DD220168A1

DD220168A1 - DIGITAL ARRANGEMENT TO REDUCE THE PRELLA BEHAVIOR OF MECHANICAL RELAY

Info

Publication number: DD220168A1
Application number: DD25836983A
Authority: DD
Inventors: Hans-Georg Beyer; Carsten Gartenschlaeger; Stefan Wildgrube; Bernd Brueckner
Original assignee: Stahnsdorf Gleichrichter
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1985-03-20

Abstract

Digitale Anordnung zur Reduzierung des Prellverhaltens mechanischer Relais, insbesondere deren Arbeitskontakte. Sie ist unabhaengig von der Bauart des Relais und dessen Einsatz anwendbar. Das Ziel der Erfindung besteht im Erreichen einer hoeheren Funktionstuechtigkeit des Relais und in der Vermeidung der negativen Folgeerscheinungen des Prellens. Durch eine zusaetzliche digitale Schaltungsanordnung wird die Geschwindigkeit der Kontaktbewegung gesteuert. Der Einsatz der erfinderischen Loesung ist gerechtfertigt, wenn eine lange Lebensdauer der Relais und/oder Nachteile durch die Auswirkungen des Prellverhaltens zu erwarten sind. Sie ist bei allen Realisschaltungen anwendbar.Digital arrangement for reducing the bounce behavior of mechanical relays, in particular their working contacts. It is applicable regardless of the type of relay and its use. The object of the invention is to achieve a higher functionality of the relay and to avoid the negative consequences of the bounce. An additional digital circuitry controls the speed of the contact movement. The use of the inventive solution is justified if a long life of the relays and / or disadvantages are to be expected from the effects of the bounce behavior. It is applicable to all Realisschaltungen.

Description

Stahnsdorf, den 13· 12. 1983Stahnsdorf, the 13th · 12th 1983

Digitale Anordnung zur Reduzierung des Prellverhaltens mechanischer RelaisDigital arrangement for reducing the bounce behavior of mechanical relays

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine digitale anordnung zur Reduzierung des Prellverhaltens der Arbeitskontakte mechanischer Relais, die unabhängig von der Bauart und der Anwendung einsetzbar ist«The invention relates to a digital arrangement for reducing the bounce behavior of the working contacts of mechanical relays which can be used independently of the design and the application.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Maßnahmen zur Unterdrückung des Prellens von Relais bzw. zur Vermeidung der Auswirkungen sind bekannt. Sie beruhen auf speziellen konstruktiven Maßnahmen der Relais selbst bzw. verhindern die negativen Auswirkungen im Betrieb. Die Maßnahmen zum Verhindern des Prellens bzw. zur Dämpfung des Aufpralls beruhen auf der Dimensionierung der Schaltwege, dem Aufbau der. Kontakte zueinander oder dem Einbau bestimmter Dämpfungsglieder.Measures for suppressing the bouncing of relays or to avoid the effects are known. They are based on special design measures of the relays themselves or prevent the negative effects during operation. The measures for preventing the bounce or for damping the impact based on the dimensioning of the switching paths, the structure of the. Contacts to each other or the installation of certain attenuators.

So wird z. B. im DD-WP 138 254 das Prellen durch eine me- .· chanische Hilfskonstruktion unterdrückt. Die beiden Patente DE 2 445 176.und DE 2 919 905 schlagen vor, durch geeignete Kunststoffdämpfungskörper das Prellen der Kontakte zu un-So z. B. in the DD-WP 138 254 bouncing suppressed by a me-. Mechanical auxiliary construction. The two patents DE 2 445 176. and DE 2 919 905 suggest that the bouncing of the contacts should be prevented by suitable plastic damping bodies.

