DE19604208C1

DE19604208C1 - Low-loss DC voltage supply circuit e.g. for small domestic appliance relay circuit

Info

Publication number: DE19604208C1
Application number: DE1996104208
Authority: DE
Inventors: Dieter Hoehn
Original assignee: Rowenta Werke GmbH
Current assignee: Rowenta Werke GmbH
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2016-02-07

Abstract

The ohmic (DC) circuit has a free-running diode (D3) connected in parallel across the relay (Rel), which is coupled via a diode (D1) and a pre-resistance (R1) connected in series with a capacitor (C1) to one supply voltage terminal (L) and via a switch (S1) to the other supply voltage terminal. The parallel circuit of the free-running diode and the relay, together with the switch form a current path operated with a pulsed current, connected in parallel with a second pulsed current path having a resistance (R2) in series with a second switch (S2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur verlust armen ohmschen Spannungsversorgung eines Relais, das mit einer Frei laufdiode kombiniert ist, und das über eine Diode und einen mit einem Kondensator in Reihe liegenden Vorwiderstand an den einen Pol der Netzspannung und über einen Schalter an den anderen Pol der Netzspannung angeschlossen ist.The invention relates to a circuit arrangement for loss poor ohmic power supply of a relay with a free running diode is combined, and this via a diode and one with one Capacitor series resistor to one pole of the Mains voltage and via a switch to the other pole of the mains voltage connected.

Derartige Relaisschaltungen werden in Haushaltskleingeräten verwendet. Sie haben sich aus Gründen der Kosteneffizienz und Einsparung von Bauvolumen bewährt.Relay circuits of this type are used in small household appliances. They have been made for reasons of cost efficiency and saving Proven volume.

Bekannt sind Spannungsversorgungsanordnungen für Relais gemäß Fig. 1. Das Relais wird statisch betrieben, d. h. die Schließdauer des Schalters S1 ist » der Einschaltverzögerung, die Öffnungsdauer » der Abfallverzögerung des Relais. Es hat sich herausgestellt, daß in der bekannten Schaltung gemäß Fig. 1 bei einer Betriebsspannung L/N von 230 Vac folgende Dimensionierung von Vorteil ist:Voltage supply arrangements for relays according to FIG. 1 are known . The relay is operated statically, ie the closing time of the switch S1 is »the switch-on delay, the opening time» the drop-out delay of the relay. It has been found that the following dimensioning is advantageous in the known circuit according to FIG. 1 with an operating voltage L / N of 230 Vac:

D1: Hochvolttyp
R1: 9 KOHm (P_R1 ≈ 2,2 W)
D2: Z-Diode 33 V bei 25°C
Rel: 36 V, 2880 Ohm Spule (teuer, Kosten 100%)
C1: 33 µF, 40 VD1: high-voltage type
R1: 9 KOHm (P _R1 ≈ 2.2 W)
D2: Zener diode 33 V at 25 ° C
Rel: 36 V, 2880 Ohm coil (expensive, costs 100%)
C1: 33 µF, 40 V

Obzwar diese Schaltung gut funktioniert, ergeben sich jedoch einige Nachteile. Die Verlustleistung im Vorwiderstand R₁ beträgt - je nach Bauteil - und Netzspannungstoleranz - etwa 2,2 W. Bei Umgebungstemperaturen von 70°C und höher, wie sie z. B. beim Einsatz in Dampfbügeleisen nicht ungewöhnlich sind, muß dieser Widerstand sehr großvolumig dimensioniert sein und heizt zudem seine Umgebung in erheblichem Maße auf. Werden zu dem noch niedervoltigere Relais (z. B. 24 V oder 12 V-Ausführungen) einge setzt, erhöht sich die Verlustleistung weiter.Although this circuit works well, there are some Disadvantage. The power loss in the series resistor R 1 is - depending on Component and mains voltage tolerance - about 2.2 W. At ambient temperatures of 70 ° C and higher, as z. B. not when used in steam irons are unusual, this resistor must be very large and also heats up its surroundings to a considerable extent. Become too the even lower voltage relay (e.g. 24 V or 12 V versions) sets, the power loss increases further.

