DE102008023626A1

DE102008023626A1 - Relaissteuerung zur Steuerung eines Erregerstromes eines Relais

Info

Publication number: DE102008023626A1
Application number: DE102008023626A
Authority: DE
Inventors: Michael Lenz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: DE102008023626B4; US20090284889A1; US8040654B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Relaissteuerung (500) zum Steuern eines Erregerstromes eines Relais (300), wobei die Relaissteuerung (500) dazu ausgebildet ist, beim Bestromen des Relais (300) durch einen Schalter (210, 211, 221) den Erregerstrom durch die Erregerwicklung (310) des Relais (300) derart zu steuern, dass durch die Erregerwicklung (310) zuerst ein Anzugsstrom fließt und nach Ablauf einer Anzugszeit durch die Erregerwicklung ein Haltestrom fließt, der kleiner ist als der Anzugsstrom, und wobei die Relaissteuerung (500) dazu ausgebildet ist, beim Ausschalten des Relais durch den Schalter (210, 211, 221) einen Abkommutierstrom, der durch die Erregerwicklung (310) fließt, durch den ersten (501) und durch den zweiten Anschluss (502) der Relaissteuerung (500) der Abkommutiervorrichtung (400) zuzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Relaissteuerung zur Ansteuerung einer Erregerwicklung eines Relais und eine Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten.
Beim Einsatz von Relais werden High-Side- oder Low-Side-Schalter eingesetzt, die eine Erregerwicklung des Relais an die Betriebsspannung schalten. Der Begriff High-Side bzw. Low-Side kennzeichnet hierbei die Lage des Schalters relativ zur Last, die in diesem Falle die Erregerwicklung des Relais ist. Ein High-Side-Schalter ist mit einem Anschluss mit einer Batterie verbunden, ein Low-Side-Schalter ist mit einem Anschluss mit einem Bezugpotential, meistens Masse, verbunden. Ein Relais mit einem High-Side-Schalter ist in 1 dargestellt. Der Strom durch die Erregerwicklung wird zum Beispiel bei Automobilanwendungen durch den Spulenwiderstand der Erregerwicklung begrenzt. Die Nachteile solcher Anordnungen sind der hohe Stromverbrauch nach dem Einschalten, die hohen Kosten der Erregerwicklung und die hohe Induktivität der Erregerwicklung. Die hohe Induktivität der Erregerwicklung, die durch die vielen Wicklungen mit einem dünnen hochohmigen Draht entsteht, erschwert das Abkommutieren des Relais, ein langsames Abfallen der Relaisarbeitskontakte des Relais ist die Folge. Durch das langsame Abfallen der Sekundärseite des Relais kann eine Funkenbildung an den Relaisarbeitskontakten des Relais ermöglicht werden. Diese Funkenbildung beeinträchtigt in erheblichem Maße die Lebensdauer des Relais.
Eine stromsparende Relaisansteuerung senkt den Strom nach dem Anziehen des Relais-Ankers, also kurz nach dem Einschalten, ab, um so die Leistungsaufnahme des eingeschalteten Relais zu vermindern. Eine solche Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Relais wird in DE4410819 gezeigt. In DE4410819 überbrückt ein Schalter T1 einen Haltewiderstand R4, der den Haltestrom der Erregerwicklung des Relais einstellt. Durch das Überbrücken des Widerstandes R4 steht im ersten Moment des Einschaltens der Erregerwicklung ein größerer Anzugsstrom zur Verfügung.
Zum Abkommutieren muss über die Erregerwicklung eine Abkommutierspannung entgegen der Stromrichtung angelegt werden, je größer diese Abkommutierspannung ist, umso schneller wird die Energie der Erregerwicklung abgebaut, umso schneller wird die Abkommutierung. Zum Abkommutieren kann eine revers über der Erregerwicklung geschaltete Diode dienen, so dass der Abkommutierstrom durch die dann leitende Diode fließen kann, wie es in 3 dargestellt ist. Die Diode hat den Nachteil, dass eine Diode in Durchflussrichtung nur eine geringe Abkommutierspannung über der Erregerwicklung zulässt, so dass die Abkommutierung langsam erfolgt. Zum Abkommutieren kann auch, wie in 3 dargestellt ist, eine Zenerdiode dienen, die so mit der Erregerwicklung des Relais verbunden ist, dass der Abkommutierstrom durch die durchbrechende Zenerdiode fließen kann. Eine Zenerdiode hat den Nachteil einer sehr hohen Verlustleistung. Außerdem wird ein hoher Anteil an Energie der Batterie entnommen und zusätzlich zu der Energie in der Wicklung im Schalter umgesetzt.
