. Die Lichtbogenbildung hat die Wirkung, die leitenden Beschichtungen auf den Relaiskontakten wegzusprengen, was schließlich dazu führt, daß das Relais ausfällt, entweder aufgrund einer Erosion des Kontaktmaterials oder häufiger aufgrund eines Verschweißens der Kontakte in der geschlossenen Stellung.
• Um mit dem oben erwähnten Problem fertig zu werden, könnte man den Lösungsansatz aufgrund roher Gewalt in Betracht ziehen, der ein einziges Hochleistungsrelais verwendet, das große Kontakte und eine hohe Federkonstante aufweist. Aber Relais dieser Bauart haben die Tendenz, sowohl teuer als auch sperrig in ihrer Größe zu sein. Ein eleganterer und wesentlich weniger kostspieliger Lösungsansatz besteht darin, zwei relativ kleine, einander parallel geschaltete Relais zu verwenden, von denen eines ein mit ihm in Serie geschaltetes strombegrenzendes Widerstandselement enthält. Ein derartiger Umschaltkreis ist in Fig. 1 dargestellt. Im Betrieb ist das Relais RL1 für eine kurze Zeit geschlossen, während das Relais RL2 offen bleibt. Wenn das Relais RL1 schließt, fließt Strom von der Leistungsguelle durch den Widerstand R zum Aufladen der kapazitiven Last. Die Amplitude des Stromstoßes wird durch den Widerstand begrenzt und hängt von dessen Wert ab. Nachdem der Stromstoß abgeklungen ist, wird das zweite Relais geschlossen zur Erzeugung eines direkten und im wesentlichen impedanzfreien Weges zwischen Quelle und Last. Offensichtlich muß der Widerstand in diesem Schaltkreis in geeigneter Weise bemessen werden, um den Stromstoß ohne Schaden oder Ausfall wiederholt zu ertragen. Ein solcher Widerstand besitzt die Tendenz, relativ groß und sogar im Vergleich mit einigen aktiven Schaltelementen teuer zu sein. Aber ernstere Probleme bei der Übernahme des Schaltkreises nach Fig. 1 sind: (1) es wird noch eine gewisse Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten auftreten, wenn sie beim ersten Schließen prellen, da, sobald das erste Relais geschlossen ist, ein Leitungsweg durch den Widerstand hindurch auftritt, und (2) der Widerstand öfter Beanspruchungspegel mit hoher Energie ausgesetzt ist, da die Spannung über dem Widerstand jedesmal, wenn das erste Relais geschlossen ist, den vollen Netzspannungswert, wenn auch nur für kurze Zeit, annehmen kann. Dies bedeutet, daß das erste Relais, während es noch prellt, noch einem gewissen Stromstoß ausgesetzt ist und der Widerstand die Energie, die er als Wärme absorbiert, entweder innerlich oder über eine Wärmesenke verteilen muß.
• Eine mögliche Lösung des oben erwähnten Problems besteht darin, einen hybriden Umschaltkreis des Typs zu verwenden, welcher ein Relais von der Bauart mit zwei Kontaktsätzen mit einem Halbleiterschalter, wie beispielsweise einem Triac, kombiniert. Ein solcher Schaltkreis, der in Fig. 2 dargestellt ist, wird von der Aromat Corporation als ihr Relais Modell H-OP1OA angeboten. Dieser Schaltkreis arbeitet in der folgenden Weise: wenn dem Relais ein Eingangssignal zugeführt wird, schließen zuerst die Kontakte A, was zur Folge hat, daß sofort Strom durch den Widerstand R zum Gate-Anschluß des Triacs Q fließt. Beim Zünden des Triacs fließt Strom von der Leistungsqüelle zur Last durch den Triac. Nach einem vorgegebenen Zeitraum schließen die B-Kontakte und ermöglichen es dem Laststrom, unbehindert von der Quelle zur Last zu fließen. Zu diesem Zeitpunkt sind beide Sätze von Relaiskontakten geschlossen. Wenn das Eingangssignal weggenommen wird, öffnen zuerst die B-Kontakte, wodurch bewirkt wird, daß der Laststrom wiederum durch den Triac fließt. Wenn darauffolgend die Kontakte A öffnen, wird der Laststrom Null und wird durch den Triac abgeschaltet.
