DE19524003A1 - Elektronische Schaltungsanordnung zur Relaisansteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Relaisspule mit beliebiger Eingangs­ spannung.

Unter Relaisspule wird in diesem Zusammenhang jede Art von Erregerspule für ein elektromagnetisches Bauelement verstan­ den.

Elektromagnetische Relais werden derzeit mit einer großen An­ zahl unterschiedlicher Spulenbauformen geliefert, damit sie je nach dem Einsatzfall an der zur Verfügung stehenden Ver­ sorgungsspannung betrieben werden können. Bei höheren Span­ nungen müssen zur Vermeidung einer unzulässig hohen Erwärmung äußerst geringe Drahtstärken für die Spulenwicklung verwendet werden, wobei dann zur Erzeugung der notwendigen Erregung ei­ ne größere Windungszahl erforderlich ist. Das führt zu ferti­ gungstechnischen und konstruktiven Problemen. Bei der An­ schaltung an Wechselspannung sind zusätzliche Maßnahmen, wie Kurzschlußringe und dergleichen, erforderlich. Darüber hinaus gibt es Probleme bei Schwankungen der Versorgungsspannung, etwa in Kraftfahrzeugen, und bei Widerstandsänderungen des Spulendrahtes aufgrund von Temperaturunterschieden.

Für manche dieser Probleme sind bereits Einzellösungen vorge­ schlagen worden. So gibt es bereits verschiedene Lösungen, bei denen die Spule über einen Regelkreis mit einer getakte­ ten Spannung angesteuert wird, um so Schwankungen der Strom­ versorgung, wie sie etwa in Kraftfahrzeugen auftreten, aus zu­ schalten. Aus der EP 0 387 729 A2 ist beispielsweise eine elektronische Schützansteuerung bekannt, welche zur Regelung der Gleichstromeinspeisung bei schwankender Versorgungsspan­ nung und sich änderndem Wicklungswiderstand der Antriebsspule mit einer Stromtaktung und einem Freilaufkreis an der Spule arbeitet. Die Spule wird dort über eine Vielzahl von parallel geschalteten Feldeffekttransistoren angesteuert, von denen einer als Meßausgang für die Stromregelung in dem Regelkreis dient. Dieser spezielle Stromabgriff erfordert die Verwendung eines ganz bestimmten Bausteins, der die parallel geschalte­ ten Feldeffekttransistoren enthält. Im übrigen setzt diese Schaltung voraus, daß am Eingang eine ganz bestimmte Gleich­ spannung anliegt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Relaisspule zu schaffen, bei der eine beliebige Eingangsspannung in einem weiten Bereich, beispielsweise von 12 V bis 230 V Gleich- oder Wechselspannung oder bis zu noch höheren Netzspannungen, anliegen kann und die Spule immer mit einer gleichen, relativ niedrigen Ansteuerleistung versehen wird. Diese Ansteuer­ schaltung soll auf einem Baustein so integrierbar sein, daß sie im Relaisgehäuse untergebracht werden kann, so daß das Relais selbst mit normalen Spulen- und Lastanschlüssen an den vorgesehenen Steck- oder Lötanschlüssen eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß die Schaltungsanordnung folgende Merkmale aufweist:

• - eine an die Eingangsspannung anschaltbare Gleichrichter­ schaltung zur Gleichrichtung der Eingangsspannung,
• - eine von der gleichgerichteten Eingangsspannung gespeiste Konstantspannungsquelle zur Erzeugung einer Niedrigspan­ nung für nachgeschaltete elektronische Bauelemente und
• - einen Regelkreis mit einem Oszillator, einem Komparator, einem Sollwertgeber sowie einem steuerbaren elektroni­ schen Schalter, dessen Schaltstrecke zur Spule in Reihe liegt, wobei in dem Komparator eine Eingangsgröße der Spule als Istwert mit einem durch den Sollwertgeber be­ stimmten Sollwert verglichen und in Abhängigkeit von die­ sem Vergleich der elektronische Schalter mit einer von dem Oszillator erzeugten getakteten Steuerspannung ent­ sprechend dem Effektivwert einer gewünschten Erregerspan­ nung durchgesteuert wird.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird sicherge­ stellt, daß die in beliebiger Form und Größe am Eingang an­ liegende Versorgungsspannung gleichgerichtet, transformiert und in Form von Taktimpulsen derart an die Spule angelegt wird, daß diese stets den Effektivwert der gewünschten Erre­ gerspannung erhält. Durch die Integration einer Konstantspan­ nungsquelle für die elektronischen Bauelemente wird außerdem sichergestellt, daß am Relais kein separater Anschluß für die Chip-Versorgungsspannung erforderlich ist. Mit dieser An­ steuerschaltung kann zugleich das Relais störspannungsfest gegen Transienten am Steuereingang gemacht werden.