Zum Abkommutieren kann auch, wie in 3 dargestellt, ein Widerstand dienen, so dass der Abkommutierstrom durch den parallel zur Erregerspule verbundenen Widerstand fließen kann. Ein Widerstand lässt eine hohe Spannung an der Erregerwicklung zu. Je größer die Spannung an der Erregerwicklung gewählt wird, desto schneller vermindert sich der Erregerstrom. Bei einer hohen Abkommutierspannung an der Erregerspule öffnen sich die Relaiskontakte schneller als bei einer niedrigen Abkommutierspannung. Ein schnelles Öffnen der Relaiskontakte vermindert einen Abbrand an den Relaiskontakten. Ein Widerstand hat den Nachteil, dass kurz nach dem Abschalten ein hoher Spannungsimpuls entsteht, welcher nur mit teuren Hochvolthalbleiterschaltern zu beherrschen ist. Ein Widerstand hat den weiteren Nachteil, dass bei einem eingeschalteten Relais Strom durch den Widerstand fließt.
Insbesondere im Automobil, bei dem der Benzinverbrauch direkt vom Strombedarf der verwendeten Elektronik abhängt, werden Lösungen, die den Stromverbrauch der Elektronik und damit den CO2-Ausstoss des Automobils senken, preisgünstig zu fertigen sind und eine lange Lebensdauer aufweisen, wichtig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Relaissteuerung, beziehungsweise eine Relaisvorrichtung bereitzustellen, bei denen der Erregerstrom eines Relais auf einfache Weise stromsparend gesteuert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Relaissteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Relaisvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte Ausführungsformen.
Die Relaissteuerung zur Steuerung eines Erregerstrom eines Relais umfasst einen ersten Anschluss, der mit einer Erregerwicklung des Relais verbunden ist, einen zweiten Anschluss, der mit einer Abkommutiervorrichtung des Relais verbunden ist, wobei die Relaissteuerung beim Anschalten des Relais den Erregerstrom durch die Erregerwicklung des Relais derart steuert, dass durch die Erregerwicklung zuerst ein Anzugsstrom fließt und nach Ablauf einer Anzugszeit durch die Erregerwicklung ein Haltestrom fließt, der kleiner ist als der Anzugsstrom und wobei die Relaissteuerung beim Ausschalten des Relais einen Abkommutierstrom, der durch die Erregerwicklung fließt, durch den ersten und durch den zweiten Anschluss der Relaissteuerung der Abkommutiervorrichtung zuführt.
Die Relaissteuerung liegt vorzugsweise im Freilaufpfad des Relais. Die Relaissteuerung steuert den zeitlichen Ablauf des Anzugsvorganges des Relais. Schaltet der High-Side-Schalter oder der Low-Side-Schalter den Relais-Kreis ab, leitet die Relaissteuerung den Freilaufstrom, bzw. den Abkommutierstrom zur Abkommutiervorrichtung. Die Spannungen an den Anschlüssen der Relaissteuerung bleiben auf niedrige Werte begrenzt. Der schalterseitige Anschluss der Erregerwicklung kann dagegen frei ausschwingen, wobei sein Spannungshub vorzugsweise durch die Durchbruchspannung des Schalters begrenzt ist. Es können auch mechanische oder andere preiswerte Schalter eingesetzt werden.
Die Relaissteuerung kann dazu ausgebildet sein, den Erregerstrom erst dann zu steuern, nachdem ein Strom, der nach dem Einschalten des Schalters durch die Abkommutiervorrichtung in den zweiten Anschluss fließt, die Relaissteuerung bestromt. Die Abkommutiervorrichtung muss dazu den Fluss des vom Schalter geschalteten Stroms zur Relaissteuerung ermöglichen. Dazu kann zum Beispiel die Abkommutiervorrichtung als Widerstand ausgebildet sein. Nach dem Einschalten des Schalters fließt zuerst Strom über die Abkommutiervorrichtung durch den zweiten Anschluss in die Relaissteuerung und startet dadurch diese. In diesem Moment kann von der Relaissteuerung kein Erregerstrom bereitgestellt werden. Nachdem die Relaissteuerung betriebsbereit ist, kann auch der Erregerstrom bereitgestellt werden.
Die Relaissteuerung kann dazu ausgebildet sein, den Strom, der nach dem Bestromen des Relais durch den Schalter durch die Abkommutiervorrichtung in den zweiten Anschluss fließt, zu erfassen, um damit einen Anschaltzeitpunkt zu bestimmen, wobei dieser Anschaltzeitpunkt den Start der Anzugszeit bestimmt. Dieser Zustand kann beispielsweise durch eine Power-On-Reset-Schaltung detektiert werden, die die interne Versorgungsspannung überwacht. Eine Power-On-Reset-Schaltung überwacht eine interne Versorgungsspannung und generiert ein Signal, sobald die interne Versorgungsspannung eine bestimmte Schwelle überschreitet. Nach der Detektion kann ein Kondensator oder eine Zählvorrichtung zurückgesetzt werden. Der Start der Relaissteuerung bestimmt dann den Start der Anzugszeit.