• Bei der Verwendung eines Schaltkreises des Typs, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, zur Steuerung der Leistungsumschaltung an einem elektronischen Vorschaltgerät, treten mindestens zwei potenzielle Probleme auf. Erstens ist es, da der Triac immer auf EIN gesteuert ist, für den Laststrom sogar dann, wenn die B-Kontakte geschlossen sind, möglich, kontinuierlich durch den Triac zu fließen, anstatt daß dies nur in dem kurzen Zeitintervall zwischen dem Schließen der beiden Kontaktsätze stattfindet. Während des anfänglichen leitenden Intervalls reduziert der Triac die Spannung über den noch offenen B-Kontakten etwa auf den Wert 1 Volt (d.h. die Spannung des Triacs im eingeschalteten Zustand). Diese niedrige Spannung mag nicht ausreichen, eine Oxidbeschichtung auf dem zweiten Satz von Kontakten zu durchbrechen; das bedeutet, daß während die B-Kontakte mechanisch "gechlossen" sind, sie im elektrischen Sinne nicht "geschlossen" zu sein brauchen. Das klare Ergebnis besteht darin, daß der Laststrom weiterhin durch den Triac fließt, der, da er keine Wärmesenke darstellt, sich rasch überhitzt und schließlich ausfällt. Da der typische Ausfallmodus ein "Kurzschluß" ist, kann das Relais dann den Laststromkreis nicht öffnen.
• Ein zweites potenzielles Problem bei dem Schaltkreis nach Fig. 2 besteht darin, daß, wenn das Relais in die "AUS-Stellung" gesetzt wird, die parallelen Kontakte (d.h. die B-Kontakte) zuerst, öffnen, so daß der Laststrom für einen Augenblick wieder von dem Triac aufgenommen wird. Später wird das Steuersignal vom Gate des Triac genommen, wenn sich die A-Kontakte schließlich öffnen. An diesem Punkt soll der Triac in den Zustand "AUS" wechseln und damit die Leistung vom Lastschaltkreis wegnehmen. Aber bestimmte Typen von Lastschaltkreisen, insbesondere diejenigen mit hohen induktiven Eigenschaften, können verhindern, daß der Triac in den AUS-Zustand wechselt, so daß die Last unter Strom bleibt, wenn sie im Zustand AUS sein sollte. Dies ist ein Sicherheitsproblem. Man beachte, es besteht kein durch einen Luftspalt bewirktes AUS im Schaltkreis nach Fig. 2.
• In EP-A-0 161 628 ist ein Leistungsumschaltkreis zum wahlweisen Einschalten von Leistung zwischen einer Wechselstrom-Leistungsquelle und einer kapazitiven Last geoffenbart, der zwei parallel zueinander geschaltete mechanische Schalter aufweist, einen in Sene mit einem der beiden mechanischen Schalter geschalteten Thyristor-Schalter und einen Steuerkreis zum Einschalten des Thyristor-Schalters, wenn der in Serie mit ihm liegende Schalter geschlossen worden ist und nach einem variablen Zeitraum, der auf der Erfassung des Zeitpunkts für den Null-Durchgang der Wechselstrom-Wellenform basiert.
Zusammenfassung der Erfindung
• Angesichts der vorausgegangenen Diskussion besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Leistungsumschaltkreis zu schaffen, der die oben erwähnten Probleme des Standes der Technik verringert. Dies wird mit einem Schaltkreis gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 erreicht.
• Der erfindungsgemäße Umschaltkreis umfaßt grundsätzlich ein Paar von zueinander parallel geschalteten Relais, wobei eines dieser Relais eine Vorrichtung mit steuerbarer Leitfähigkeit, wie beispielsweise einen elektronischen Schalter, vorzugsweise einen Triac aufweist, der in Serie mit ihm geschaltet ist. Bei offenem Relais befindet sich zwischen der Leistungsquelle und der Last immer ein isolierender Luftspalt. Da der Triac in Serie zu einem der Relais geschaltet ist, besteht keine Notwendigkeit, sich in Bezug auf die Sperrung des Stromes im AUS-Zustand auf den Triac zu verlassen. Somit isoliert der durch das Relais erzeugte Luftspalt die Last gegenüber der Leistungsguelle auch dann noch, wenn der Triac aus irgendeinem Grund ausfallen sollte. Beim aufeinanderfolgenden Schließen der Relais erzeugt ein Relais einen leitenden Weg von der Leistungsquelle zum Triac. Nach einer geeigneten Verzögerungszeit, die es den