In bevorzugter Ausführungsform arbeitet die Ansteuerschaltung mit einer Spannungsregelung, wobei die Spannung als Istwert direkt am Spuleneingang abgegriffen wird. In einer anderen Ausführungsform ist aber auch eine Stromregelung möglich, wo­ bei als Istwert der Spulenstrom über den Spannungsabgriff an einem Serienwiderstand zur Spule gemessen wird. Weitere Aus­ gestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Spannungsregelung an der Spule in einem Blockschaltbild und mit diskreten Bauelementen;

Fig. 3 und 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Stromregelung, ebenfalls als Blockschaltbild und als diskrete Schaltungsausgestaltung.

Allgemein sei darauf hingewiesen, daß trotz der Beschreibung diskreter Bauelemente die Erfindung vorzugsweise als ein in­ tegrierter Baustein verwirklicht wird.

Bei allen dargestellten Schaltungen gemäß den Fig. 1 bis 4 sind Eingangsklemmen 1 und 2 vorgesehen, die mit einer Ein­ gangsspannung 41 beliebiger Art und Größe, beispielsweise in­ nerhalb eines Bereiches von 12 bis 230 V Gleich- oder Wech­ selspannung, beaufschlagt werden. An Ausgangsklemmen 3 und 4 der Ansteuerschaltung ist eine Relaisspule 14 angeschlossen, deren Erregung zur Betätigung eines Kontaktes 22 umgesetzt wird. Damit wird ein Lastkreis geschlossen, der an den Last­ klemmen 5 und 6 angeschlossen wird.

Die Eingangsspannung wird über eine Gleichrichterschaltung 7 gleichgerichtet und mit einem nachfolgenden Tiefpaßfilter 8 geglättet, wobei auch transiente Störspannungen ausgefiltert werden. Über eine Konstantspannungsquelle 9 wird von dem Aus­ gangssignal des Filters 8 eine Versorgungsspannung für nach­ geschaltete Niederspannungs-Bauteile, wie einen Oszillator 10 sowie einen Komparator 11, erzeugt. Dieser Oszillator 10 bil­ det mit dem Komparator 11 und einem Sollwertgeber 15 einen Regelkreis, der eine getaktete Steuerspannung über einen In­ verter 16 an einen MOS-Feldeffekttransistor 13 (p-Kanal-FET) legt, der damit die Erregerspannung für die Spule 14 bereit­ stellt. Um das Relais auch zwischen den Ansteuerimpulsen zu halten, ist parallel zur Spulenwicklung eine Freilaufdiode 21 geschaltet.

Fig. 1 zeigt die Relaisansteuerung mit einer Spannungsrege­ lung, wobei als Istwert die Spannung am Spuleneingang 3 abge­ griffen und über ein Tiefpaßfilter 12 dem einen Eingang des Komparators 11 zugeführt wird. Am anderen Eingang des Kompa­ rators 11 liegt der vom Sollwertgeber 15 vorgegebene Span­ nungs-Sollwert an. Das Ausgangssignal des Komparators 11 wird dem Oszillator 10 zugeführt, der dann mit einem fest einge­ stellten Puls-Pausen-Verhältnis über den Inverter 16 den MOS- Transistor 13 steuert. Der aus dem Oszillator 10, dem Kompa­ rator 11, dem Filter 12, dem Sollwertgeber 15 und dem MOS- Feldeffekttransistor 13 bestehende Regelkreis erzeugt An­ steuerimpulse für die Relaisspule 14, deren Effektivwert der gewünschten Erregerspannung entspricht. Die Schwingfrequenz des Oszillators 10 liegt dabei oberhalb des hörbaren Berei­ ches. Der Sollwertgeber 15 erzeugt beim Einschalten den Ef­ fektivwert der Spulen-Nennspannung. Der Spannungs-Istwert am Punkt 3, der über das Filter 12 abgegriffen wird, moduliert die Ausgangsimpulse des Oszillators und regelt damit die Spulenspannung auf einen gewünschten Effektivwert. In vielen Fällen ist dabei ein Zeitverhalten dergestalt erwünscht, daß beim Einschalten die volle Nennspannung und nach dem Anspre­ chen des Relais eine reduzierte Haltespannung angelegt wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Sollwert­ geber mit einem Zeitglied versehen wird, so daß der Sollwert beim Einschalten der Nennspannung entspricht und nach einer vorgegebenen Zeit gesenkt wird. In dem Sollwertgeber 15 von Fig. 1 ist ein solches Zeitverhalten durch den eingezeichne­ ten Kondensator andeutungsweise gezeigt.