Für den Einsatz innerhalb eines Bügeleisengriffes, bei dem aufgrund der maximal zulässigen äußeren Grifferwärmung die innerhalb der möglichen maximalen Leisung z. B. bei 1,5 W liegt, schließt sich deshalb der Einsatz eines kostengünstigen Niedervoltrelais mit relativ hohem Spulenstrom aus. Dies betrifft insbesondere Baugruppen, die an einer 230 V Netzversor gung arbeiten.For use inside an iron handle, due to the maximum permissible external handle heating within the possible maximum performance z. B. is 1.5 W, the application therefore closes an inexpensive low-voltage relay with a relatively high coil current out. This applies in particular to modules connected to a 230 V power supply work.

Dem Fachmann geläufig ist es zur Verminderung der Verlustwärme einen getakteten Relaisbetrieb einzusetzen 1) DE 195 26 038 A1 und 2) DE-OS 20 53 767.The person skilled in the art is familiar with reducing the heat loss to use clocked relay operation 1) DE 195 26 038 A1 and 2) DE-OS 20 53 767.

Diese beiden Entgegenhaltungen behandeln jedoch lediglich das zustands gesteuerte (DE 195 26 038 A1) bzw. das zeitgesteuerte (DE-OS 20 53 767) Absinken dem Spannungsaufnahme infolge der Variation des Taktver hältnisses des eingespeisten Wechselstromes. Dabei handelt es sich in 1) um eine schaltungszustandsabhängige Steuerung des Pulsstromes.However, these two references only deal with the state controlled (DE 195 26 038 A1) or time-controlled (DE-OS 20 53 767) Decrease in voltage consumption due to the variation of the clock ver ratio of the fed alternating current. This is what it is about 1) is a circuit-state-dependent control of the pulse current.

Nach 2) wird die Verlustleistung einer Relaisspule durch Einschalten mit einem großen Tastverhältnis um den Anzugsstrom zu erhalten - und durch Weiterbetreiben mit einem kleinen Tastverhältnis - um mindestens den Haltestrom zu gewährleisten - verwendet. Die Spulenleistung im getakteten Betrieb, und damit auch die Verlustwärme, dürfen sich aber grundsätzlich nicht von den Spulenleistungen desselben Relais unterscheiden, das zunächst mit einem höheren Gleichstrom (Anzugs strom) und dann mit einem geringeren Gleichstrom (Haltestrom) be trieben wird.According to 2 ), the power loss of a relay coil is used by switching on with a large duty cycle to maintain the starting current - and by continuing to operate with a small duty cycle - to ensure at least the holding current. The coil power in clocked operation, and thus the heat loss, must not differ from the coil power of the same relay, which is initially operated with a higher direct current (pull-in current) and then with a lower direct current (holding current).

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs anordnung der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß bei preisgün stiger Schaltung derartige Wärmeentwicklungen nicht auftreten.In contrast, the invention has for its object a circuit arrangement of the type mentioned to improve so that in case of price Stiger circuit such heat developments do not occur.

Es wurde gefunden, daß sich diese Aufgabe in einfacher Weise dadurch lösen läßt, daß die Parallelschaltung aus dem Relais und der Freilaufdiode in Serie mit dem Schalter (S1) einen ersten, an eine Gleichspannungsver sorgung angeschlossenen Strompfad bildet, dem ein zweiter Strompfad aus einem Widerstand in Serie mit einem zweiten Schalter (S2) parallelge schaltet ist, daß die Schalter (S1 und S2) in den parallelgeschalteten Stromkreisen als Wechsler kombiniert sind, derart, daß entweder der Schalter (S1) oder der Schalter (S2) im geschlossenen, der jeweils andere Schalter im geöffneten Zustand sind, und daß der jeweils eingeschaltete Stromkreis mit einem Pulsstrom hochfrequenter Arbeitsfrequenz betrieben wird. It has been found that this task is simple can solve that the parallel connection of the relay and the freewheeling diode in series with the switch (S1) a first, to a DC voltage ver Supply forms connected current path, which is a second current path from a resistor in series with a second switch (S2) in parallel is that the switches (S1 and S2) are connected in parallel Circuits are combined as a changer, such that either the Switch (S1) or the switch (S2) in the closed, the other Switches are in the open state, and that the respective one is switched on Circuit operated with a pulse current of high-frequency working frequency becomes.

Bei der praktischen Dimensionierung ist der Widerstandspfad des Relais mit der Freilaufdiode etwas niederohmiger wegen der Anzugsstromüber höhung.In practical dimensioning, the resistance path of the relay with the freewheeling diode a little lower because of the pull-in current elevation.

Fortbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 gekenn zeichnet.Developments of the invention are characterized in claims 2 to 7 draws.

Die Relais-Dioden-Parallelschaltung Rel/D3 wird erfindungsgemäß nicht mehr - wie bisher - statisch betrieben, sondern mit Pulsstrom. In der Zeit des offenen Schalters S1 fließt aufgrund magnetischer Energie speicherung der Strom über die Freilaufdiode weiter. Das Einschaltverhält nis liegt dabei im Bereich von wenigen Prozent bis einigen 10%.The relay-diode parallel connection Rel / D3 is no longer according to the invention - as before - operated statically, but with pulse current. In the Time of the open switch S1 flows due to magnetic energy storage of the current via the freewheeling diode. The duty cycle nis ranges from a few percent to a few 10%.

Vereinfachend ist davon ausgegangen worden, daß das Relais keine Induktivität besitzt, die sich dem Stromfluß "widersetzt". Berück sichtigt man diese, ist die Stromaufnahme der Relais/Freilaufdioden-Kombination im angenommenen Fall frequenzabhängig - höhere Frequenz, stärkerer Effekt - kleiner als 25%.To simplify matters, it has been assumed that the relay does not Has inductance that "opposes" the current flow. Be careful if you see this, the current consumption of the relay / freewheeling diode combination in the assumed case frequency-dependent - higher frequency, stronger effect - less than 25%.

Unberücksichtigt einer Stromverminderung durch die Relais-Induktivität gilt folgendes:Not taking into account a current reduction due to the relay inductance the following applies:

Wird z. B. mit 25% Tastverhältnis (η = 0,25) gearbeitet (bei Frequenzen im Bereich von knapp oberhalb des Hörbereiches bis zu einigen 10.000 Khz), verhält sich der Innenwiderstand wie mit 1/η multipliziert. Das heißt bei gleicher Leistungsaufnahme und damit bei praktisch identischen elektromagnetischen Eigenschaften kann die Betriebsspannung des Relais auf das Vierfache angehoben werden. Das sehr preisgünstige Niedervolt relais (z. B. 24 V) verhält sich dann wie ein (wegen extrem dünnem Wicklungsdraht) teures 96 V Relais. Der Strombedarf ist auf 25% des Nennstromes reduziert.Is z. B. worked with 25% duty cycle (η = 0.25) (at frequencies in the range from just above the listening area to some 10,000 Khz), the internal resistance behaves as multiplied by 1 / η. This means with the same power consumption and thus practically identical electromagnetic properties can affect the operating voltage of the relay to be increased fourfold. The very affordable low voltage relay (e.g. 24 V) then behaves like a (because of extremely thin Winding wire) expensive 96 V relay. The electricity requirement is at 25% of the Rated current reduced.

Um die Spannung am Siebkondensator C1 nicht stark ansteigen zu lassen, wird bei abgeschaltetem Strompfad Relais/Freilaufdiode in Serienschal tung mit S1 auf den Widerstand R2 in Serienschaltung mit S2 umge schaltet. In order not to let the voltage across the filter capacitor C1 rise too much, with the current path switched off, the relay / free-wheeling diode becomes a series scarf device with S1 to resistor R2 in series connection with S2 switches.

Vorteilhafte Dimensionierungen des Widerstandes R2 sind in den An sprüchen 2 und 3 gekennzeichnet. Normalerweise ist der Kondensator C1 so dimensioniert, daß seine Ladespeicherung nur eine hinreichend geringe Brummspannung - verursacht durch den Pulsstrom im Relais Rel und R2 sowie die Netzfrequenz - zuläßt.Advantageous dimensions of the resistor R2 are in the An sayings 2 and 3 marked. Usually the capacitor C1 dimensioned so that its load storage is only sufficient low ripple voltage - caused by the pulse current in the relay Rel and R2 as well as the network frequency - allows.

Diese Dimensionierungen sind nur zwei von vielen möglichen. Man könnte ebensogut bei z. B. 40 Khz mit 40% Tastverhältnis arbeiten. Wegen höherer Frequenz muß die Stromaufnahme von Rel/D1 durch größeres Tastverhältnis korrigiert werden, oder z. B. 20 Khz/30%, dann aber ergeben sich Probleme mit der Hörschwelle.These dimensions are only two of many possible. You could just as well with z. B. 40 Khz with 40% duty cycle. Because of higher frequency, the current consumption of Rel / D1 must be greater Duty cycle can be corrected, or z. B. 20 Khz / 30%, but then there are problems with the hearing threshold.