Die Relaissteuerung kann dazu ausgebildet sein, den Erregerstrom zu erfassen. Überschreitet der Erregerstrom eine Schwelle kann der Kondensator oder die Zählvorrichtung zurückgesetzt werden. Das Überschreiten der Erregerstromschwelle bestimmt dann den Start der Anzugszeit.
Die Vorrichtung kann eine Temperatursensorschaltung mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Relaissteuerung umfassen. Die Temperatursensorschaltung kann dazu ausgebildet sein, Maßnahmen zur Verringerung der Leistungsaufnahme der Relaissteuerung zu ergreifen, wenn eine Maximaltemperatur überschritten wird. Eine Maßnahme zur Verringerung der Leistungsaufnahme der Relaissteuerung kann darin bestehen, den Strom durch die Erregerwicklung abzuschalten.
Die Relaissteuerung entnimmt in einer Ausführungsform im Betrieb dem zweiten Anschluss einen Strom. Die Relaissteuerung nutzt so den durch die Abkommutiervorrichtung fließenden Strom zur eigenen Versorgung, so dass kein weiter Anschluss zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung notwendig ist. Der Strom der durch die Abkommutiervorrichtung fließt, wird durch die Relaissteuerung begrenzt, da nur der Strom fließt, der zur Versorgung der Relaissteuerung benötigt wird.
Die Relaissteuerung kann einem dritten Anschluss aufweisen, der mit dem zweiten Bezugspotential, zum Beispiel Masse, verbunden ist. Die Spannung zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss kann mit einer Spannungsbegrenzungsvorrichtung begrenzt werden. Die Relaissteuerung kann damit die Spannung bei Absenkung des Stromes nach Anziehen des Ankers begrenzen. Wird die Relaissteuerung zum Beispiel durch eine erhöhte Temperatur gefährdet, schützt die Spannungsbegrenzungsvorrichtung die Relaissteuerung vor hohen Spannungen.
Der dritte Anschluss kann vorzugweise mit dem Bezugspotential verbunden werden. Zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss kann sich eine interne Versorgungsspannung aufbauen. Zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss kann die Relaissteuerung eine Stromquelle und einen zweiten Schalter zum Bereitstellen eines Erregerstroms umfassen.
Die Relaissteuerung kann zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss einen ersten Schalter zur Steuerung des Abkommutierstromes aufweisen.
Der erste Schalter der Relaissteuerung kann eine Diode sein. In einer Ausführungsform ist die Kathode der Diode des ersten Schalters mit dem zweiten Anschluss der Relaissteuerung verbunden. Der erste Schalter der Relaissteuerung kann ein MOS-Transistor oder ein bipolarer Transistor sein.
Die Relaissteuerung kann zur Erfassung einer Unterspannung einen Unterspannungssensor zwischen dem zweiten und dem dritten Anschluss aufweisen.
Wenn der Unterspannungssensor eine Unterspannung erfasst, kann die Relaissteuerung die Anzugszeit auf einen vorgegebenen Wert zurücksetzten. Die Relaissteuerung kann so indirekt auf einen größeren, beziehungsweise auf einen maximal möglichen Strom umschalten, damit die Relaisarbeitskontakte auch bei niedriger Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugspotential geschlossen bleiben.
Die Relaissteuerung kann einen zweiten Schalter umfassen, der parallel zur Stromquelle die Erregerstrom bereitstellt wird, der die Stromquelle überbrückt, wenn der Unterspannungssensor eine Unterspannung erfasst. Die Relaissteuerung stellt so einen maximal möglichen Strom bereit, damit die Relaisar beitskontakte auch bei niedriger Spannung geschlossen bleiben.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel stellt die Stromquelle nur den Haltestrom bereit, zum Anziehen des Relais überbrückt der zweite Schalter die Stromquelle während der Anzugzeit.
Die Relaissteuerung kann einen vierten Anschluss aufweisen, wobei mit einer mit dem vierten Anschluss verbundenen Schaltung die Anzugszeit bestimmt werden kann.
Eine Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten umfasst: ein Relais, eine Relaissteuerung mit mindestens zwei Anschlüssen zur Steuerung des Relais, eine Abkommutiervorrichtung, wobei die Abkommutiervorrichtung über einen ersten und einen zweiten Anschluss Relaisteuerung mit der Erregerwicklung des Relais parallel gekoppelt ist, einen Schalter, wobei die Erregerwicklung des Relais, die Relaissteuerung und der Schalter in Serie gekoppelt sind.
In einer Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten kann die Relaissteuerung mit dem Relais in einem Gehäuse integriert sein. Die Integration der Relaissteuerung in das Relais hat den Vorteil, dass beispielsweise die Handhabung und die Lagerhaltung stark vereinfacht werden kann. Die Relaissteuerung kann bei einer Integration genau auf das Relais abgestimmt werden, so dass sich eine Vereinfachung der Relaissteuerung ergeben kann.
Bei einer Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten kann der Schalter ein High-Side-Schalter sein.
Bei einer Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten kann der Schalter ein Low-Side-Schalter sein.
