DE10122662A1

DE10122662A1 - Relais mit Temperatursensor

Info

Publication number: DE10122662A1
Application number: DE2001122662
Authority: DE
Inventors: Ernst Ulrich Berndt; Markus Huettinger; Angelo Polese
Original assignee: Tyco Electronics AMP GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2001-11-15

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Relais mit Temperatursensor anzugeben, welches ohne zusätzliche Sensorelemente auskommt und mit dem sowohl Umgebungstemperatur als auch Relaistemperatur gemessen werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Relaisspule (1) selbst als Temperatursensor dient und der temperaturabhängige Spulenwiderstand mittels eines Meßwiderstands (4) im Erregerstromkreis (3) gemessen wird. Solche Relais eignen sich beispielsweise zur 2-Punkt-Temperaturregelung oder zum Schutz des Relais vor thermischer Überlastung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Relais mit Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur beziehungsweise der lokalen Relaistemperatur.

Aus zahlreichen Anwendungen sind Schaltungsanordnungen bekannt, welche sowohl eine Relais-Schaltfunktion, als auch eine Erfassung der Temperatur aufweisen. Beispielsweise werden zum Betrieb eines elektrischen Heizlüfters 2-Punkt- Regler eingesetzt, welche die Umgebungstemperatur, das heißt die Regelgröße, erfassen, diese mit einer Soll-Temperatur vergleichen, und bei Unterschreiten einer bestimmten Mindesttemperatur, beispielsweise mittels eines Netzrelais, die elektrische Last, das heißt den Heizlüfter, einschalten und bei Überschreiten eines bestimmten Höchstwertes der Temperatur die elektrische Last abschalten.

Es ist außerdem bekannt, eine lokale Relaistemperatur mittels eines Temperatursensors zu erfassen. Dabei wird ein Temperatursensor im thermischen Kontakt mit einem Relais angeordnet. Abhängig von der Relaistemperatur kann das Relais zum Schutz vor Überlastung bei Überschreiten eines bestimmten Maximalwertes der Temperatur abgeschaltet werden.

Aus der DE 39 25 767 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromechanischen Relais bekannt, bei dem der durch die Erregerwicklung fließende Strom nach dem Anziehen des Ankers reduziert wird, ohne daß der Anker in seine Ruhestellung zurückfällt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, die Verlustleistung in der Erregerwicklung eines elektromechanischen Relais erheblich zu reduzieren. Damit kann die Eigenerwärmung des Relais deutlich herabgesetzt werden. Bei diesem Verfahren müssen sowohl die Spannung, als auch der durch die Erregerwicklung fließende Strom erfaßt werden. Außerdem muß das Überschreiten der Spannung über eine vorgegebene Mindestspannung, sowie das Überschreiten des durch die Erregerwicklung fließenden Stromes über einen vorgegebenen Mindeststrom überwacht werden.

Auch in der Druckschrift DE 40 26 427 C1 ist eine Schaltungsanordnung angegeben, mit dem Ziel, die Verlustwärme des Relais zu reduzieren. Bei dieser Schaltungsanordnung ist ein Stromsensor erforderlich, der auf einen Spannungsregler einwirkt, so daß der Spannungsregler bei der Ansteuerung einer Gruppe von Relais jeweils beim Anschalten eines Relais kurzzeitig eine erhöhte Ansprechspannung erzeugt.

Die Druckschrift EP 0392058 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines elektromagnetischen Relais. Ziel dieser Schaltungsanordnung ist es, eine Ansteuerschaltung für Relais anzugeben, mit der eine beliebige Anzahl von Relais so angesteuert werden kann, daß jeweils die sichere Halteerregung gewährleistet, jedoch ein übermäßiger Leistungsverbrauch und damit eine unerwünschte Wärmeentwicklung vermieden werden kann. Hierbei ist ein elektronischer Schalter vorgesehen, welcher an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und impulsweise durchgeschaltet und gesperrt wird, wobei das Tastverhältnis in einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung und von der Umgebungstemperatur des Relais eingestellt wird. Als Temperatursensor ist eine Referenzspule offenbart, die im thermischen Kontakt mit dem Relais angeordnet und parallel zu den Erregerwicklungen an die Betriebsspannung angeschaltet ist. Es ist weiterhin eine Stromüberwachung offenbart, mittels derer der durch die Referenzspule fließende Strom überwacht und zur Festlegung des Tastverhältnisses ausgewertet wird. Weiterhin ist ein in den Kreis der Referenzspule eingeschalteter Meßwiderstand angegeben, mittels dessen die Stromüberwachung erfolgt.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Relais mit Temperatursensor anzugeben, bei dem der Temperatursensor so in das Relais integriert ist, daß keine zusätzlichen Sensor-Bauelemente erforderlich sind.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel mit einem Relais mit Temperatursensor erreicht, das folgende Merkmale aufweist:

- ein Elektromagnetsystem mit mindestens einer Spule, min destens einen Schaltkontakt, der mittels des Elektromagnet systems betätigbar ist, eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Elektromagnetsystems, die über einen Erregerstromkreis mit dem Elektromagnetsystem gekoppelt ist, mindestens eine Meßeinrichtung zur Erfassung des elektrischen Widerstands der mindestens einen Spule und zur Bereitstellung mindestens eines Meßsignals, wobei das mindestens eine Meßsignal der Steuer- und Auswerteeinheit zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Relais besitzt eine Erregerspule, deren ohmscher Widerstand mit der Spulentemperatur zunimmt. Gemäß der angenäherten Beziehung R_t = R_o × (1 + α × T) für metallische Leiter ergibt sich beispielsweise für Kupfer (α ungefähr gleich 4 × 10^-3K^-1) bei einer Temperaturerhöhung um 100 Kelvin eine Widerstandszunahme von ca. 25%. Dabei ist T die Temperatur in Kelvin, α ein vom Material abhängiger Temperaturkoeffizient, R_o der Widerstand bei Normbedingungen, und R_t der Widerstand bei der Temperatur T. Mittels einer Erfassung des Innenwiderstands der Relaisspule ist es also möglich, auf die Relaistemperatur rückzuschließen. Die gleichzeitige Benutzung der Erregerspule als Temperatursensor ist deshalb besonders vorteilhaft, weil hierdurch ein zusätzliches Sensor-Bauelement zur Temperaturerfassung entfallen kann. Eine meist ohnehin vorhandene Steuereinheit des Relais kann in einfacher Weise so erweitert werden, daß ein Meßsignal des elektrischen Spulenwiderstands ausgewertet und zur Beeinflussung der Ansteuerung des Elektromagnetsystems benutzt werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auch im erregten Zustand der Spule eine Temperaturmessung möglich. Dabei kann zum einen die Relaistemperatur selbst gemessen werden. Zum anderen ist es aber auch möglich, eine Differenztemperatur zu bilden zwischen der Eigenerwärmung der Spule und der Umgebungstemperatur, so daß auf die wahre Umgebungstemperatur zurückgeschlossen werden kann. Hierzu kann beispielsweise in einem Speicher eines als Steuer- und Auswerteeinheit dienenden Mikrocontrollers der bei einer bestimmten Umgebungstemperatur beobachtbare Temperaturverlauf des Relais abgelegt sein.

Eine Temperaturmessung kann in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Erfindung im erregten Zustand der Spule dazu verwendet werden, das Relais vor Überlastung zu schützen, in dem bei Erreichen einer bestimmten, kritischen Temperatur das Relais abgeschaltet wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann eine Temperaturmessung am Relais im erregten Zustand zur Reduzierung der Verluste im Erregerkreis und damit zur Reduzierung der Verlustwärme des Relais dienen. Hierzu wird der Erregerstromkreis des Relais in kurzen, aufeinanderfolgenden Intervallen unterbrochen (Chopping- Betrieb).

Außerdem kann in einer vorteilhaften Ausführungsform das Relais mit Temperatursensor in einfacher Weise zur Realisierung eines 2-Punkt-Reglers verwendet werden. Dabei wird das Relais bei Unterschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle ein-, und bei Überschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle ausgeschaltet.

Eine optische Schnittstelle mit Sende- und Empfangsteil kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kommunikation des Relais mit Temperatursensor nach außen ermöglichen. So kann beispielsweise die Relaistemperatur über eine Infrarot-Sendediode ausgelesen werden. Über einen Empfänger können beispielsweise Schwellwerte für Mindest- beziehungsweise Höchsttemperaturen vorgegeben beziehungsweise Kalibrierwerte eingegeben werden.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Die prinzipielle Schaltungsanordnung eines Relais mit Temperatursensor in einem Blockschaltbild,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Relais mit Temperatursensor mit Mikrocontroller und optischer Schnittstelle.

