DE10029853A1

DE10029853A1 - Schaltungsanordnung zur Reduzierung des Kontaktstromes

Info

Publication number: DE10029853A1
Application number: DE2000129853
Authority: DE
Inventors: Kristian Kier
Original assignee: HELBAKO ELEKTRONIK BAUGRUPPEN
Current assignee: HELBAKO GMBH, 42579 HEILIGENHAUS, DE
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2002-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung des Kontaktstromes während der Prellzeit des Kontaktes einer Schaltvorrichtung. DOLLAR A Bei vielen Einschaltvorgängen wird der hohe Einschaltstrom, in aller Regel mit Kontaktprellungen verbunden, als störend empfunden. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, die Einschaltströme während der Prellzeit stark zu verringern, um kleinere Schaltvorrichtungen einsetzen zu können. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird in Reihe mit dem zu schützenden Kontakt (K) ein Vorwiderstand (RV) geschaltet, der den Einschaltstrom aufnimmt und in der Höhe reduziert, bis eine zum Vorwiderstand (RV) parallel liegende Schaltvorrichtung (S, s1) nach einer Mindestverzögerungszeit anspricht, den Vorwiderstand (RV) kurzschließt und den normalen Betriebsstrom übernimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung des Kontaktstromes während der Prellzeit des Kontaktes einer Schaltvorrichtung.

Viele Verbraucher in der Autoelektronik, in der Industrie oder auch im Haushalt haben sehr hohe Anlaufströme, die die Schalteinrichtungen unnötig belasten.

So ist z. B. der Einschaltstrom bei Glühlampen 7-10 mal größer als der Dauerstrom. Dies hängt damit zusammen, dass die Glühdrahtwendel im kalten Zustand einen viel kleineren ohmschen Widerstand aufweist als bei Glühtemperatur.

Auch Transformatoren und Elektromotoren haben sehr hohe Einschaltströme, weil der induktive Widerstand außerordentlich klein ist, bis der Magnetisierungsstrom eine Gegeninduktion aufgebaut hat.

In der Automobilelektronik müssen häufig Glühlampen kurzfristig eingeschaltet und Servomotoren ein- oder umgeschaltet werden. Dabei entstehen hohe Einschaltströme, die den Halbleiterschalter oder die Schaltrelais stark belasten.

Die Relais müssen so stark ausgebildet sein, dass sie das Prellen der Kontakte und die dabei entstehenden Schaltfunken langfristig überstehen. Die Lebensdauer der Relais wird dabei im wesentlichen durch den Kontaktabbrand bestimmt.

Ganz allgemein benötigen die Kontakte von Starkstromrelais im Gegensatz zur Fernmelderelais einen gewissen Mindeststrom, um eine Selbstreinigung der Kontakte zu erzielen.

Wenn Relaiskontakte mit Halbleiterschaltern in Reihe liegen, könnte man die Relais ohne Strombelastung umschalten. Dieser sogenannte Trockenschalter hat aber den Nachteil, dass Oxid- oder Sulfidschichten auf den Kontaktoberflächen nicht zerstört werden, so dass es zu Aussetzern kommen kann.

Da man gerade in der KFZ-Technik größten Wert auf Langlebigkeit und Zuverlässigkeit legt, mussten bisher die Relais oder auch Halbleiterschalter so groß dimensioniert werden, dass sie die Einschaltströme sicher verkraften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit sehr geringem Aufwand derartige Schaltungen dahingehend zu verbessern, dass die Einschaltströme bis zum Abschluss des Schließvorganges der Kontakte entscheidend verringert werden, damit man mit kleineren Schaltvorrichtungen auskommt, ohne dabei die Selbstreinigung der Kontakte außer acht zu lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Reihe mit dem zu schützenden Kontakt ein Vorwiderstand geschaltet ist, der den Einschaltstrom aufnimmt und in der Höhe reduziert, bis eine zum Vorwiderstand parallel liegende Schaltvorrichtung nach einer Mindestverzögerungszeit anspricht, den Vorwiderstand kurzschließt und den normalen Betriebsstrom übernimmt.