In einer Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten kann in der Abkommutiervorrichtung mindestens ein Widerstand enthalten sein.
In einer Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten kann in der die Abkommutiervorrichtung mindestens eine Zenerdiode enthalten sein.
Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen näher erläutert, in denen
1 ein Relais mit einem High-Side-Schalter zeigt,
3 ein Relais mit einem Low-Side-Schalter und einer Freilaufdiode zeigt,
3 ein Relais mit einem Low-Side-Schalter und einer Zenerdiode zeigt,
4 ein Relais mit einem Low-Side-Schalter und einer Widerstand zeigt,
5 ein Relais mit einem High-Side-Schalter, einer Abkommutierschaltung und einer Relaissteuerung zeigt,
6 ein Relais mit einem Low-Side-Schalter, einer Abkommutierschaltung und einer Relaissteuerung zeigt,
7 eine Relaissteuerung zeigt und
8 Signalverläufe zeigt.
1 zeigt ein Relais 300 und einen High-Side-Schalter 210 welche in bekannter Weise in Serie zwischen die Bezugspotentiale 110 und 120 geschaltet sind. Die Spannung zwischen den Bezugspotentialen 110 und 120, die Versorgungsspannung Vs, kann beispielsweise im Automobil eine Batteriespannung sein. Der High-Side-Schalter 210 oder der Low-Side-Schalter schalten die Versorgungsspannung auf die Erregerwicklung 310 des Relais 300. Der Strom durch die Erregerwicklung 310 kann durch den Spulenwiderstand der Erregerwicklung 310 begrenzt werden.
Die 3 bis 5 zeigen unterschiedliche bekannte Ausführungen einer Abkommutiervorrichtung. Die gezeigten Abkommutiervorrichtungen 410, 420, 430 können auch mit High-Side-Schaltern angewendet werden. In 3 ist die Abkommutiervorrichtung 400 als Diode 410 ausgeführt. Wird der Low-Side-Schalter, hier als NMOS-Transistor 221 ausgeführt, eingeschaltet, fließt durch die Erregerwicklung 310 ein Erregerstrom. Aufgrund der induktiven Eigenschaften der Erregerspule fließt der Erregerstrom solange weiter, bis die in der Erregerwicklung gespeicherte Energie abgebaut ist. Der Erregerstrom fließt nach einem Abschalten des NMOS-Transistors 221 durch einen Freilaufpfad bzw. durch die Abkommutiervorrichtung 400, die so gestaltet ist, dass die Energie der Erregerwicklung abgebaut wird. Nach dem Abschalten des NMOS-Transistors 221 fließt der Erregerstrom durch die nun leitende Diode. Das Potential des zweiten Anschlusses der Erregerwicklung liegt ungefähr 0.7 bis 1.3 Volt über dem ersten Bezugspotential 110. Aufgrund der geringen Diodenspannung über der Erregerwicklung wird die Energie der Erregerwicklung nur langsam abgebaut, so dass der Abkommutiervorgang lang andauert und die Öffnung der Relaisarbeitskontakte lang andauert, wodurch viel Abbrand an den Relaisarbeitskontakten erzeugt werden kann.
Ein schnelleres öffnen der Relaiskontakte kann durch Abkommutiervorrichtungen erreicht werden, die eine höhere Spannung an der Erregerwicklung zulassen. Ausführungen solcher Abkommutiervorrichtungen zeigen 3 und 4. Die Zenerdiode 420 aus 3 lässt höhere Spannung an der Erregerwicklung 310 zu, so dass die Energie der Erregerwicklung 310 schnell abgebaut werden kann und dass in Folge dessen die Relaisarbeitskontakte schnell öffnen. Ein weiterer Vorteil der Zenerdiode 420 besteht darin, dass sie leicht in den NMOS-Transistor integriert werden kann. Während der Abkommutierung kann weiterhin Strom aus der Versorgungsspannung Vs entnommen werden, der zu zusätzlichen Verlusten führt.
Ein Widerstand 430 als Abkommutiervorrichtung 400 gemäß 4 hat die Vorteile, dass beim Abkommutieren kein Abkommutierstrom der Versorgungsspannung Vs entnommen wird und dass er eine hohe Spannung zum Abkommutieren der Erregerwicklung 310 zulässt. Die Dimensionierung des Widerstandes 430 ist jedoch aufwendig, da die Spannung zum Abkommutieren den NMOS-Transistor nicht beschädigen darf. Da der Preis von NMOS-Transistoren mit der Fähigkeit der Transistoren, hohen Spannungen zu widerstehen, wächst, ist Dimensionierung des Widerstands 430 eine wirtschaftliche Grenze gesetzt. Der zusätzliche Strom der über den Widerstand fließt wenn das Relais angeschaltet ist, ist ebenso nachteilig.