Die Nachteile der Folgemaßnahmen zur Reduzierung der Auswirkungen liegen auf der Hand, weil die Ursache nicht beseitigt wird. 'The disadvantages of following the impact reduction are obvious because the cause is not eliminated. '

Die bekannten technischen Losungen weisen folgende Nachteile auf:.· ·'.· ; - .'. '. . ·.' .. . .. ^:· ". . '· ' . · ' ;' ΛThe known technical solutions have the following disadvantages:. -. '. '. , ·. ' ... .. ^: · "." · '. ·''; Λ

- Maßnahmen auf die jeweilige Bauform bezogen- Measures related to the respective design

- Begrenzung der Anwendbarkeit für bestimmte Anwendungsbereiche- limitation of applicability for certain applications

- nur für bestimmte Schaltgeschwindigkeiten geeignet- only suitable for certain switching speeds

- die Eigenschafen der Relais sind durch den Hersteller bestimmt und nicht durch den Anwender beeinflußbar- The characteristics of the relays are determined by the manufacturer and can not be influenced by the user

- keine der angegebenen Maßnahmen ist geeignet, ohne zusätzliche konstruktive Änderungen bei Reedreleis eingesetzt zu werden- none of the specified measures is suitable to be used without additional design changes in reed ice

- alle bekannten Maßnahmen wirken sich nachteilig auf die Trägheit der Schaltelemente aus.- All known measures adversely affect the inertia of the switching elements.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Lebensdauererhöhung der Relais, das Erreichen einer höheren Funktionstüchtigkeit sowie die Vermeidung von negativen Folgeerscheinungen unterschiedlicher Art.The aim of the invention is the lifetime increase of the relay, the achievement of a higher functionality and the avoidance of negative consequences of different kinds.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, das Prellverhalten von Relais unabhängig von ihrer Bauform und ihres Schaltverhaltens durch äußere schaltungstechnische Maßnähmen, entsprechend den Erfordernissen, steuerbar zu beeinflussen.The invention is based on the Aufgäbe to control the bounce of relays regardless of their design and their switching behavior by external circuitry measures, according to the requirements controllable.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine digitale Schaltungsanordnung im Steuerkreis des Relais geschaltet wird, die den Einschaltimpuls zum Einschalten des Relais nach einer Dauer des Anliegens des Einschaltimpulses im Bereich von > 50 % bis annähernd 100 % der Einschaltzeit des Relais in Dauer und Folge einstellbarer Intervalle mittels eines an sich bekannten Impulsgenerators unterbricht.According to the invention the object is achieved in that a digital circuit arrangement is switched in the control circuit of the relay, the switch-on for switching on the relay after a period of concern of the switch-on in the range of> 50% to approximately 100 % of the switch-on of the relay in duration and consequence adjustable intervals by means of a known pulse generator interrupts.

Die Erfindung soll anhand der Figuren 1 bis 5 erläutert werden»The invention will be explained with reference to Figures 1 to 5 »

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild des herkömmlichen Steuer-/ kreises eines Relais.Fig. 1 shows the block diagram of the conventional control / circle of a relay.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Veränderung des Relaissteuerkreises·2 shows the change according to the invention of the relay control circuit.

Fig. 3 zeigt die Impulsverläufe am Ein- bzw. Ausgang der Zusatzschaltung, die erfindungsgemäß der Entprellung des Relais dient. Fig. 3 shows the pulse waveforms at the input or output of the additional circuit, which according to the invention is used debouncing the relay.

Fig. 4· und 5 stellen das Ausführungsbeispiel dar.Figs. 4 and 5 illustrate the embodiment.

Im Normalfall läßt, sich der Ansteuerkreis eines Relais entsprechend Blockschaltbild, Fig. 1, darstellen· Der Steuerkreis besteht im allgemeinen aus dem Signaleingang E, dem Schaltverstärker SV und der Relaisspule R. Ein Relaiseinschaltsignal TJg gleich logisch "Hoch" am Signaleingang E bedeutet, daß das Relais den Arbeitskontakt schließen soll. Da das Relais R meist eine andere Ansteuerspannung als die der Logiksignale benötigt und auch aus anderen Gründen, findet eine entsprechende Verstärkung des Relaisschaltsignals IL_n statt. Das so verstärkte Signal schaltet nun das Relais R.The control circuit generally consists of the signal input E, the switching amplifier SV and the relay coil R. A relay switch-on signal TJg equal to logical "high" at the signal input E means that the relay should close the normally open contact. Since the relay R usually requires a different driving voltage than that of the logic signals and also for other reasons, a corresponding amplification of the relay switching signal IL _n takes place. The amplified signal now switches the relay R.