Unter Schaltvorrichtung kann dabei sowohl ein elektromagnetisches Relais als auch ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Schalttransistor, verstanden werden. Der Widerstand wird so ausgewählt, dass er den Einschaltstromstoß auf einen Bruchteil reduziert und somit die Selbstreinigung der Kontakte gewährleistet. Die thermische Belastung des Widerstandes hängt davon ab, wie lange der relativ hohe Strom fließt und wie groß die nachfolgende Abkühlzeit ist, bevor ein neues Schaltspiel beginnt.

Der primäre Einschaltkontakt kann ein handbetätigter Schalter, ein Regelkontakt oder ein Schaltuhrkontakt sein. Typische Beispiele sind Druckschalter, Bimetallschalter oder Blinkrelais. Der Einschaltbefehl kann auch von einem Mikroprozessor ausgehen.

Als Verbraucher kommen entweder Glühlampen oder Elektromotoren infrage.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung sind Schaltungen mit Allstrommotoren, die mit Hilfe von zwei Relais in der Drehrichtung umgesteuert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Fig. 1-6 der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung mit Verzögerungsglied für einen monodirektional zu betreibenden Allstrommotor,

Fig. 2 eine Motorschaltung mit Mikroprozessor und zwei Relais,

Fig. 3 eine Motorschaltung mit Mikroprozessor, Relais und Halbleiterschaltung,

Fig. 4 eine Schaltung mit Mikroprozessor und Motorumschaltrelais,

Fig. 5 und 6 Diagramme.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung für einen mit einer Drehrichtung betriebenen Allstrommotor M. Mit B ist eine Gleichspannungsquelle bezeichnet, beispielsweise eine Autobatterie. In dem Stromkreis liegt der zu schützende Kontakt K, eine Schaltvorrichtung S mit einem Kontakt sl, ein dazu parallel liegender ohmscher Widerstand RV und in Reihe dazu ein Motor M. Die Schaltvorrichtung S wird von einem Zeitglied T gesteuert.

wird durch das Zeitglied T die Spule an Spannung gelegt. Die Schaltvorrichtung S zieht ihren Anker an und schließt den Kontakt s1. Die Ansprechzeit der Schaltvorrichtung wird so gewählt, dass die Prellzeit des primären Einschaltkontaktes K sicher verstrichen ist. Nach der Schließung des Kontaktes s1 steigt der Motorstrom infolge der voll anliegenden Spannung sprunghaft an und klingt dann nach einer e-Funktion auf den belastungsabhängigen Nennwert ab. Der Widerstand RV wird - da er kurzgeschlossen ist - stromlos und kann abkühlen.

Beim Öffnen des Kontaktes K gehen alle Werte auf Null und das Spiel kann neu beginnen. Hierbei ist ersichtlich, dass lediglich die Schaltvorrichtung 5 mit ihrem Kontakt s1 den erhöhten Anforderungen beim Einschalten der Last (Motor M) genügen muss. Der Einschaltkontakt K kann einfacher ausfallen, dass der Verschleiß durch Abbrand an den Kontakten vermieden wird.

In Fig. 2 ist ein Mikroprozessor MP vorgesehen, der die Spulen zweier Relais R1 und R2 steuert. In Reihe mit dem zu schützenden Einschaltkontakt r1 liegt die Parallelschaltung eines Vorwiderstandes RV und des Kontaktes r2.

Beim Schließen des Kontaktes r1 fließt ein relativ kleiner Strom über den Vorwiderstand RV und den in Reihe dazu liegenden Motor M. Wenn jetzt mit Zeitverzögerung über den Mikroprozessor MP das Relais R2 anspricht und seinen Kontakt r2 schließt, fließt ein tolerierbar hoher Anlaufstrom über den Motor M, der dann abklingt. Der Relaiskontakt r1 wird dabei nicht sonderlich belastet. Die Auswirkungen des Prellens am Kontakt r1 werden durch den Vorwiderstand RV gedämpft und gering gehalten.