5 zeigt eine Anordnung mit einem Relais 300, einer Abkommutiervorrichtung 400, einen NMOS-Transistor 211 als High-Side-Schalter und einer Relaissteuerung 500. Ein erster Anschluss des NMOS-Transistors 211 ist mit dem ersten Bezugspotential 110 verbunden und ein zweiter Anschluss des NMOS-Transistors 211 ist mit dem ersten Anschluss 311 der Erregerwicklung 310 des Relais 300 und mit einem ersten Anschluss der Abkommutiervorrichtung 400 verbunden. Der zweite Anschluss 312 der Erregerwicklung 310 ist mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Abkommutiervorrichtung 400 ist mit dem zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 verbunden. Der dritte Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 ist mit dem zweiten Bezugspotential 120 verbunden. Wird diese Anordnung in einem Automobil verwendet, so kann das erste Bezugspotential 110 durch die Batterie bereitgestellt und das zweite Bezugspotential 120 durch den Masseanschluss des Automobils bereitgestellt werden. Der NMOS-Transistor 211 ist nur eine beispielhafte Ausführung eines High-Side-Schalters 210, der High-Side-Schalter 210 kann auch als PMOS-Transistor, PNP oder NPN-Transistor oder als Relaisarbeitskontakt eines Relais ausgebildet sein. Der High-Side-Schalter 210 kann auch mit mehreren Anordnungen aus Relais 300 und Relaissteuerung 500 verbunden sein.
Eine Anordnung mit einem Low-Side-Schalter ist analog dazu möglich und ist in 6 gezeigt. In einer solchen Anordnung ist der dritte Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 mit dem ersten Bezugspotential 110 verbunden, so dass sich eine Anordnung ergibt, die sich aus der Spiegelung der High-Side-Anordnung um eine horizontale Achse ergibt. Die Beschreibung der Funktion eines Relais 300 mit einer Relaissteuerung 500 mit einem High-Side-Schalter 210, 211 gelten analog auch für die Anordnung mit einem Low-Side-Schalter.
Ist der High-Side-Schalter 211 ausgeschaltet, ist die gesamte Anordnung ohne Strom und das Relais ist ausgeschaltet. Dass heißt, der Schalter 320 des Relais 300 ist offen, so dass kein Strom durch die Anschlüsse 321, 322 des Relais 300 fließen kann. Dieser Zustand entspricht in 8 den Zuständen bevor der Zeitpunkt t1 erreicht wird.
8a zeigt eine Schaltspannung Vsw zwischen dem Anschluss der Erregerwicklung 311 und dem dritten Anschluss 503 der Relaissteuerung.
8b zeigt eine Ausgangsspannung Vro zwischen dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 und dem dritten Anschluss 503 der Relaissteuerung.
8c zeigt einen Erregerstrom Irel der in den Anschluss 311 der Erregerwicklung durch die Erregerwicklung 310 fließt.
8d zeigt einen Versorgungsstrom Irs der Relaissteuerung der in den zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 hineinfließt.
Die Zeitpunkte t1 bis t5 in 8 beschreiben Zeitpunkte, in denen sich der Zustand der Anordnung ändert, wobei bis t1 der High-Side-Schalter 210, 211 ausgeschaltet ist. Wird der High-Side-Schalter 210, 211 zum Zeitpunkt t1 geschlossen, so steigt die Schaltspannung Vsw nahezu auf eine Versorgungsspannung Vs an. Die Versorgungsspannung Vs ist die Spannung zwischen den ersten 110 und dem zweitem 120 Bezugspotential. Unter der Annahme, dass der Innenwiderstand des High-Side-Schalter 210, 211 niedrig ist, kann der Spannungsabfall über dem High-Side-Schalter 210, 211 vernachlässigt werden. Über die Abkommutiervorrichtung 400 fließt nun ein Versorgungsstrom Irs in die Relaissteuerung 500. Mit Hilfe des Versorgungsstroms startet die Relaissteuerung 500 und stellt mit Hilfe eines Schalters oder einer Stromquelle den Erregerstrom Irel an dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 bereit.
Nachdem die Relaissteuerung 500 gestartet ist, kann der Startzeitpunkt der Anzugszeit bestimmt und festgelegt werden. Der Erregerstrom Irel steigt stetig an, der Relaisarbeitskontakt 320 des Relais 300 schließt, bevor der Erregerstrom Irel die Größe des vorgegebenen Anzugsstroms des Relais 300 erreicht hat. Die Ausgangsspannung Vro verharrt solange auf einem niedrigen Niveau, welches einer minimalen Drainspannung eines MOS-Transistors oder einer minimalen Kollektorspannung eines Bipolartransistors entsprechen kann.
Zusätzlich zu einer Stromquelle, die als Stromquellentransistor ausgebildet sein kann, ist auch ein zweiter Schalter, der als Schalttransistor ausgebildet sein kann, möglich, um die Ausgangsspannung weiter zu minimieren. Der Erregerstrom kann erfasst werden, wobei das Überschreiten einer Schwelle einen Startzeitpunkt der Anzugszeit bestimmen kann. Ist der vorgegebene Anzugstrom erreicht, steigt der Erregerstrom Irel weiter an, bis er durch die Summe der Widerstände begrenzt wird, falls der Anzugsstrom durch einen Schalter bereit gestellt wird. Wird der Anzugstrom durch eine Stromquelle bereit gestellt, steigt der Erregerstrom Irel nicht weiter an.
