DE102006060059A1

DE102006060059A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Elektromagnetanordnung zur Absenkung der Leistungsaufnahme

Info

Publication number: DE102006060059A1
Application number: DE200610060059
Authority: DE
Inventors: Frank Wieland Liebusch
Original assignee: Tyco Electronics AMP GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-07-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Elektromagnetanordnung mit mindestens zwei Spulen (K1, K2). Ein erster Anschluss (102) der ersten Spule (K1) ist mit einem ersten definierten Potential (U<SUB>B</SUB>+) verbindbar, und ein zweiter Anschluss (108) der zweiten Spule (K2) ist mit einem zweiten definierten Potential (U<SUB>B</SUB>-) verbindbar. Die Schaltungsanordnung umfasst einen ersten Ladekondensator (C1), der zwischen einen ersten Anschluss (102) der ersten Spule (K1) und einen ersten Anschluss (106) der zweiten Spule (K2) geschaltet ist, einen zweiten Ladekondensator (C2), der zwischen einen zweiten Anschluss (104) der ersten Spule (K1) und einen zweiten Anschluss (108) der zweiten Spule (K2) geschaltet ist, und eine Diode (D1), die den zweiten Anschluss (104) der ersten Spule (K1) mit demverbindet, dass sich bei Erreichen einer vorbestimmten Ladespannung an dem ersten und zweiten Ladekondensator eine leitende Verbindung über die Diode (D1) ausbildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Elektromagnetanordnung mit mindestens zwei Spulen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine derartige Schaltungsanordnung, durch welche die Leistungsaufnahme der Spulen und der Ansteuerschaltung reduziert werden kann.
Dabei kann die vorliegende Schaltungsanordnung vorteilhaft bei Relais mit monostabiler Schaltcharakteristik, aber auch bei der Anwendung in Schützen, Ventilen und ganz allgemein Solenoids zur mechanischen Aktuierung eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Leistungsaufnahme analoger Schaltungen zur Spannungsabsenkung von Relaisspulen weiter zu senken.
Generell kann die Verlustleistung an einer Relaisspule reduziert werden, indem die Versorgungsspannung abgesenkt wird. Hier kommt die Eigenschaft elektromechanischer Relais zum Tragen, dass nach dem vollständigen Schließen der Kontakt-/Ankereinheit zum Halten einer Schaltposition nur eine wesentlich geringere Spulenspannung und damit geringere Leistung ausreichend ist. Diese Spannung wird als Haltespannung bezeichnet. Dabei beträgt ein typischer Spannungswert für die Haltespannung die Hälfte der Nennspannung. Um ein Relais vom Ruhezustand in den Betriebszustand zu schalten, ist ein Startimpuls notwendig, dessen Amplitude und Zeitdauer durch die individuellen Relaisparameter bestimmt werden. Typische Impulsdauerwerte liegen bei klassischen Automobilrelais im Bereich von 30 ms, da auch der Prellvorgang des Kontakts innerhalb dieser Zeit abgeschlossen ist. Diese Maßnahme zur Reduktion der Spulenleistung hat keinen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Relais.
Bekannt ist, beispielsweise mittels RC-Kombinationen nach dem Anziehen eines Relais die Spulenansteuerspannung zu senken und auf diese Weise die Leistungsaufnahme zu vermindern. Schematisch ist eine solche Anordnung in 3 skizziert. Dabei verbraucht der Serienwiderstand R aber auch selbst Leistung und die Verlustleistung erzeugt Wärme, die in engen Gehäusen zu einer nicht tolerierbaren Überhitzung führen kann.
Eine andere Möglichkeit, die Leistungsaufnahme der Spule zu begrenzen, wird sowohl bei Schützen als auch bei Relais durch die Verwendung von zwei getrennten Wicklungssystemen verfolgt. Dabei kann durch Ab- oder Zuschalten von Windungen die Leistungsaufnah me an den Leistungsbedarf des Einschaltens und Haltens angepasst werden. Für das Umschalten ist ein interner Schaltkontakt notwendig. Beispielhaft ist eine solche Anordnung in 4 dargestellt.
Die Schützspule K besteht aus zwei getrennten Wicklungen, wobei zur Erhöhung des Anzugsstromes mittels eines in dem Schütz integrierten internen Hilfsschalters HS eine der Spulen temporär überbrückt wird. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass in aufwendiger Weise ein zusätzlicher Hilfsschalter vorgesehen werden muss, und somit die Baugröße und die Herstellungskosten zunehmen.
Monostabile Relais können aber auch mit getakteter Ansteuerspannung in Form von Pulsweitenmodulation (PWM) betrieben werden. Dabei speist man die Relaisspule mit einem bestimmten Impuls/Pausenverhältnis und stellt sicher, dass der Startimpuls ausreichend lang dimensioniert ist, um den im Ruhezustand wirksamen Ankerluftspalt abzubauen, d. h., das Relais zum Anzug zu bringen. Erst danach kann getaktet angesteuert werden. Die Ansteuerfrequenz ist so zu wählen, dass die durch die Trägheit des mechanischen Systems zu überbrückende Pausenzeit ohne Spulenkraft wesentlich kürzer ist als die angegebene Abfallzeit des verwendeten Relais.