Mit Vorhandensein der Spannung vom Schaltverstärker SV am Relais R beginnt der Kontaktschließvorgang· Es vergeht die Zeit, t^ ' bis zur ersten Berührung der Arbeitskontakte· Nach dieser ersten Berührung ist der Kontaktschließvorgang im allgemeinen noch nicht abgeschlossen, vielmehr beginnt auf Grund des mechanischen Impulses des magnetomechanischen Systems und der elastischen Eigenschaften der Kontakte ein Prellvorgang· Dieser Vorgang ist erst nach einer weiteren Zeit t , der Prellzeit, abgeschlossen· Somit vergeht vom Anlegen der Relaisspannung bis zum vollständigen Schließen der Arbeitskontakte die Einschaltzeit t_Qn = ^_0Ώ^ + t_. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Unterdrückung des Prellverhaltens ist in !ig. 2 dargestellt·With the presence of the voltage from the switching amplifier SV at the relay R, the contact closing operation begins · Time elapses, t ^ 'until the first contact with the make contacts · After this first contact, the contact closing operation is generally not yet completed, but rather begins due to the mechanical impulse of the magnetomechanical system and the elastic properties of the contacts a bouncing process · This process is completed only after a further time t, the bounce time · Thus passes from the application of the relay voltage to the complete closing of the _{normally-open} contacts, the switch-on time t _Qn = ^ _0Ώ ^ + t_. The inventive arrangement for suppressing the bounce is in! Ig. 2 shown ·

In dem beschriebenen Steuerkreis gemäß Pig· 1 wird der digitale Impulsgenerator IG zwischen Eingang E und Schaltverstärker SV angeordnet. Der Impulsgenerator IG formt aus dem Relaiseinschaltsignal Ug eine Impulsfolge U. am Ausgang A.· Die zeitlichen Signalverläufe, des Relaiseinschaltsignals U„ und der durch den Impulsgenerator IG erzeugten Impulsfolge U, sind in Fig. 3 dargestellt. Der obere Signalverlauf stellt das Relaiseinschaltsignal U_1n dar, der untere Signalverlauf die vom Impulsgenerator IG daraus erzeugte Impulsfolge Ü.·' Der erste Impuls der Impulsfolge U. hat die zeitliche Länge t Darauf folgt die erste Pause, die die Verzögerungslänge t^ hat; danach folgt der.nächste Impuls mit der Länge' t^ usw. (allg· t, , ι™.) bis einschließlich zur η-ten Pause. In Fig. wurde η = 3 gewählt· Die Summe aller Impuls- und Pausenzeiten hat kleiner als die ursprüngliche Zeit t.. vom Beginn des Relaisansteuersignals Ug bis zur ersten Berührung der Arbeits kontakte bei Verwendung des üblichen Steuerkreises entsprechend Fig. 1 zu sein. Es hat die UngleichungIn the described control circuit according to Pig * 1, the digital pulse generator IG between input E and switching amplifier SV is arranged. The pulse generator IG forms from the Relaiseinschaltsignal Ug a pulse sequence U. at the output A. · The temporal waveforms, the Relaiseinschaltsignals U "and the pulse train U generated by the pulse generator IG, are shown in Fig. 3. The upper signal curve represents the relay switch-on signal U _1n , the lower signal curve the pulse sequence U generated therefrom by the pulse generator IG. The first pulse of the pulse sequence U has the time length t, followed by the first pause having the delay length t 1; This is followed by the next pulse of length 't ^ etc. (allg · t,, ι ™) up to and including the ηth pause. In Fig. Η = 3 was chosen · The sum of all pulse and pause times has to be smaller than the original time t .. from the beginning of the relay drive signal Ug to the first contact of the working contacts using the usual control circuit corresponding to FIG. It has the inequality