Die Ausgangsspannung Vro schwingt auf einen Wert ein, der durch die Versorgungsspannung Vs, den Anzugsstrom und dem Innenwiderstand der Erregerwicklung 310 gegeben ist. Unabhängig davon nimmt das Potential am zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 einen Wert an, der durch den Innenwiderstand der Abkommutiervorrichtung 400, der Versorgungsspannung Vs und dem Versorgungsstrom Irs gegeben ist.
Zum Zeitpunkt t2, nach Ablauf der Anzugszeit, schaltet die Relaissteuerung 500 den Erregerstrom vom Wert des Anzugsstrom auf einen vorgegebenen Wert eines Haltestroms. Der Haltestrom kann so gewählt werden, dass er kleiner ist als der Anzugsstrom, aber groß genug, dass der Relaisarbeitskontakt 320 des Relais 300 geschlossen bleibt.
Der Zeitpunkt t2 kann durch eine vorgegebene Anzugszeit bestimmt werden. Der Zeitpunkt t2 kann auch bestimmt werden, indem die Relaissteuerung 500 den Zeitpunkt detektiert, in dem der Erregerstrom den Wert des Anzugsstrom erreicht hat und nach diesem Zeitpunkt eine vorgegebene Anzugzeit verstreichen lässt.
Die Energiedifferenz, die sich aus der Differenz des Anzugsstrom und des Haltestrom des Erregerstroms ergibt, kann über die Abkommutiervorrichtung 400 abgebaut werden, indem der überschüssige Erregerstrom durch den ersten 501 zum zweiten 502 Anschluss der Relaissteuerung 500 zur Abkommutiervorrichtung 400 geleitet wird. Aus dem zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 fließt nun ein Strom, der sich aus der Differenz des Versorgungsstroms Irs und des überschüssigen Erregerstroms ergibt. Während der Erregerstrom kleiner wird, wird durch die Abkommutiervorrichtung am ersten 501 und zweiten Anschluss 502 der Relaissteuerung 500 eine Spannung aufgebaut, die größer sein kann als die Versorgungsspannung Vs. Diese Spannung kann durch eine Spannungsbegrenzungsschal tung begrenzt werden, die innerhalb oder außerhalb der Relaissteuerung 500 sein kann und z. B. eine Zenerdiode sein kann.
Wenn die Energiedifferenz, die sich aus der Differenz des Anzugsstrom und des Haltestrom des Erregerstroms ergibt, abgebaut ist, ist der Zeitpunkt t3 erreicht. Die Ausgangsspannung Vro schwingt auf einen Wert ein, der durch die Versorgungsspannung Vs, den Haltestrom und den Innenwiderstand der Erregerwicklung 310 gegeben ist.
Je nach Größe der Versorgungsspannung Vs können sich in diesem oder einem vorhergehenden Zustand Bedingungen ergeben, in denen die Relaissteuerung 500 keinen ausreichen Erregerstrom zur Verfügung stellen kann. Eine Unterspannungssensorschaltung 570 detektiert, wenn die Versorgungsspannung zu klein ist, um einen ausreichenden Erregerstrom zur Verfügung zu stellen und leitet Maßnahmen ein um den Erregerstrom zu erhöhen. Eine Maßnahme ist es, die Stromquelle mit einem Schalter zu überbrücken, der einen niedrigen Spannungsabfall aufweist.
Je nach Größe der Versorgungsspannung Vs können sich in diesem oder einem vorhergehenden Zustand Bedingungen ergeben, in denen die Leistungsaufnahme der Relaissteuerung 500 die zulässige Leistungsaufnahme übersteigt. Eine erhöhte Leistungsaufnahme kann in der Stromquelle, die den Erregerstrom bereitstellt, auftreten. Die Relaissteuerung 500 kann eine Temperatursensorschaltung 560 aufweisen, die Maßnahmen zur Verringerung der Leistungsaufnahme der Relaissteuerung 500 einleitet, wenn eine Maximaltemperatur erreicht. Eine Maßnahme ist, den Erregerstrom zu verringern. Ist diese Maßnahme erfolglos, kann der Erregerstrom vollständig abgeschaltet werden.