Fig. 2 zeigt eine konkretisierte Schaltung mit diskreten Bauelementen als Ausführungsform zu dem Blockschaltbild von Fig. 1. An den Eingangsklemmen 1 und 2 liegt eine Eingangs­ spannung U1 an; sie wird über eine Gleichrichterbrücke mit den Dioden V1, V2, V3 und V4 gleichgerichtet. Danach wird sie mit der Tiefpaßschaltung, bestehend aus dem Widerstand R0 und dem Kondensator C0 geglättet, wobei auch Transientenstörungen ausgefiltert werden. Die Konstantspannungsquelle 9 von Fig. 1 ist in Fig. 2 durch einen Transistor bzw. FET V5 verwirk­ licht, dessen Gatespannung durch die Spannungsteilerschaltung eines Widerstandes R1 und einer Zenerdiode V6 bestimmt ist. Der Oszillator 10 aus Fig. 1 ist in Fig. 2 durch einen Ope­ rationsverstärker N0 gebildet, an dessen positivem Eingang eine durch die Widerstände R2, R3 und R6 gebildete Spannung mit Schalthysterese anliegt. Die Frequenz des Oszillators wird durch die am negativen Eingang liegenden entgegengesetz­ ten Rückkopplungszweige mit dem Widerstand R4 und der Diode V7 sowie dem Widerstand R5 und der Diode V8 in Verbindung mit dem Kondensator C1 gebildet. Im Betrieb wird der Kondensator C1 abwechselnd geladen und entladen, wodurch sich am Ausgang des Operationsverstärkers N0 Impulse mit fester Frequenz und Amplitude und mit einem vorgegebenen Tastverhältnis ergeben. Parallel zum Kondensator C1 liegt die Schaltstrecke eines weiteren Feldeffekttransistors V10, dessen Gate das Ausgangs­ signal eines Operationsverstärkers N1 erhält, der die Funktion des Komparators 11 in Fig. 1 ausführt.

Der Ausgang des Operationsverstärkers N0 ist über den Inver­ ter, der durch einen FET V14 und einen Widerstand R13 gebil­ det wird, und einen FET V13 an das Gate eines p-Kanal-Feld­ effekttransistors V9, entsprechend dem elektronischen Schal­ ter 13 von Fig. 1, geschaltet, dessen Schaltstrecke im Erre­ gerkreis der Spule K1 bzw. 14 in Fig. 1 liegt. Der FET V13 setzt dabei zusammen mit dem Widerstand R12 das Potential für den FET V9 um. Außerdem wird über eine Zenerdiode V12 in Ver­ bindung mit einem weiteren Widerstand R11 das Bezugspotential für V9 begrenzt. Parallel zur Spule K1 liegt eine Freilauf­ diode V11. Die Spulenspannung wird am Eingang der Spule abge­ griffen und über ein Tiefpaßfilter mit dem Widerstand R10 und dem Kondensator C2 dem negativen Eingang des Operationsver­ stärkers N1 zugeführt. Am positiven Eingang des Operations­ verstärkers N1 liegt ein Sollspannungswert, der durch den Spannungsteiler mit den Widerständen R8 und R9 vorgegeben ist. Über den Widerstand R7 wird eine kleine Hysterese des Komparators erzeugt.