Relaiskontakten ermöglicht&sub1; sich in der Schließstellung mechanisch zu stabilisieren, wird der Triac zur Erzeugung eines leitenden Weges von der Leistungsquelle zur Last gezündet. Nachdem der Stromstoß abgeklungen ist, wird das zweite Relais geschlossen zur Erzeugung eines direkten leitenden Weges zwischen der Leistungsquelle und der Last. Ein Ergebnis dieser Anordnung besteht darin, daß der Umschaltkreis nach der Erfindung im Vergleich zu dem oben diskutierten Stand der Technik weniger kostspielig, kompakter aufgebaut, betriebssicherer und zuverlässiger während einer ausgedehnten Betriebszeit ist.
• Die Erfindung und ihre verschiedenen Vorteile werden aufgrund der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen besser verstanden werden, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Fig. 1 und 2 zeigen elektrische Schaltbilder von Umschaltkreisen nach dem Stand der Technik;
• Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Umschaltkreises nach der Erfindung;
• und Fig. 5 zeigt das Schaltbild eines Steuersystems für eine Leuchtstofflampe, das den Umschaltkreis nach Fig. 3 enthält.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
• Wie in Fig. 3 dargestellt, besitzt eine bevorzugte Ausführungsform eines Leistungsumschaltkreises nach der Erfindung ein Paar Schalter, wie beispielsweise diskrete Relais RL3 und RL4 und eine Vorrichtung mit steuerbarer Leitfähigkeit, wie beispielsweise einen elektronischen Schalter und besonders bevorzugt einen Triac Q1. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform zwei diskrete Relais verwendet, wird darauf hingewiesen, daß auch ein einziges Relais verwendet werden kann, welches zwei Sätze von Kontakten aufweist sowie Mittel zur Steuerung der relativen Zeiten, zu denen die Kontakte schließen und öffnen, wie im Falle des Umschaltkreises nach Fig. 2. Die Relais RL3 und RL4 werden jeweils durch Steuerkreise 10 und 12 angesteuert, um das Öffnen und Schließen der jeweiligen Re-
• laiskontakte zu bewirken. Der Betrieb des Triacs Q1 wird durch einen Triggerkreis 16 gesteuert, der zu einem geeigneten Zeitpunkt dem Gate-Anschluß des Triacs ein Ausgangssignal zuführt und dadurch die Leitfähigkeit des Triacs bewirkt. Der Schaltkreis nach Fig. 3 arbeitet in der nachfolgenden Weise:
• Zuerst wird dem Steuerkreis 10 ein Eingangssignal zugeführt, welches bewirkt, daß die Kontakte C des Relais RL3 geschlossen werden und es dem Strom ermög licht, von der Leistungsquelle zum Triac zu fließen. Beim Schließen des Relais tritt unvermeidbar für einige Millisekunden ein "Prellen" der Kontakte auf. Da aber der Triac in den Zustand AUS geschaltet ist und so ausgebildet ist, daß er den Stromfluß während dieser Prellzeit blockiert, kann zwischen den Relaiskontakten als Ergebnis dieses Schließens keine Lichtbogenbildung auftreten. Nach einer geeigneten Verzögerung (beispielsweise 10 bis 50 msec. und vorzugsweise etwa 25 msec.) die ausreicht, den Relaiskontakten eine Stabilisierung im geschlossenen Zustand zu ermöglichen, wird der Triac in den leitenden Zustand gesteuert und der Stromstoß fließt zur Last. Diese Verzögerung wird durch einen geeigneten RC-Verzögerungskreis 18 erreicht, der an den Eingang des Relais RL3 angeschlossen ist. Da die Kontakte des Relais RL3 nunmehr dicht schließen, tritt als Ergebnis irgendeines zur Last fließenden Stromstoßes keine Lichtbogenbildung auf. Nach einem geeigneten Zeitraum, der es dem Stromstoß ermöglicht abzuklingen, z.B. 20 bis 100 msec. und vorzugsweise etwa 75 msec. werden die Kontakte des Relais RL4 geschlossen, um einen impedanzfreien Leitungsweg von der Leistungsquelle zur Last herzustellen. Diese Verzögerung wird durch einen zweiten RC-Verzögerungskreis 20 erzeugt, der vom Ausgangssignal des Schaltkreises 18 angesteuert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Triac in den Zustand AUS geschaltet und das Relais RL3 wird geöffnet, um den Triac aus dem Kreis zu entfernen. Aufgrund dieser Reihenfolge braucht der Triac keine Wärmesenke zur Abführung der Wärme des im eingeschwungenen Zustand zur Last fließenden Stroms zu sein. Zur Abtrennung der Last von der Leistungsguelle wird das Relais RL4 schließlich geöffnet.