Beim Kontakt r2 betvirkt die kurzzeitige Kontaktöffnung beim Prellen, dass die sich induktiv aufbauende erhöhte Spannung über den Widerstand RV ausgleichen kann. Die Verzögerungszeit für das Relais R2 wird so groß gewählt, dass sich inzwischen ein Gegenfeld im Motor aufbauen kann.

In Fig. 3 liegt der zu schützende Kontakt r1 eines Relais R1 in Reihe mit einem Vorwiderstand RV und dem Motor M. Parallel zu dem Vorwiderstand RV ist die Schaltstrecke eines Transistors Tl vorgesehen, der von dem Mikroprozessor MP verzögert angesteuert wird.

Beim Startsignal legt der Mikroprozessor MP die Spule des Relais R1 an Spannung. Sein Kontakt r1 schließt, so dass über Vorwiderstand RV und Motor M ein reduzierter Strom fließt. Erst wenn mit entsprechender Verzögerung der Transistor T1 durchgesteuert wird, nimmt der Motor M seinen nahezu vollständigen Anlaufstrom auf, der dann schnell auf seinen lastabhängigen Nennwert abklingt. Über den Vorwiderstand RV fließt dann nur noch ein sehr geringer Reststrom entsprechend dem kleinen Spannungsabfall am leitenden Transistor T1. Daraus ergibt sich, dass das Relais R1 eine schonendere Belastung seiner Kontakte erfährt und eine kleinere Bauform gewählt werden kann.

In Fig. 4 ist die Schaltung eines umsteuerbaren Motors M dargestellt. Ein Mikroprozessor MP legt alternierend die Spulen der Umschaltrelais R3 und R4 an Spannung. In der gezeichneten Ruhestellung schließen die Kontakte r3 und r4 die Wicklung des Motors M kurz. Wird das Relais R3 umgeschaltet, liegt die Motorklemme ml über den Vorwiderstand RV am Pluspol, die Klemme m2 am Minuspol.

Mit entsprechender Zeitverzögerung wird dann über den Transistor Tl der Vorwiderstand RV kurzgeschlossen und der Motor M liegt an der vollen Batteriespannung. Er läuft mit seinem Anlaufstrom an, wobei dieser Wert schnell auf den normalen Laststrom zurückgeht.

Um die Motordrehrichtung zu ändern, wird zunächst das Relais R 3 und der Transistor T1 abgeschaltet. Mit dem Rückfall des Kontaktes r3 in die gezeichnete Stellung wird der Motor infolge des Kurzschlusses an seiner Wicklung schnell abgebremst. Wenn der Transistor T1 noch kurz vor dem Relais R3 abgeschaltet wird, kann sich infolge des parallel liegenden Vorwiderstandes RV keine induktivitätsbedingte Abschaltspannung aufbauen. Auch die nachfolgende völlige Unterbrechung des Stromkreises durch das Umschalten des Kontaktes r3 löst keinen störenden Abschaltlichtbogen aus, weil der Strom bereits vorher stark reduziert wurde.

Um den Motor M in Gegenrichtung zu starten, wird das Relais R4 erregt und der Transistor T1 verzögert durchgeschaltet. Die Motorklemme m2 liegt dann am Pluspol, m1 am Minuspol.

In Fig. 5 sind die Strom- und Spannungsverläufe der Schaltung nach Fig. 1 aufgezeichnet. Die Kurve 1 stellt die Spannung U dar, die im Zeitpunkt t1 durch den Kontakt K zugeschaltet und im Zeitpunkt t5 ausgeschaltet wird.

Die Kurve 2 zeigt die Erregerspannung an der Schaltvorrichtung 5 an.

Der Motorstrom J wird durch die Kurve 3 abgebildet.