Die Funktion der Ansteuerschaltung nach Fig. 2 besteht darin, daß entsprechend dem Vergleich des Sollwertes und des Istwertes der Spulenspannung in dem Operationsverstärker N1 ein Signal an den Feldeffekttransistor V10 gegeben wird. So­ lange die Istspannung unterhalb der Sollspannung liegt, ist der FETV V10 gesperrt, so daß der Oszillator mit dem Opera­ tionsverstärker N0 normal schwingt und seine Taktimpulse an den FET V9 gibt, so daß die Relaisspule K1 entsprechende Spannungsimpulse erhält. Sobald die Istspannung die Sollspan­ nung übersteigt, wird der FET V10 durchgeschaltet, wodurch er den Kondensator C1 entlädt und den Minus-Eingang des Opera­ tionsverstärkers N0 an Nullpotential legt. Der Oszillator hört dadurch auf zu schwingen und gibt keine Impulse über V14 und V13 an den FET V9. Damit erhält auch die Relaisspule keine Spannungsimpulse.

In den Fig. 3 und 4 sind Ansteuerschaltungen ähnlich den vorhergehenden gezeigt, wobei anstelle der Spannungsregelung eine Stromregelung vorgenommen ist. So zeigt Fig. 3 ein Blockschaltbild, bei dem wie in Fig. 1 ein Komparator 11 an einem Eingang einen Istwert und am anderen Eingang einen Sollwert von dem Sollwertgeber 15 empfängt. Das Ausgangssi­ gnal des Komparators 11 ist dem Oszillator 10 zugeführt, des­ sen Ausgang wiederum über den Inverter 16 den elektronischen Schalter 13 steuert. Im Gegensatz zu Fig. 1 wird allerdings nunmehr als Sollwert nicht eine Spannung abgegriffen, sondern es wird vielmehr der Spulenstrom mittels eines Meßwider­ standes 20 abgegriffen und in Form einer analogen Spannung über das Tiefpaßfilter 12 und einen Verstärker 17 an den Kom­ parator 11 gegeben. Die Weiterverarbeitung und Steuerung er­ folgt dann so, wie dies anhand von Fig. 1 bereits beschrie­ ben wurde.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung mit diskreten Bauelementen ent­ sprechend dem Blockschaltbild von Fig. 3. Diese Schaltungs­ anordnung ist ähnlich der von Fig. 2, mit Ausnahme des Ist­ wertabgriffs und der Ansteuerung des FET V9, der in diesem Fall als n-Kanal-FET ausgebildet ist.

Als Istwert wird an dem Meßwiderstand R20 der Spulenstrom ab­ gegriffen und über das Filter mit dem Widerstand R10 und dem Kondensator C2 in einen Spannungswert umgesetzt. Da der Meß­ widerstand R20 sehr niederohmig gewählt werden muß, ist die­ ses Meßsignal sehr klein, d. h. die Spannung liegt im mV-Be­ reich. Um die Verarbeitung in dem nachfolgenden Komparator, gebildet durch den Operationsverstärker N1, zu verbessern und den Störspannungsabstand zu vergrößern, wird das Signal zu­ nächst über einen Verstärker, der aus dem Operationsverstär­ ker N2 und den Rückkopplungswiderständen R14 und R15 gebildet ist, in den Volt-Bereich gebracht und so dem Komparator, näm­ lich dem negativen Eingang des Operationsverstärkers N1, zu­ geführt. Die weitere Verarbeitung erfolgt ähnlich wie anhand von Fig. 2 bereits beschrieben.

Im Unterschied zu Fig. 2 ist allerdings keine Potentialum­ setzung über einen FET V13 erforderlich, da der elektronische Schalter V9 nunmehr als n-Kanal-FET ausgeführt ist. Das Aus­ gangssignal von N0 kann also über den Inverter V14, R13 di­ rekt an den FET V9 gelegt werden.

Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung kann natürlich auch noch anders abgewandelt werden. So wäre es beispielsweise möglich, den Oszillator so auszulegen und anzusteuern, daß er anstelle der oben beschriebenen Impulse mit fest vorgegebener Frequenz und Pulsbreite entsprechend dem Signal des Kompara­ tors unterschiedliche Pulse abgeben könnte, die beispielswei­ se in der Frequenz oder vorzugsweise in der Pulsbreite modu­ liert werden. Derartige Modifikationen des Oszillators sind für den Fachmann mit den üblichen schaltungstechnischen Mit­ teln zu verwirklichen. Insbesondere könnte eine derartige Pulsbreitenmodulation am Oszillator bei der Integration der Schaltung von Vorteil sein, da dann der Kondensator C1 (Fig. 2) nicht in dieser Größe erforderlich wäre.