• Verglichen mit dem oben diskutierten Stand der Tech nik ist der Umschaltkreis nach der Erfindung aus den folgenden Standpunkten heraus vorteilhaft: (1) Er ist sicher, insbesondere von dem Standpunkt aus, daß zwischen der Last und der Leistungsquelle sogar in dem Fall, daß der Triac infolge eines Kurzschlusses ausfallen sollte, ein Luftspalt vorgesehen ist. Es wird darauf hingewiesen, daß bei dem Schaltkreis nach Fig. 2 der Ausfall des Triacs zu einem direkten Kurzschluß zwischen der Last und der Leistungsquelle führt. (2) Er ist höchst zuverlässig von dem Standpunkt aus, daß der Triac den Laststrom nur zwischen dem Zeitpunkt, in dem der Triac gezündet ist und dem Zeitpunkt, in dem das zweite Relais (RL4) geschlossen wird "sieht". (3) Es kann keine Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten auftreten, da der Triac erst dann angesteuert wird, wenn das "Prellen" der Kontakte abgeklungen ist. (4) Aufgrund der Verzögerungskreise 18 und 20 ist er leicht an die Verwendung zusammen mit unterschiedlichen Typen von Relais und Triacs anpaßbar. (5) Verglichen mit dem Schaltkreis nach Fig. 1 kann der Umschaltkreis nach der Erfindung mit geringeren Kosten hergestellt werden und eine kompaktere Größe aufweisen.
• In Fig. 4 ist eine Variante des Umschaltkreises nach Fig. 3 dargestellt, die ein Paar siliziumgesteuerte Gleichrichter SCR-1 und SCR-2 aufweist, die zueinander parallel geschaltet sind. In ihrer Kombination üben diese Halbleiterschaltelemente im wesentlichen die gleiche Funktion aus, wie der Triac Q1 des Schaltkreises nach Fig. 3. Ihr Betrieb wird mittels eines üblichen Ansteuerschaltkreises 24 gesteuert.
• In Fig. 5 ist dargestellt, wie der Umschaltkreis 30 nach der Erfindung in ein mikroprozessorgestütztes Beleuchtungssteuersystem des Typs integriert ist, der auf unterschiedliche Eingangssignale reagiert (beispielsweise ausgehend von dem lichtregelnden Aktuator einer Wanddosensteuerungvorrichtung, einer Fotozelle, welche den natürlichen Beleuchtungspegel sensiert und/oder einem Bewohnersensor, der die Gegenwart eines menschlichen Wesens innerhalb eines Beleuchtungssteuerbereiches sensiert) zur Steuerung der von einer Mehrzahl von Leuchtstofflampen 32 erzeugten Beleuchtung. Auf der Basis des Pegeis dieser Eingangssignale erzeugt der Mikroprozessor ein Ausgangssignal a, das als Eingangssignal für den Umschaltkreis 30 verwendet wird zur Steuerung des Umschaltens von Leistung (Umschaltung aktiviert SH) zwischen der Wechselstrom-Leistungsquelle 34 (beispielsweise 100-277 V, 50-60 Hz) und einer Reihe von elektronischen Vorschaltgeräten 36, wie oben beschrieben, und ein Ausgangssignal b, welches das Ausgangssignal eines Optokopplers steuert, der dazu dient, ein Vorschaltgerät-Steuersignal hoher Spannung (Dimmung aktiviert DH) zu erzeugen. Wie oben bemerkt, kann die Umschaltung von Leistung auf eine Reihe von elektronischen Vorschaltgeräten aufgrund des Stromstoßes problematisch sein, der von den Impedanzeigenschaften einer solchen Last erzeugt wird. Der Umschaltkreis nach der Erfindung ist gut darauf eingestellt, ohne ungünstige Effekte mit diesem Stromstoß fertig zu werden. Ein bevorzugter Triac für den Umschaltkreis, der in der Lichtsteuervorrichtung nach Fig. 5 verwendet wird, ist das von Motorola Inc. hergestellte Model MAC-223-8. Dieser Triac wird wegen seiner hohen spitzen Stoßstrombelastbarkeit bevorzugt.
• Die beigefügten Ansprüche definieren den Schutzbereich der Erfindung.