> Σ CtJ₅. + ΐ^)_;ζμ gelten. Die Zeiten t^ und t^ sind nun so zu wählen, daß einerseits die> Σ CtJ ₅ . + ΐ ^) _; ζμ apply. The times t ^ and t ^ are to be chosen so that on the one hand the

Kontaktgeschwindigkeit während einer Zeit von 0,5 t ^ Ms 0,9 t_Q * maximal wird, um eine geringe Einschaltzeit t zu erreichen; andererseits muß kurz vor der Berührung der Arbeitskontakte die Geschwindigkeit der Kontakte reduziert werden, um letztlich den Aufprall der Kontakte durch ein Anschmiegen derselben zu ersetzen. Aus diesem Grund wird die Relaisansteuerspannuhg kurz vor der Berührung nach einer Zeit von 0,5 .·· 0,9 t_Qn^ mehrmals unterbrochen. Die Impulspausenzeiten t~ liegen dabei in der Größenordnung der Relaisabfallzeit -t_0:ff.Contacting speed during a time of 0.5 t ^ Ms 0.9 t _Q * becomes maximum to achieve a low on-time t; On the other hand, just before touching the normally open contacts, the speed of the contacts must be reduced in order ultimately to replace the impact of the contacts by nestling them. For this reason, the relay _{drive voltage is} interrupted several times shortly before contact after a time of 0.5 ·· 0.9 t _Qn ^. The pulse pause times t ~ lie in the order of magnitude of the relay dropout time -t _{0: ff} .

Um eine ausreichende Prellfreiheit Zu garantieren, ist mittels des Impulsgenerators IG das Relaiseinschaltsignal U™ drei bis sechsmal zu unterbrechen· Die Impulslängen und die Pausenlängen sind zunächst variabel· Realisiert wird der Impulsgenerator IG mittels einer entsprechenden Digitalschaltung· VIn order to guarantee sufficient bounce freedom, the relay switch-on signal U ™ is to be interrupted three to six times by means of the pulse generator IG · The pulse lengths and the pause lengths are initially variable · The pulse generator IG is realized by means of a corresponding digital circuit · V

Prinzipiell ist auch eine Analogsteuerung durch einen geeigneten Funktionsgenerator möglich, welcher einen Spannungsverlauf an den Schaltverstärker SV abgeben muß, derart, daß die Kontaktbewegung ähnlich wie bei der digitalen Steuerung abläuft·In principle, an analog control by a suitable function generator is possible, which must deliver a voltage waveform to the switching amplifier SV , such that the contact movement is similar to that in the digital control runs ·

Eine entsprechende Variante zur Entprellung von Ruhekontakten läßt sich ebenfalls mit einer Schaltung gemäß Fig. 2 realisieren. Die dazu nötige Impulsfolge bei Digitalsteuerung bzw. der dazu notwendige, durch einen Funktionsgenerator zu erzeugende Spannungsverlauf am Relais bei Analogsteuerung ist so auszulegen, daß ähnlich dem Entprellvorgang bei Arbeitskontakten die Kontaktgeschwindigkeit kurz vor der Berührung der Kontakte reduziert wird·A corresponding variant for Entprellung of normally closed contacts can also be realized with a circuit according to FIG. The necessary pulse sequence in digital control or the necessary to be generated by a function generator voltage curve at the relay with analog control is designed so that similar to the Entprellvorgang at work contacts the contact speed is reduced shortly before the contact of the contacts ·

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.The invention will be explained below using an exemplary embodiment.

Die Digitalschaltungen nach Fig. 4 und 5 stellen eine mögliche Variante des Impulsgenerators IG dar. Im Zusammen« hang mit den hier nicht dargestellten, sich dem Impulsgenerator anschließenden Scha ltver stärker dient diese Digitalschaltung der Ansteuerung und der Prellunterdrückung von schnellen Hochspannungsreedrelais in Meßschaltungen· Da "bei Reedrelais die Prellzeit t meist lang im Vergleich zur Zeit t-, der ersten Kohtaktberührung ist, bewirkt eine Unterdrückung der Prellungen eine entscheidende .Einschaltzeitverkürzung.The digital circuits according to FIGS. 4 and 5 represent a possible variant of the pulse generator IG. In connection with the shifters not shown here, which follow the pulse generator, this digital circuit serves to control and suppress the bounce of fast high-voltage relay relays in measuring circuits. In reed relay the bounce time t is usually long compared to the time t, the first Kohtaktberührung is a suppression of bruises a crucial .Einschaltzeitverkürzung.