Allerdings benötigt diese Lösung einen leistungsfähigen Mikrocontroller in Kombination mit Relaistreibern und steht so der Forderung nach möglichst geringer Baugröße entgegen.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, eine möglichst einfache, kostengünstige und effektive Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Elektromagnetanordnung anzugeben, die eine weitere Reduktion der Verlustleistung an der Steuerspule ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, dass zwei simultan zu betreibende Spulen unter Verwendung zweier Ladekondensatoren und einer Diode so angesteuert werden können, dass die Gesamtstromaufnahme auf den Haltewert des Relais begrenzt wird. Auf diese Weise kann ohne Verwendung verlustbehafteter Bauteile oder komplizierter Ansteuerschaltungen die erforderliche Haltespannung eingehalten und somit die Wärmeentwicklung und die Verlustleistung in der Gesamtanordnung signifikant reduziert werden.
Erfindungsgemäß sind im Augenblick des Einschaltens die beiden Spulen über die Ladekondensatoren C1 und C2 unmittelbar parallel geschaltet. Sobald aber die Kondensatoren etwa je zur Hälfte der Höhe der Betriebsspannung geladen sind, schaltet erfindungsgemäß die Diode durch und die beiden Relaispulen sind nunmehr in Serie geschaltet, was die Gesamtstromaufnahme in der erfindungsgemäßen Weise auf den erforderlichen Haltewert des Relais begrenzt.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung können optional erste und zweite Zener-Dioden sowie zu den Kondensatoren parallel geschaltete Entladewiderstände vorgesehen sein, die das Entladen der Kapazitäten über die Spulen während des Abschaltens verhindern und damit in vorteilhafter Weise die Rückfallzeit des Relais vermindern.
Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in ihrer allgemeinsten Form;
2 ein Schaltbild einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Schaltbild einer bekannten RC-Beschaltung einer Spule;
4 ein Schaltbild einer bekannten Schaltung zur Energieabsenkung in Schätzspulen.
Mit Bezug auf die Figuren soll die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung im Folgenden näher erläutert werden. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in ihrer einfachsten Form. Dabei bezeichnen die beiden Spulen K1, K2 beispielsweise zwei Relaisspulen. Alternativ können diese Spulen aber auch als Ansteuerspulen von Ventilen oder mechanischen Aktoren dienen.
Weiterhin lässt sich die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung selbstverständlich auch auf zwei Spulen K1, K2 anwenden, die für separate Bauteile zuständig sind. Wesentlich ist dabei nur, dass die beiden Spulen simultan angesteuert werden. Wie aus 1 ersichtlich, ist ein erster Anschluss 102 der Spule K1 über einen schematisch dargestellten Schalter S mit der positiven Betriebsspannung U_B+, hier 24 Volt, verbindbar. Der zweite Anschluss 104 der Spule K1 wird über einen Kondensator C2 an die negative Betriebsspannung geführt. Der Schalter S kann beispielsweise ein Halbleiterschalter sein.
Der erste Anschluss 106 der zweiten Spule K2 ist über den Kondensator C1 mit dem ersten Anschluss 102 der Spule K1 verbunden. Der zweite Anschluss 108 der zweiten Spule K2 ist mit dem negativen Potential U_B– verbindbar. Der zweite Anschluss 104 der Spule K1 und der erste Anschluss der Spule K2 sind miteinander über die Diode D1 verbunden und zwar so, dass der erste Anschluss der Spule K2 mit der Kathode der Diode D1 verbunden ist.
Auf diese Weise wird erreicht, dass beim Schließen des Schalters S im Einschaltmoment die beiden Relaisspulen K1 und K2 über die Ladekondensatoren C1 und C2 zueinander parallel geschaltet sind. Sobald die Kondensatoren etwa je zur Hälfte der Höhe der Betriebsspannung geladen sind, schaltet die Diode D1 durch und die beiden Relaisspulen K1 und K2 sind in Serie geschaltet. Dies begrenzt die Gesamtstromaufnahme auf den Haltewert des Relais. In vorteilhafter Weise können die Ladekondensatoren für Miniaturschaltrelais einen Wert von beispielsweise 100 μF aufweisen. Allerdings ist für einen Fachmann klar, dass für größere Relais oder Schütze entsprechend andere Werte verwendet werden müssen und dass es jeweils Bestandteil der Anpassung der Schaltung an das anzusteuernde elektromechanische Element ist, die Kondensatoren, Widerstände und Diode(n) geeignet zu dimensionieren.
Die in 2 gezeigte Schaltung ist um die beiden Zener-Dioden ZD1 und ZD2, die jeweils in Serie zu den Ladekondensatoren C1 und C2 liegen, erweitert. Zwei Widerstände R1 und R2 sind jeweils parallel zu den Kondensatoren C1 und C2 geschaltet. Diese optionalen Bauelemente verhindern in vorteilhafter Weise ein Entladen der Kapazitäten C1, C2 über die Spulen K1, K2 beim Abschalten. Auf diese Weise kann die Rückfallzeit eines Relais vermindert werden.
Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht beispielsweise im Vergleich zu den bekannten RC-Absenkungsschaltungen eine Leistungseinsparung durch den Wegfall des Serienwiderstandes, der auch als Haltewiderstand bezeichnet wird, und hat gegenüber den bei Schützen üblichen Lösungen mit einer Anzugsspule den Vorteil, dass der Schalter zum Ab- bzw. Umschalten der Anzugsspule entfallen kann.
Durch die erfindungsgemäße Leistungsreduzierung im Ansteuerkreis kann zum einen die Verlustwärme reduziert werden, zum anderen kann generell, beispielsweise für einen Einsatz in batteriebetriebenen Geräten, der Leistungsverbrauch gering gehalten werden.