Claims (10)

1. Leistungsumschaltkreis zum wahlweisen Einschalten von Leistung zwischen einer elektrischen Leistungsguelle und einer Last, wobei der Leistungsumschaltkreis versehen ist

(a) mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Relais (RL3, RL4), die parallel zwischen die Leistungsquelle und die Last geschaltet sind, wobei jedes der Relais ein Paar Kontakte (C, D) aufweist, die in Reaktion auf ein Steuersignal, welches an einem zugeordneten Relais angelegt wird, öffnen und schließen, um den leitenden Zustand des Relais zu ändern, und diese Kontakte die Tendenz des Auseinander- und Zusammenprellens während eines vorher bestimmten Zeitintervalls haben, das jedem Schließen derselben folgt;

(b) mit einem elektrisch steuerbaren Schalter (Q1; SCR1, SCR2), der in Reihe zu dem ersten Relais (RL3) geschaltet ist, wobei dieser Schalter auf ein Steuersignal anspricht, um Strom zu führen, und

(c) mit einem Steuermittel (10, 12, 16, 18, 20, 24) zum Erzeugen dieser Steuersignale zu bestimmten Zeitpunkten, um aufeinanderfolgend (i) die Kontakte (C) des ersten Relais (RL3) zu schließen, (ii) zu veranlassen, daß dieser Schalter (Q1; SCR1, SCR2) als Leiter wirkt, und (iii) die Kontakte (D) des zweiten Relais (RL4) zu schließen&sub1; wobei das Steuermittel bewirkt, daß die Stromleitung des Schalters um ein bestimmtes Zeitintervall verzögert wird, welches den vorherbestimmten Zeitraum übersteigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher dieses Steuermittel wirksam ist, um das Schließen der Kontakte (D) des zweiten Relais (RL4) zu verzögern, bis jeglicher Stromstoß, der auftritt, nachdem dieser Schalter leitet, sich verringert hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem diesesr Schalter als Triak (Q1) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das erste und das zweite Relais als ein einziges Relais ausgeführt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Last ein Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe umfaßt.

6. Verfahren zum Schalten von Leistung zwischen einer elektrischen Leistungsquelle und einer Last mit folgenden Merkmalen: (a) Bereitstellen eines Schaltkrei,ses mit einem ersten und einem zweiten Relais (RL3, RL4), die parallel geschaltet sind, und eines bezüglich seiner Leitfähigkeit steuerbaren Schalters (Q1; SCR1, SCR2), der mit dem ersten Relais (RL3) in Reihe geschaltet ist, wobei jedes dieser Relais ein Paar elektrischer Kontakte (C, D) aufweist, die zusammenschnappen und während eines Zeitintervalls prellen, wenn ihr zugeordnetes Relais erregt wird,

(b) Erregen des ersten Relais (RL3),

(c) nach einem festen vorherbestimmten Zeitintervall, das groß genug ist, um den Kontakten (C) des ersten Relais (RL3) zu ermöglichen, sich zusammenzustabilisieren, Leitendmachen des steuerbar leitfähigen Schalters (Q1; SCR1, SCR2) und

(d) danach Erregen des zweiten Relais (RL4).

7. Verfahren nach Anspruch 6, welches weiterhin die Schritte des Abschaltens des ersten Relais (RL3) und des Nichtleitendmachens der bezüglich ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Vorrichtung (Q1; SCR1, SCR2) nach dem Erregen des zweiten Relais (RL4) umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem der festgelegte vorherbestimmte Zeitintervall zwischen 10 und 50 msec. beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei welchem, das zweite Relais (RL4) nach einem zweiten festen Zeitintervall erregt wird, welches ausreichend ist, um jeglichem Stromstoß, der auftritt, nachdem der Schalter leitend gemacht worden ist, zu ermöglichen, sich zu verringern.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das erste und das zweite festgelegte Zeitintervall etwa 25 bzw. etwa 75 msec. betragen.