Um eine wirkungsvolle Prellunterdrückung bei Reedrelais zu erreichen, genügen meist vier Pausen (Unterbrechnungen des Relaiseinschaltsignals IO» Dementsprechend besteht die •Impulsgeneratorschaltung IG aus vier gleichartigen Impulsverzögerungsgliedern IV, die günstig mit integrierten Schaltkreisen realisierbar sind. Die Impulsverzögerungsglieder IV sind in Reihe geschaltet. Alle Ein- und Ausgänge von diesen Gliedern IV werden auf ein logisches UND-Glied geführt, dessen Ausgang A den Ausgang des Impulsgenerators IG darstellt. Ein Impulsverzögerungsglied IV besteht entsprechend Fig. 5 aus jeweils 2 Monpflops MF^ und MFp· Sein Eingang ist mit Μ, ,,und sein Ausgang mit M, bezeichnet. Der stabile Zustand der Monoflops an den Ausgängen "Q ist logisch "Hoch'·. Der metastabile Zustand (logisch "Tief" am Ausgang Q) wird durch eine Tief-Hoch-Planke am Eingang B jedes Monoflops erzeugt. Für die Monoflops kommen handelsübliche integrierte Schaltkreise z. B. D 121, die nur noch mit einer zeitbestimmenden RC-Kombination zu verbinden sind, in Frage. Da ihre Schaltungstechnik bekannt istj soll hier nicht näher darauf eingegangen werden.In order to achieve effective bounce suppression with reed relays, four breaks are usually sufficient (interruptions of the relay switch-on signal IO). Accordingly, the pulse generator circuit IG consists of four identical pulse delay elements IV, which can be realized in a favorable manner with integrated circuits.The pulse delay elements IV are connected in series. and outputs from these gates IV are fed to a logical AND gate whose output A represents the output of the pulse generator IG A pulse delay gate IV consists of 2 monpflops MF ^ and MFp as shown in Fig. 5. Its input is denoted by Μ, and its output is denoted by M. The stable state of the monoflops at the outputs Q is logic high. The metastable state (logic low at output Q) is represented by a low-high plank at the input B of each monoflop For the monoflops commercially available integrated circuits come eg D 121, which only with a time-determining RC combination to connect, in question. Since their circuit technology is known, it should not be discussed in more detail here.

Der' Ausgang Q des ersten Monoflops MF^ ist mit dem Eingang B des zweiten Monoflops MFp verbunden. Der Monoflop MF,- bestimmt die Impulslänge t^. Der Monoflop MF₂ bestimmt die Länge der darauffolgenden Pause t^·. Die (hier nicht dargestellten) Widerstände der RC-Kombination sind variabel(Trimm-The output Q of the first monoflop MF ^ is connected to the input B of the second monoflop MFp. The monoflop MF, - determines the pulse length t ^. The monoflop MF ₂ determines the length of the following pause t ^ ·. The resistors of the RC combination (not shown here) are variable (trim

potentiometer) und gestatten eine entsprechende Variation der Impulslänge t^ und der Pausen länge t^,. Die DimensioBierung der RC-Kombinationen hängt von der konkreten Monoflop-Schaltung ab· Bei Mittelstellung der Widerstandswerte der Trimmpotentiometer gelten für die Mittelwerte der variablen Zeitlängen der metastabilen Zustände der Monoflops, also für die Zeiten t^ und t·^, folgende Richtwerte:potentiometer) and allow a corresponding variation of the pulse length t ^ and the pauses length t ^ ,. The dimensioning of the RC combinations depends on the concrete monoflop circuit. When the resistance values of the trimming potentiometers are set to the center, the following values apply to the average values of the variable time lengths of the metastable states of the monoflops, ie for the times t 1 and t 2.

