DE102014008906A1

DE102014008906A1 - Elektronisches Relais

Info

Publication number: DE102014008906A1
Application number: DE102014008906.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schwarz; Thomas Singer; Sebastian Rothmayr
Original assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Current assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-06-14
Publication date: 2015-12-03
Also published as: WO2015180806A1; DE202014004493U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Relais (1) mit einem Spannungseingang (6) für eine Versorgungsspannung (UV) und mit einem Lastausgang (7) zum Anschluss einer Last (8) sowie mit einem von einer Steuereinheit (4) schaltbaren Leistungsteil (3), wobei ein Mikroprozessor (5) der Steuereinheit (4) anhand eines dieser zugeführten externen Ansteuersignals (SA) ein Steuersignal (S1) für das Leistungsteil (3) erzeugt, und wobei das externe Ansteuersignal (SA) einer der Steuereinheit (4) nachgeordneten Logikschaltung (9) zugeführt ist, die bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion des Mikroprozessors (5) das externe Ansteuersignal (SA) an das Leistungsteil (3) durchschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Relais mit einem Spannungseingang für eine Versorgungsspannung und mit einem Lastausgang zum Anschluss einer Last sowie mit einem von einer Steuereinheit schaltbaren Leistungsteil. Ein derartiges elektronisches Relais ist z. B. aus der DE 20 2004 008 137 U1 bekannt.
Ein solches elektronisches Relais wird häufig zum fernsteuerbaren Schalten und zur Absicherung sowie zur Diagnose von Stromkreisen einer elektrischen Anlage eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Anlagentechnik und der Fahrzeugelektronik ermöglicht das elektronische Relais ein indirektes Schalten der Lastkreise von elektrischen Verbrauchern und Zusatzkomponenten in Verbindung mit einer Überwachung und Absicherung des jeweiligen Lastkreises im Überlast- und/oder Kurzschlussfall.
Ein aus der elektronisches Relais beinhaltet für einen Gleichspannungs-/Gleichstrom-Betriebsspannungsbereich (DC-Bereich) von z. B. 9 V bis 32 V und insbesondere für den Anschluss von 12 V- und 24 V-Lasten (Gleichspannungs-/Gleichstromlasten) bzw. entsprechenden Versorgungsspannungen die elektronische Relaisfunktion und einen zusätzlichen Überlast- und Kurzschlussschutz. Dabei wird ab typisch dem 1,3-fachen des Nennstroms (1,3 × I_N) der Strom nach einer vorgegebenen Zeit abgeschaltet, die je nach Anwendung im Bereich zwischen beispielsweise 50 ms bis 200 ms gewählt werden kann.
Bei einem Kurzschluss wird der hohe Kurzschlussstrom zunächst begrenzt und innerhalb einer Millisekunde abgeschaltet. Der zum Einschalten der Last benötigte Steuerstrom für das elektronische Relais, der im mA-Bereich liegt, reduziert die benötigte Ansteuerleistung auf ein Minimum. Die in festen Stromstärken von 1 A bis 25 A verfügbaren elektronischen Relais ermöglichen ein verschleiß- und geräuschfreies Schalten hoher Einschaltströme von Motoren, Lampenlasten und kapazitiven Verbrauchern. Für die Überwachung des Zustands von Lastleitungen verfügt das elektronische Relais über Status- und Diagnosefunktionen. So können eine Ansteuermeldung und/oder eine Summenfehlermeldung angezeigt oder auch jeweils als Statusausgang an ein übergeordnetes Steuer- oder Managementsystem rückgemeldet werden.
Aus der DE 601 19 102 T2 ist ein elektronischer Schutzschalter zum Kurzschluss- und Überlastschutz einer Last mit einem in den Laststromkreis geschalteten Halbleiterschalter, beispielsweise einem MOSFET's, bekannt, der mittels eines programmierbaren Mikroprozessors angesteuert ist, um zumindest im Überlastfall den Strom zunächst zu begrenzen und erst nach Ablauf einer einstellbaren Verzögerung den einen Abschaltvorgang einzuleiten.
Da die Ansteuerung des Halbleiterschalters über den Mikroprozessor erfolgt, besteht bei dessen Ausfall oder fehlerhaftem Betrieb die Gefahr eines undefinierten Schaltzustands. Im Falle eines elektronischen Relais würde im Falle eines undefinierten Schaltzustands ein Schalten des Relais nicht mehr möglich sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Relais der eingangs genannten Art anzugeben, dass besonders sicher und zuverlässig arbeitet. Insbesondere soll die Relaisfunktion auch bei Ausfall oder Fehlfunktionen des Mikroprozessors erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierzu umfasst das elektronische Relais einen Spannungseingang für eine Versorgungsspannung und einen Lastausgang zum Anschluss einer Last sowie ein schaltbares Leistungsteil und eine Steuereinheit mit einem Mikroprozessor, der anhand eines der Steuereinheit zugeführten externen Ansteuersignals ein Steuersignal für das Leistungsteil erzeugt. Das externe Ansteuersignal ist zusätzlich einer der Steuereinheit nachgeordneten Logikschaltung zugeführt, die im Fehlerfall oder bei einem Ausfall des Mikroprozessors das externe Ansteuersignal an das Leistungsteil durchschaltet.