Wenn im Zeitpunkt t1 der Kontakt K geschlossen wird, steigt die Spannung U auf den Sollwert an. Zugleich fließt ein bei hohem Vorwiderstand geringer Motorstrom J1.

Beim Schließen des Kontaktes s1 zum Zeitpunkt t2 geht der Strom J steil nach oben, erreicht ein Maximum Jmax und fällt dann zum Zeitpunkt t3 auf den normalen Laststrom JL zurück. Wenn zum Zeitpunkt t4 der Kontakt s1 öffnet, fällt der Strom auf den Wert J1 zurück.

Dieser Wert könnte aber durch Verkleinerung des Vorwiderstandes RV auch leicht verdoppelt werden.

Zum Zeitpunkt t5 öffnet der Kontakt K und der Strom J geht auf Null zurück. Die leicht zitternde Grundlinie bei allen Kurven ist durch die Art der Messtechnik bedingt.

Wenn man das Strom und Spannungs-Zeit-Diagramm nach Fig. 5 zeitlich stärker auflöst, gelangt man zu Fig. 6.

Die Spannungskurve 1 zeigt ab dem Zeitpunkt t1 einige starke Schwankungen von Null auf Sollwert, die durch das Prellen des Kontaktes K ausgelöst werden. Dieser Schwankungszeitraum ist aber kleiner als eine Millisekunde. Nach dem Zeitpunkt t2 kann man an der Kurve 3 Schwankungen durch das Prellen des Kontaktes s1 feststellen.

Bezugszeichenliste

B Gleichspannungsquelle
M Motor
m1, m2 Motorklemmen
K Kontakt
S Schaltvorrichtung
s1 Kontakt der Schaltvorrichtung
T Zeitglied
RV Vorwiderstand
MP Mikroprozessor
R1, R2 Relais
r1, r2 Kontakte der Relais
T1 Transistor
R3, R4 Umschaltrelais
r3, r4 Kontakte der Umschaltrelais

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Reduzierung des Kontaktstromes während der Prellzeit des Kontaktes einer Schaltvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit dem zu schützenden Kontakt (K) ein Vorwiderstand (RV) geschaltet ist, der den Einschaltstrom aufnimmt und in der Höhe reduziert, bis eine zum Vorwiderstand (RV) parallel liegende Schaltvorrichtung (S, s1) nach einer Mindestverzögerungszeit anspricht, den Vorwiderstand (RV) kurzschließt und den normalen Betriebsstrom übernimmt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (S) durch ein Zeitglied (T) verzögert angesteuert wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltvorrichtung ein Mikroprozessor (MP) dient, der über einen unverzögerten Ausgang ein Relais (R1) einschaltet, das den Motor (M) über den Vorwiderstand (RV) speist und über einen verzögerten Ausgang ein Relais (R2) schaltet, das den Vorwiderstand (RV) kurzschließt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltvorrichtung ein Mikroprozessor (MP) dient, der den Vorwiderstand (RV) über ein Relais (R1) sofort einschaltet und diesen Vorwiderstand (RV) über einen Schalttransistor (T1) zeitverzögert kurzschließt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehrichtungsumsteuerung eines Motors (M) ein Mikroprozessor (MP) zwei Umschaltrelais (R3, R4) steuert, deren Umschaltkontakte (r3, r4) im Ruhezustand einen Motor (M) kurzschließen und mit dem einen Pol der Spannungsquelle (B) verbunden sind, während die offenen Elemente der Umschaltkontakte über einen Vorwiderstand (RV) und einen dazu parallel liegenden Schalter (T1) mit dem anderen Pol der Spannungsquelle (B) verbunden sind, dass zur Einschaltung des Motors (M) ein Relais (z. B. R3) umgeschaltet wird und dass der Vorwiderstand (RV) zeitverzögert mit Hilfe des parallel liegenden Schalters (T1) kurzgeschlossen wird.