VV OO »8 *"8th * t_D1 t _D1 00 »⁸ » ⁸ t_Qff t _Qff VV 00 '°⁶ Cl'° ⁶ Cl *1)2* 1) 2 00 VfVf VV 00 , 04· t, 04 · t *ί)3* Ί) 3 00 '2'2 VfVf VV 00 ,02 t >., 02 t>. t_m t _m 00 ,1,1 t-_ff t- _ff

Dabei wird unter der Zeit t _* die Zeit vom Anlegen der Relaisschaltspannung bis zur ersten Berührung der Eontakte verstanden, wobei der Betriebsfall gemäß Fig. 1 vorliegt. Die Zeit t «- ist die Zeit, die von der Abschaltung der Relaisschaltspannung bis zur elektrisch nachweisbaren Öffnung der Relaiskontakte vergeht·In this case, the time from the application of the relay switching voltage to the first contact of the Eontakte is understood by the time t _ * , wherein the operating case according to FIG. 1 is present. The time t "- is the time that passes from the switch-off of the relay switching voltage to the electrically detectable opening of the relay contacts.

Die Optimierung der Relaisentprellung hat folgendermaßen abzulaufen. Zunächst werden alle Pausenlängen t—minimal gewählt, wobei die Pausenzeiten t^, kleiner als die Abfallzeit t ff des Relais zu sein haben. Durch diese Maßnahme wird die Auswirkung der Inipulspausen auf die Optimierung klein gehalten. Der Kontaktschließvorgang wird wahrend der Optimierung auf einen Oszillographen beobachtet. Die Zeiten t/ und t™_ der Monoflops werden nun so eingestellt, daß möglichst geringe Prellerscheinungen auf dem Oszillogramm vorhanden sind Der Optimierungsprozeß wird für jede Impulslänge t^ und Pausenlänge tß^, beginnend mit dem ersten Monoflop WF* des ersten Impulsverzögerungsgliedes IV, durchgeführt. Das erste Impulsverzögerungsglied IV ist in der Fig.Λ das direkt am Eingang E liegende. Die Optimierung der einzelnen Glieder IVThe optimization of the relay debounce has the following procedure. First, all pause lengths are selected t-minimal, the pause times t ^ have to be smaller than the fall time t ff of the relay. This measure minimizes the impact of the injection pauses on the optimization. The contact closure process is observed during optimization on an oscilloscope. The times t / and t ™ of the monoflops are now set so that the smallest possible bounce on the oscillogram are present The optimization process is performed for each pulse length t ^ and pause length tß ^, starting with the first monoflop WF * of the first pulse delay element IV , The first pulse delay element IV is in Fig. Λ lying directly at the input E. The optimization of the individual members IV

erfolgt also It, Pig· 4 von links nach rechts· Außer der oszillographischen Kontrolle der Prellerscheinungen kann weiterhin die Kontaktschließlautstärke als Optimierungskriterium herangezogen werden. Sie wird bei optimaler Prellunterdrückung minimal.Thus, It, Pig · 4, is from left to right. In addition to the oscilloscope check of the bumps, the contact closure volume can also be used as an optimization criterion. It will be minimal with optimal bounce suppression.

Claims

invention claim

1. Digital arrangement for reducing the bounce of mechanical. Relay ;, in particular their normally open contacts, regardless of their design, characterized in that in the control circuit of the relay, an electronic circuit is arranged, the Είηβοΐΐθΐίΐϊαρμίβ the relay after a period of concern of the switch-on in Range of> 50 % to approximately 100% of the switch-on time in duration and sequence of adjustable intervals by means of a per se known pulse generator interrupts ·

2. Digital arrangement according to item 1, characterized in that pulse generator (IG), switching amplifier (SV) and relay coil (R) are connected in this order,

3 · Digital arrangement according to item 1 and 2, characterized in that pulse generator (IG) and switching amplifier (SV) are implemented as an integrated additional module.

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