Unter Versorgungsspannung wird hierbei insbesondere eine solche im Niedervoltbereich, beispielsweise im Gleichspannungsbereich (DC-Bereich) von 12 V oder 24 V, verstanden. Das Leistungsteil des elektronischen Relais in Form zweckmäßigerweise eines Leistungs- oder Halbleiterschalter ist insbesondere ein Feldeffekttransistor, vorzugsweise eine PFET (Protected Filed Effect Transistor) oder MOSFET.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Logikschaltung ein den Betriebszustand des Mikroprozessors repräsentierendes Zustandssignal zugeführt, das geeigneterweise von der Steuereinheit generiert ist. Hierzu umfasst die Logikschaltung zweckmäßigerweise einen logischen Operator, der in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Mikroprozessors ein entweder das Steuersignal oder das externe Ansteuersignal repräsentierendes Ausgangssignal für das Leistungsteil ausgibt. Der logische Operator ist geeigneterweise ein ODER-Gatter. Diesem ist eingangsseitig das Steuersignal für das Leistungsteil und das den Betriebszustand des Mikroprozessors repräsentierende Zustandssignal zugeführt.
In zweckmäßiger Weiterbildung weist die Logikschaltung einen ersten elektronischen Schalter auf, dem ansteuerseitig das den Betriebszustand des Mikroprozessors repräsentierende Zustandssignal zugeführt ist. Der elektronischen Schalter ist geeigneterweise ein Bipolartransistor, dessen Schaltstrecke (Kollektor-Emitter-Strecke) zwischen den Eingang des logischen Operator für das Zustandssignal und ein Bezugspotential insbesondere Ground oder Masse geschaltet ist. Zweckmäßigerweise umfasst die Logikschaltung einen zweiten elektronischen Schalter, der ebenfalls geeigneterweise ein Bipolartransistor ist. Diesem ist ansteuerseitig das Steuersignal für das Leistungsteil zugeführt, während dessen Schaltstrecke (Kollektor-Emitter-Strecke) zwischen den Eingang des logischen Operators für das Steuersignal und vorzugsweise das ein Bezugspotential (Ground, Masse) geschaltet ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur in einem Blockschaltbild ein elektronisches Relais mit einem von einer Steuereinheit mit nachgeordneter Logikschaltung schaltbaren Leistungsteil.
Die Figur zeigt das elektronische Relais 1 mit in einem ersten Funktionsbaustein 2 einem Leistungsteil 3 in Form eines Feldeffekttransistors (FET), insbesondere eines Protected Field Effect Transistors, und einem Steuerbaustein als Steuereinheit 4 mit einem Mikroprozessor 5. Der FET 3 ist drainseitig an einen Spannungseingang 6 (LINE) für eine Betriebs- oder Versorgungsspannung U_V und sourceseitig an einen Lastausgang 7 (LOAD) geführt, an dem ein Verbraucher oder eine Last 8 angeschlossen und gegen Masse (Ground) geführt ist. Die Versorgungsspannung beträgt beispielsweise U_V = 12 V (DC) oder U_V = 24 V (DC). Gateseitig ist der FET 3 mit einem Steuerausgang S_A verbunden.
Zwischen die den Mikroprozessor 5 umfassende Steuereinheit 4 und den das Leistungsteil 3 aufweisenden Funktionsbaustein 2 ist eine Logikschaltung 9 angeordnet, die einen logischen Operator 10 in Form eines ODER-Gatters umfasst. Dem Operator 10 sind eingangsseitig ein von der Steuereinheit 4 erzeugtes Steuersignal S₁ und ein den Betriebszustand des Mikroprozessors 5 repräsentierendes Zustandssignal S₂ zugeführt. Die Signale S₁, und S₂ sind beispielsweise Rechtecksignale.
Der Steuereinheit 4 und somit dem Mikroprozessor 5 wird eingangsseitig über einen Signaleingang 11 ein externes Ansteuersignal S_A zugeführt. Dieses externe Ansteuersignal S_A gelangt über einen Beipass 12 auch an den Logikbaustein 9 und dort an denjenigen Eingang des Operators, an den auch das Zustandssignal S₂ des Mikroprozessors 5 geführt ist. Die Eingänge des logischen Operators 10 sind jeweils mit einem Transistor in Form eines Bipolartransistors T₁, T₂ mit basisseitigem Kondensator C₁, C₂ für das Steuersignal S₁ beziehungsweise für das Zustandssignal S₂ beschaltet.
Im Normalbetrieb des elektronischen Relais 1 erfolgt die Primäransteuerung des Leistungsteils 3 als Schalteinheit über den Mikroprozessor 5. Dazu wird das externe Ansteuersignal S_A des elektronischen Relais 1 sowohl dem Mikroprozessor 5 der Steuereinheit 4 als auch der Logikschaltung 9 zugeführt, die als Rückfallebene dient. Der Mikroprozessor 5 gibt zusätzlich zu dem Steuersignal S₁ das seinen fehlerfreien Betriebszustand signalisierenden Zustandssignal S₂ aus. Das Steuersignal S₁ und das Zustandssignal S₂ werden in der Logikschaltung 9 ausgewertet.
Im normalen Betriebszustand übernimmt der Mikroprozessor 5 der Steuereinheit 4 die Steuerung des Leistungsteils 3 entsprechend einem programmierten Algorithmus. Erkennt die Logikschaltung 9 eine Fehlfunktion des Mikroprozessors 5, so wird anstelle des vom Mikroprozessor 4 ausgegebenen Steuersignals S₁ das externe Ansteuersignal S_A an das Leistungsteil 3 durchgeschaltet. Hierdurch ist die Funktionalität des elektronischen Relais 1 mit reduziertem Funktionsumfang sichergestellt.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
So kann beispielsweise der Mikroprozessor die Steuereinheit 4 bilden. Zudem kann die Logikschaltung 9 anstelle des ODER-Gatters auch einen anderen Operator 10 oder mehrere logische Operatoren umfassen. Des Weiteren können die mit den Kondensatoren C₁, C₂ beschalteten Transistoren T₁, T₂ auch entfallen oder durch andere aktive und/oder passive elektronische Bauteile ersetzt sein.
Bezugszeichenliste