Das Relais wird ausgeschaltet, indem der High-Side-Schalter 210, 211 ausgeschaltet wird. In 8 wird der High-Side- Schalter zum Zeitpunkt t4 ausgeschaltet. Da durch den High-Side-Schalter 210, 211 kein Erregerstrom fließen kann, fließt der Erregerstrom durch die Abkommutiervorrichtung 400. Durch den so verursachten Spannungsabfall über der Abkommutiervorrichtung 400 wird die Schaltspannung Vsw negativ. Die negative Schaltspannung Vsw kann durch eine Zenerdiode des High-Side-Schalters 210, 211 begrenzt werden. Bei mechanischen Schaltern kann die Spannung unbegrenzt bleiben. Die Spannung erreicht dann den Wert, der sich aus dem Produkt des Abkommutierwiderstandes und des Abkommutierstromes ergibt. Ist die Energie der Erregerspule 310 abgebaut ist der Zeitpunkt t5 erreicht, indem die Vorrichtung stromlos ist.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Relaissteuerung 500. Eine Stromsteuerung 510 ist mit dem ersten Anschluss 501 und dem dritten 503 Anschluss der Relaissteuerung 500 verbunden. Eine Spannungsbegrenzungsschaltung 530 ist mit dem ersten Anschluss 501 und dem dritten Anschluss 503 der Relaissteuerung 500 verbunden. Eine Freilaufsteuerung 520 ist mit dem ersten 501 und dem zweiten 502 Anschluss der Relaissteuerung 500 verbunden. Eine Schaltung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung 550, eine Temperatursensorschaltung 560 und eine Unterspannungssensorschaltug 570 sind mit dem zweiten 502 und dem dritten 503 Anschluss der Relaissteuerung verbunden. Eine Zeitsteuerung 540 ist dazu ausgebildet, die Stromsteuerung 510 zu steuern. Es kann ein vierter Anschluss 504 der Relaissteuerung 500 ausgebildet sein, an dem Mittel bereitgestellt werden können, die Zeitsteuerung 540 beeinflussen. Ein Mittel zur Beeinflussung der Zeitsteuerung 540 ist ein Kondensator der mit dem vierten Anschluss 504 der Relaissteuerung 500 verbunden wird. Ein Ausführungsbeispiel einer Stromsteuerung 510 enthält einen NMOS-Transistor oder einen NPN-Transistor, dessen Drain oder Kollektor mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 verbunden ist und der so gesteuert wird, dass er einen konstanten Strom bereitstellt. Die Stromsteuerung 510 kann auch einen NMOS-Transistor oder einen NPN-Transistor enthalten, dessen Drain oder Kollektor mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung 500 verbunden ist und der so geschaltet wird, dass die Ausgangsspannung Vro möglichst klein wird. Ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsbegrenzungsschaltung 530 enthält eine Zenerdiode, dessen Kathode mit dem ersten Anschluss 501 der Relaissteuerung verbunden ist. Der spannungsbegrenzde Effekt der Zenerdiode kann durch eine Schaltung verstärkt werden. Ein Ausführungsbeispiel einer Freilaufsteuerung 520 kann eine Diode enthalten, dessen Kathode mit dem zweiten Anschluss 502 der Relaisschaltung verbunden ist. Statt einer Diode kann die Freilaufschaltung 520 einen Transistor enthalten.

110: erstes Bezugspotential, z. B. Batteriespannung
120: zweites Bezugspotential, z. B. Masse
210: High-Side-Schalter
211: NMOS-Transistor als High-Side-Schalter
221: NMOS-Transistor als Low-Side-Schalter
300: Relais
310: Erregerwicklung eines Relais
311: erster Anschluss der Erregerwicklung
312: zweiter Anschluss der Erregerwicklung
320: Relaisarbeitskontakt
321: erster Anschluss des Schalters
322: zweiter Anschluss des Schalters
400: Abkommutiervorrichtung
410: Diode als Abkommutiervorrichtung
420: Zenerdiode als Abkommutiervorrichtung
430: Widerstand als Abkommutiervorrichtung
500: Relaissteuerung
501: erster Anschluss der Relaissteuerung
502: zweiter Anschluss der Relaissteuerung
503: dritter Anschluss der Relaissteuerung
504: vierter Anschluss der Relaissteuerung
510: Stromsteuerung
520: Freilaufsteuerung
530: Spannungsbegrenzungsschaltung
540: Zeitsteuerung
550: Schaltung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung
560: Temperatursensorschaltung
570: Unterspannungssensorschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4410819 [0003, 0003]

Claims

Relaissteuerung (500) zur Steuerung eines Erregerstrom eines Relais (300), umfassend: einen ersten Anschluss (501) zur Verbindung mit einer Erregerwicklung (310) des Relais (300), einen zweiten Anschluss (502), zur Verbindung mit einer Abkommutiervorrichtung (400) des Relais (300), wobei die Relaissteuerung (500) dazu ausgebildet ist, beim Bestromen des Relais (300) durch einen Schalter (210, 211, 221) den Erregerstrom durch die Erregerwicklung (310) des Relais (300) derart zu steuern, dass durch die Erregerwicklung (310) zuerst ein Anzugsstrom fließt und nach Ablauf einer Anzugszeit ein Haltestrom fließt, der kleiner ist als der Anzugsstrom, und wobei die Relaissteuerung (500) dazu ausgebildet ist, beim Ausschalten des Relais durch den Schalter (210, 211, 221) einen Abkommutierstrom, der durch die Erregerwicklung (310) fließt, durch den ersten (501) und durch den zweiten Anschluss (502) der Relaissteuerung (500) der Abkommutiervorrichtung (400) zuzuführen.