In Fig. 1 ist ein Elektromagnetsystem mit einer Spule 1, welches auf einen Schaltkontakt 2 wirkt, vereinfacht dargestellt. Eine Steuer- und Auswerteeinheit 6 ist über einen Erregerstromkreis 3 mit dem Elektromagnetsystem gekoppelt. Die Spannungsversorgung der Steuer- und Auswerteeinheit 6 ist mit den Versorgungsanschlüssen UB und GND realisiert. Zur Erfassung des elektrischen Widerstands der Spule 1 ist ein Meßwiderstand 4 (Shunt) in Serie in den Erregerstromkreis 3 geschaltet. Über diesem Meßwiderstand 4 ist nun ein Meßsignal abgreifbar, welches vom Widerstand der Spule 1 abhängt. Dieser Spulenwiderstand wiederum ist temperaturabhängig. Zur Erfassung des Innenwiderstands der Spule ist es statt der Verwendung eines Meßwiderstands auch denkbar, eine magnetische Flußmessung mit einer Feldplatte durchzuführen. Das Meßsignal wird aufbereitet und der Steuer- und Auswerteeinheit 6 zugeführt. Zur Aufbereitung des Meßsignals können beispielsweise Verstärker 5 zur Verstärkung des Meßsignals eingesetzt werden, oder das Meßsignal kann gepuffert werden. Über eine Ein- und Ausgabeschnittstelle I/O ist eine Kommunikation des Relais mit beispielsweise einem seriellen Bussystem möglich. Werden über die Ein- und Ausgabeschnittstelle I/O beispielsweise Minimal- und Maximal- Sollwerte für Temperatur vorgegeben, so kann mit der beschriebenen, prinzipiellen Schaltungsanordnung in einfacher Weise ein 2-Punkt-Temperaturregler realisiert werden. In diesem Fall ist lediglich an den Schaltkontakt 2 eine Heizung, beispielsweise ein Heizlüfter, anzuschließen. Weitere Bauteile sind jedoch nicht erforderlich.

Fig. 2 zeigt einen Schaltplan einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Relais mit Temperatursensor. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Temperaturmessung im Relais nicht nur bei unerregter, sondern auch bei erregter Relaisspule möglich. Über einen Optokoppler Opto 1 ist das Relais RS an die DC-Versorgungsspannung +12 V angeschlossen. Über den Widerstand R2 (100 Ohm), der an Masse GND angeschlossen ist, ist der Erregerstromkreis geschlossen. Ein Mikrocontroller MC dient zur Ansteuerung des Optokopplers Optol und damit zur Steuerung des Relais RS.

Wenn beim Einschalten des Relais der Optokoppler Optol durchschaltet, fließt ein Erregerstrom durch den Widerstand R2, an dem eine Spannung abfällt, die temperaturabhängig ist. Mit dem Operationsverstärker OP3 wird dieses Spannungssignal gepuffert und einem Analogeingang an Pin 3 des Mikrocontrollers zugeleitet. Der Mikrocontroller ordnet der Spannung ein Temperatursignal zu. In dem Mikrocontroller MC können beispielsweise Korrekturtabellen abgelegt sein, mittels derer das Temperatursignal in eine tatsächliche Temperatur umgewandelt werden kann.

Im unerregten Relaiszustand sperrt der Optokoppler Opto 1. In diesem Fall fließt ein Strom aber durch den parallel zum Optokoppler angeordneten Widerstand R1 (10 Kiloohm). Der auf diesem Weg zur Spule des Relais RS gelangende Strom reicht aber nicht aus, um die Relaisspule zu erregen. Über den Widerstand R4 (1 Kiloohm) wird aber auch im unerregten Relaiszustand eine relaistemperaturabhängige Spannung erfaßt. Dieses temperaturabhängige Spannungssignal wird wiederum in einem weiteren Operationsverstärker OP2 gepuffert und an einen weiteren Analogeingang an Pin 7 des Mikrocontrollers weitergeleitet. Die Eingangsspannung des Operationsverstärkers OP2 wird mit der Zener-Diode D1 auf 2,7 V begrenzt. Im Mikrocontroller MC können die Temperatursignale des erregten beziehungsweise unerregten Relaiszustandes ausgewertet werden. Die Relaistemperatur im erregten Zustand kann beispielsweise zum Schutz des Relais vor Überlast eingesetzt werden, wobei dieses Temperatursignal ständig mit einem im Mikrocontroller ablegbaren Temperatur- Grenzwert verglichen wird. Ein solcher Grenzwert ist beispielsweise über eine Kommunikations-Schnittstelle des Mikrocontrollers eingebbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine optische Sende- und Empfangsschnittstelle mit einer Infrarot-Sendediode D2 und einem Fototransistor T1, die jeweils über einen Vorwiderstand R5 (220 Ohm) beziehungsweise R6 (30 Kiloohm) geschützt sind, realisiert. Der Mikrocontroller MC sowie die optischen Sende- und Empfangsbausteine D2, T1 und der Optokoppler Optol sind an eine +5 V Spannungsversorgung angeschlossen, der Optokoppler Opto 1 über einen Widerstand R3 (330 Ohm).