Weiterhin lässt sich zeigen, dass die optionalen parallelgeschalteten Entladewiderstände R1 und R2 den Vorteil der Leistungsreduktion im Vergleich zu der RC-Beschaltung nur unwesentlich relativieren, da in der Regel der Wert der Entladewiderstände gegenüber dem Wert des bei der RC-Beschaltung verwendeten Serienwiderstands sehr groß dimensioniert werden kann. Bezugszeichenliste:

100	Schaltungsanordnung
102	erster Anschluss der ersten Spule
104	zweiter Anschluss der ersten Spule
106	erster Anschluss der zweiten Spule
108	zweiter Anschluss der zweiten Spule
K1	erste Spule
K2	zweite Spule
C1	erster Ladekondensator
C2	zweiter Ladekondensator
D1	Diode
S	Schalter
U_B	Betriebsspannung
ZD1	erste Zener-Diode
ZD2	zweite Zener-Diode
R1	erster Parallelwiderstand
R2	zweiter Parallelwiderstand
HS	interner Hilfsschalter
R	Serienwiderstand
C	Kapazität der RC-Beschaltung
K	Schützspule

Claims

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Elektromagnetanordnung mit mindestens zwei Spulen (K1, K2), wobei ein erster Anschluss (102) der ersten Spule (K1) mit einem ersten definierten Potential (U_B+) verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss (108) der zweiten Spule (K2) mit einem zweiten definierten Potential (U_B–) verbindbar ist, und wobei die Schaltungsanordnung umfasst: einen ersten Ladekondensator (C1), der zwischen einem ersten Anschluss (102) der ersten Spule (K1) und einen ersten Anschluss (106) der zweiten Spule (K2) geschaltet ist, einen zweiten Ladekondensator (C2), der zwischen einen zweiten Anschluss (104) der ersten Spule (K1) und einen zweiten Anschluss (108) der zweiten Spule (K2) geschaltet ist, und eine Diode (D1), die den zweiten Anschluss (104) der ersten Spule (K1) mit dem ersten Anschluss (106) der zweiten Spule (K2) so verbindet, dass sich bei Erreichen einer vorbestimmten Ladespannung an dem ersten und zweiten Ladekondensator eine leitende Verbindung über die Diode (D1) ausbildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine erste Zener-Diode (ZD1), die zwischen dem ersten Anschluss (102) der ersten Spule (K1) und dem ersten Kondensator (C1) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend eine zweite Zener-Diode (ZD2), die zwischen dem zweiten Anschluss (108) der zweiten Spule (K2) und dem zweiten Kondensator (C2) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin umfassend einen ersten Parallelwiderstand (R1), der parallel zu dem ersten Ladekondensator (C1) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin umfassend einen zweiten Parallelwiderstand (R2), der parallel zu dem zweiten Ladekondensator (C2) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Spulen (K1, K2) Teil mindestens einer Relaisanordnung sind.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste Anschluss (102) der ersten Spule (K1) mit dem ersten definierten Potential (U_B+) über einen Halbleiterschalter (S) verbindbar ist.
Relaisanordnung mit mindestens zwei Spulen, weiterhin umfassen eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zu Ansteuern der Spulen.
Relaisanordnung nach Anspruch 8, wobei die beiden Spulen (K1, K2) in einem gemeinsamen Relaisgehäuse angeordnet sind.
Relaisanordnung nach Anspruch 8, wobei die beiden Spulen (K1, K2) in voneinander getrennten Relaisgehäusen angeordnet sind.