Relaissteuerung (500) nach Anspruch 1, wobei die Relaissteuerung (500) dazu ausgebildet ist, den Strom, der nach dem Einschalten des Schalters durch den Schalter (210, 211, 221) und die Abkommutiervorrichtung (400) in den zweiten Anschluss (502) fließt, zu erfassen, um damit einen Anschaltzeitpunkt zu bestimmen und den Ablauf der Anzugszeit zu starten.
Relaissteuerung (500) nach Anspruch 1, wobei die Relaissteuerung (500) dazu ausgebildet ist den Erregerstrom zu erfassen und beim Überschreiten ei ner Schwelle den Ablauf der Anzugszeit zu starten.
Relaissteuerung (500) nach Anspruch 1, wobei die Relaissteuerung (500) dazu ausgebildet ist, den Erregerstrom erst dann zu steuern, nachdem der Strom, der nach dem Einschalten des Schalters (210, 211, 221) durch den Schalter (210, 211, 221) durch die Abkommutiervorrichtung (400) in den zweiten Anschluss (502) fließt, die Relaissteuerung (500) bestromt.
Relaissteuerung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Temperatursensorschaltung (560) mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Relaissteuerung (500).
Relaissteuerung nach Anspruch 5, wobei die Temperatursensorschaltung (560) dazu ausgebildet ist, Maßnahmen zur Verringerung der Leistungsaufnahme der Relaissteuerung (500) zu ergreifen, wenn eine Maximaltemperatur überschritten wird.
Relaissteuerung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Betrieb der Relaissteuerung (500) ein Strom aus dem zweiten Anschluss (502) entnommen wird.
Relaissteuerung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten (501) und dem zweiten Anschluss (502) der Relaissteuerung (500) ein erster Schalter ist.
Relaissteuerung (500) nach Anspruch 8, wobei der erste Schalter eine Diode ist.
Relaissteuerung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem dritten Anschluss (503) und mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung (530), die die Spannung zwischen dem ersten (501) und dem dritten Anschluss (503) begrenzt.
Relaissteuerung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Unterspannungssensorschaltung (570) mit einer Unterspannungssensorschaltung (570) zur Erfassung einer Unterspannung zwischen dem zweiten (502) und dem dritten Anschluss (503) der Relaissteuerung.
Relaissteuerung (500) nach Anspruch 11, wobei die Unterspannungssensorschaltung (570) die Anzugszeit auf einen vorgegebenen Wert zurücksetzt, so dass der Anzugsstrom fließt, wenn eine Spannung unterschritten wird.
Relaissteuerung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Stromquelle und einem zweiten Schalter, wobei die Stromquelle dazu ausgebildet ist den Haltestrom bereit zu stellen und der zweite Schalter dazu ausgebildet ist den Anzugsstrom bereit zu stellen.
Relaissteuerung (500) nach Anspruch 12, mit einer Stromquelle, die dazu ausgebildet den Anzugsstrom und den Haltestrom bereitzustellen und einem zweiten Schalter, parallel zur Stromquelle, der die Stromquelle überbrückt, wenn die Unterspannungssensorschaltung (570) eine Unterspannung erfasst.
Relaissteuerung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem vierten Anschluss (504), mit einer mit dem vierten Anschluss (504) verbundenen Schaltung, die mit einem an dem vierten Anschluss ange schlossenen Mittel die Anzugszeit bereitstellt.
Relaisvorrichtung (500) zum Schalten von Lasten umfassend: ein Relais (300), eine Relaissteuerung (500) zur Steuerung des Relais (300), mit mindestens zwei Anschlüssen, eine Abkommutiervorrichtung (400), wobei die Abkommutiervorrichtung (400) über den ersten (501) und den zweiten Anschluss (502) der Relaissteuerung (500), mit der Erregerwicklung (310) des Relais (300) parallel gekoppelt ist, einen Schalter (210, 211, 221), wobei die Erregerwicklung (310) des Relais (300), die Relaissteuerung (500) und der Schalter (210, 211, 221) in Serie gekoppelt sind.
Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten nach Anspruch 15, wobei die Relaissteuerung (500) mit dem Relais (300) in einem Gehäuse integriert ist.
Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei der Schalter (210, 211, 221) ein High-Side-Schalter (210, 211) ist.
Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei der Schalter (210, 211, 221) ein Low-Side-Schalter (221) ist
Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der die Abkommutiervorrichtung (400) mindestens einen Widerstand enthält.
Relaisvorrichtung zum Schalten von Lasten nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der die Abkommutiervorrichtung (400) mindestens eine Zenerdiode enthält.