Ein weiterer möglicher Anwendungsfall der Temperaturmessung im erregten Zustand ist die Reduzierung von Verlustwärme im Erregerkreis. Sobald die Relaistemperatur, die vom Mikrocontroller MC erfaßt wird, einen einstellbaren Wert überschreitet, wird über den Optokoppler Opto 1 der Erregerstromkreis in kurzen, aufeinanderfolgenden Intervallen unterbrochen, wobei aufgrund der Trägheit des Elektromagnetsystems, der Anker nicht abfällt. Durch einen solchen Chopping-Betrieb kann die Verlustwärme im Relais reduziert werden.

Die zur Bildung eines erfindungsgemäßen Relais mit Temperatursensor erforderliche elektronische Schaltung, die eine Steuer- und Auswerteeinheit 6 aufweist, kann in einem Relaisgehäuse angeordnet sein. Als eine Alternative ist es aber auch möglich, zumindest Teile einer elektronischen Schaltung außen auf einem Relaisgehäuse anzuordnen. Hierfür kann beispielsweise das Kunststoff-Gehäuse zur Herstellung von Leiterbahnen zumindest teilweise galvanisiert und laserstrukturiert oder geätzt sein, oder ein Gehäuse mit Leiterbahnen wird in einem MID- (moulded interconnect device) Verfahren durch Umspritzen gebildet.

Bezugszeichenliste

1

Spule

2

Schaltkontakt

3

Erregerstromkreis

4

Meßwiderstand

5

Operationsverstärker

6

Steuer- und Auswerteeinheit

10

Lastpin

11

Lastpin
+5 V DC-Versorgungsspannung
+12 V DC-Versorgungsspannung
D1 Z-Diode
D2 Infrarot-Diode
GND Masse
I/O Schnittstelle
MC Mikrocontroller
Opto

1

Optokoppler
OP2 Operationsverstärker
OP3 Operationsverstärker
RS Relais
R1 Widerstand
R2 Widerstand
R3 Widerstand
R4 Widerstand
R5 Widerstand
R6 Widerstand
T1 Fototransistor
UB Versorgungsspannung

Claims

1. Relais mit Temperatursensor, das folgende Merkmale aufweist:
ein Elektromagnetsystem mit mindestens einer Spule (1),
mindestens einen Schaltkontakt (2), der mittels des Elektromagnetsystems betätigbar ist,
eine Steuer- und Auswerteeinheit (6) zur Ansteuerung des Elektromagnetsystems, die über einen Erregerstromkreis (3) mit dem Elektromagnetsystem gekoppelt ist,
mindestens eine Meßeinrichtung (4) zur Erfassung des elektrischen Widerstands der mindestens einen Spule (1) und zur Bereitstellung mindestens eines Meßsignals,
wobei das mindestens eine Meßsignal der Steuer- und Auswerteeinheit (6) zugeführt und mit einem zugeordneten Temperaturwert verknüpft wird.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (4) ein Meßwiderstand in Serie im Erregerstromkreis (3) ist.

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (6) einen Mikrocontroller (MC) aufweist.

4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (6) eine optische Schnittstelle (I/O) aufweist.

5. Relais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im erregten Zustand der mindestens einen Spule (1) in der Steuer- und Auswerteeinheit (6) eine Differenztemperatur bildbar ist zwischen Eigenerwärmung der mindestens einen Spule (1) und Umgebungstemperatur, mittels in einem Speicher des Mikrocontrollers (MC) abgelegter, von den Kenndaten des Relais abhängiger Funktionen.

6. Relais nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (6) das Relais bei Unterschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle einschaltet und bei Überschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle abschaltet, und daß sich in einem an den mindestens einen Schaltkontakt (2) angeschlossenem Lastkreis eine Heizung befindet.

7. Relais nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (6) den Erregerstromkreis (3) des Relais in einem erregten Zustand bei Überschreiten einer einstellbaren Temperaturschwelle in kurzen, aufeinanderfolgenden Intervallen unterbricht.

6. Relais nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (6) das Relais bei Erreichen einer bestimmten, kritischen Temperaturschwelle abschaltet.