Claims (14)

1. Elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Relaisspule mit beliebiger Eingangsspannung, welche aufweist:

• - eine an die Eingangsspannung (U1) anschaltbare Gleich­ richterschaltung (7; V1, V2, V3, V4) zur Gleichrichtung der Eingangsspannung,
• - eine von der gleichgerichteten Eingangsspannung gespeiste Konstantspannungsquelle (8; V5, V6, R1) zur Erzeugung ei­ ner Niedrigspannung für nachgeschaltete elektronische Bauelemente und
• - einen Regelkreis mit einem Oszillator (10; N0, R2, R3, R4, V7, R5, V8, R6, C1), einem Komparator (11; N1), einem Sollwertgeber (15; R7, R8, R9; R11, R12) sowie einem steuerbaren elektronischen Schalter (13; V9), dessen Schaltstrecke zur Spule (14; K1) in Reihe liegt, wobei in dem Komparator eine Eingangsgröße der Spule als Istwert mit einem durch den Sollwertgeber bestimmten Sollwert verglichen und in Abhängigkeit von diesem Vergleich der elektronische Schalter (13; V9) mit einer von dem Oszil­ lator erzeugten getakteten Steuerspannung entsprechend dem Effektivwert einer gewünschten Erregerspannung durch­ gesteuert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Oszillator (10; N0, R2, R3, R4, V7, R5, V8, R6, C1) auf eine feste Frequenz, die vorzugsweise oberhalb der Hörschwelle liegt, eingestellt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (11; N1) die an der Spule (14; K1) anliegende Spannung als Istwert zugeführt und mit einem von der Spulen-Nennspannung abgeleiteten Sollwert verglichen wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Spule (14; K1) flie­ ßende Strom über einen Meßwiderstand (20; R20) abgegriffen und in Form einer Spannung als Istwert dem Komparator (11; N1) zugeführt und dort mit einem von dem Spulen-Nennstrom ab­ geleiteten Sollwert verglichen wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das dem Spulenstrom entsprechende Meßsignal über einen Verstärker (17; N2, R14, R15) an den Komparator (11; N1) gegeben wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Komparators (11; N1) dem Oszillator (10; N0, R2, R3, R4, R5, R6, V7, V8, C1) zugeführt wird, wobei es entsprechend dem Vergleichsergebnis die auf eine feste Frequenz und Amplitude eingestellten Steuerimpulse zum elektronischen Schalter durchschaltet oder unterbricht.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Komparator (N1) bei Überschreiten des Sollwertes über einen Feldeffekttransistor (V10) den fre­ quenzbestimmenden Eingang eines den Oszillator (10) bildenden Operationsverstärkers (N0) auf Nullpotential legt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangssignal des Oszillators (10; N0, R2, R3, R4, R5, R6, V7, V8, C1) über ei­ nen Inverter (16; V14, R13) an den elektronischen Schalter (13; V9) gelegt wird.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der elektronische Schalter ein p-Ka­ nal-Feldeffekttransistor (V9) ist, dem das invertierte Oszil­ latorsignal über eine Potentialumsetzung (V13, R12) zugeführt wird.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung des an der Spule (14; K1) abgegriffenen Istwertes in den Regelkreis über ein Tiefpaßfilter (12; R10, C2; R13, C3) erfolgt.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichterschal­ tung (7; V1 bis V4) eine Tiefpaßschaltung (8; R0, C0) zur Glättung und zur Ausfilterung transienter Störspannungen nachgeschaltet ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantspannungs­ quelle (9) einen Feldeffekttransistor (V5) enthält, dessen Gatepotential durch einen Spannungsteiler aus einem Wider­ stand (R1) und einer Zenerdiode (V6) festgelegt ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator An­ steuerimpulse für den elektronischen Schalter erzeugt, deren Impulsbreite in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Kompara­ tors verändert wird.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Form eines inte­ grierten Schaltkreises in dem Relais angeordnet ist.