1: elektronisches Relais
2: Funktionsbaustein
3: Leistungsteil
4: Steuereinheit
5: Mikroprozessor
6: Spannungseingang
7: Lastausgang
8: Last
9: Logikbaustein
10: Operator/ODER-Gatter
11: Signaleingang
12: Beipass
C_1,2: Kondensator
S_A: externes Ansteuersignal
S₁: Steuersignal
S₂: Zustandssignal
T_1,2: Transistor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202004008137 U1 [0001]
DE 60119102 T2 [0005]

Claims

Elektronisches Relais (1) mit einem Spannungseingang (6) für eine Versorgungsspannung (U_V) und mit einem Lastausgang (7) zum Anschluss einer Last (8) sowie mit einem von einer Steuereinheit (4) schaltbaren Leistungsteil (3), dadurch gekennzeichnet, – dass ein Mikroprozessor (5) der Steuereinheit (4) anhand eines dieser zugeführten externen Ansteuersignals (S_A) ein Steuersignal (S₁) für das Leistungsteil (3) erzeugt, und – dass das externe Ansteuersignal (S_A) einer der Steuereinheit (4) nachgeordneten Logikschaltung (9) zugeführt ist, die bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion des Mikroprozessors (5) das externe Ansteuersignal (S_A) an das Leistungsteil (3) durchschaltet.
Elektronisches Relais (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Logikschaltung (9) von der Steuereinheit (4) ein den Betriebszustand des Mikroprozessors (5) repräsentierendes Zustandssignal (S₂) zugeführt ist.
Elektronisches Relais (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zustandssignal (S₂) vom Mikroprozessor (5) generiert ist.
Elektronisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikschaltung (9) einen logischen Operator (10) aufweist, der in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Mikroprozessors (5) ein entweder das Steuersignal (S₁) oder das externe Ansteuersignal (S_A) repräsentierendes Ausgangssignal für das Leistungsteil (3) ausgibt.
Elektronisches Relais (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der logische Operator (10) ein ODER-Gatter ist, dem eingangsseitig das Steuersignal (S₁) für das Leistungsteil (3) und das den Betriebszustand des Mikroprozessors (5) repräsentierende Zustandssignal (S₂) zugeführt ist.
Elektronisches Relais (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikschaltung (9) einen ersten elektronischen Schalter (T₁) aufweist, dem ansteuerseitig das den Betriebszustand des Mikroprozessors (5) repräsentierende Zustandssignal (S₂) zugeführt ist, und dessen Schaltstrecke zwischen den Eingang des logischen Operator (10) für das Zustandssignal (S₂) und ein Bezugspotential, insbesondere Ground oder Masse, geschaltet ist.
Elektronisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikschaltung (9) einen zweiten elektronischen Schalter (T₂) aufweist, dem ansteuerseitig das das Steuersignal (S₁) für das Leistungsteil (3) zugeführt ist, und dessen Schaltstrecke zwischen den Eingang des logischen Operators (10) für das Steuersignal (S₁) und ein Bezugspotential, insbesondere Ground oder Masse, geschaltet ist.
Elektronisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteil (3) ein Leistungs- oder Halbleiterschalter, insbesondere ein Feldeffekttransistor, vorzugsweise eine PFET (Protected Filed Effect Transistor) oder MOSFET, ist.
Elektronisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikschaltung (9) mindestens eine Transistor (T₁, T₂), insbesondere Bipolartransistor, zum Durchschalten des Steuersignals (S₁) oder des externen Ansteuersignals (S_A) an das Leistungsteil (3) aufweist.
Logikschaltung (9) als Rückfallebene zum Ansteuern eines Leistungsteils (3) eines einen Mikroprozessor (5) aufweisenden elektronischen Relais (1) bei Ausfall oder Fehlfunktion des Mikroprozessor (5).