Die Schaltungsanordnung wird mit Vorteil bei einem Pulsverhältnis gemäß Anspruch 4 betrieben.The circuit arrangement is advantageous with a pulse ratio operated according to claim 4.

Konstruktiv sind die beiden Schalter S1 und S2 miteinander gekoppelt.In terms of construction, the two switches S1 and S2 are coupled to one another.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 2 erläutert.An embodiment of the invention is explained below with reference to FIG. 2.

Die Dimensionierungen der Schaltungselemente gegenüber den Schal tungselementen in Fig. 1 ist in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wie folgt vorgenommen:The dimensions of the circuit elements compared to the circuit elements in Fig. 1 is carried out in an advantageous embodiment as follows:

Betriebsspannung L/N: 230 Vac
Pulsverhältnis: 37,5% bei bei 33 kHz Grundtakt
D1: Hochvolttyp
R1: 20 kOHM (PR1 ≈ 0,5 W)
C1: 10 µF, 100 V
Rel: 24 V, 1400 Ohm Spule (Standardtyp, Kosten ca. 80%)
R2: 8 k2Operating voltage L / N: 230 Vac
Pulse ratio: 37.5% at 33 kHz basic clock
D1: high-voltage type
R1: 20 kOHM (PR1 ≈ 0.5 W)
C1: 10 µF, 100 V
Rel: 24 V, 1400 Ohm coil (standard type, costs approx. 80%)
R2: 8 k2

Von Vorteil ist, daß erfindungsgemäß das Betriebsspannungsniveau sehr einfach und flexibel durch Umdimensionieren von R1 und R2 und η variiert werden kann. It is advantageous that, according to the invention, the operating voltage level very easy and flexible by re-dimensioning R1 and R2 and η can be varied.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird eine teure Zenerdiode nicht mehr verwendet. Aufgrund der erheblich geringeren Spannungs differenz zwischen Netzspannung und Schaltkreis-Betriebsspannung sowie der kleineren Stromaufnahme des Relais Rel im Pulsbetrieb ver ringert sich die abgegebene Leistung des Vorwiderstandes beträchtlich. Auch bei beengten Platzverhaltnissen können in der erfindungsgemäßen Schaltung sog. Low-Cost-Relais mit - eigentlich - hoher Stromaufnahme eingebaut werden.An expensive Zener diode is no longer used in the circuit arrangement according to FIG. 2. Due to the significantly lower voltage difference between the mains voltage and the circuit operating voltage and the lower current consumption of the relay Rel in pulsed operation, the power output of the series resistor is reduced considerably. Even when space is limited, so-called low-cost relays with - actually - high current consumption can be installed in the circuit according to the invention.

Der Widerstand R2 kann so dimensioniert sein, daß die Spannung am Siebkondensator C1 sowohl beim Einschalten des Relais (synchron wird der Pfad R2 ausgeschaltet) als auch beim Ausschalten des Relais (synchron wird gemäß Fig. 2 R2 eingeschaltet) konstant bleibt. Dieses muß jedoch nicht zwangsläufig so sein.The resistor R2 can be dimensioned so that the voltage across the filter capacitor C1 remains constant both when the relay is switched on (path R2 is switched off synchronously) and when the relay is switched off (R2 is switched on synchronously according to FIG. 2). However, this does not necessarily have to be the case.

Das Original-Oszillogramm gemäß Fig. 2 zeigt anschaulich die Verhält nisse beim o.a. angegebenen Ausführungsbeispiel. Die Stromaufnahme des Widerstandspfades R2 ist relativ kleiner dimensioniert - R2 ist relativ hochohmig - als der Widerstandspfad Rel/D1.The original oscillogram according to FIG. 2 clearly shows the conditions in the above-mentioned embodiment. The current consumption of the resistance path R2 is dimensioned relatively smaller - R2 is relatively high-resistance - than the resistance path Rel / D1.

Der Effekt ist ein Absinken der Relais-Betriebsspannung nach dessen Einschalten gemäß einer e-Funktion.The effect is a drop in the relay operating voltage after it Switch on according to an e-function.

Von Vorteil ist, daß dadurch eine sehr sichere beschleunigte Kontakt gabe ermöglicht wird.The advantage is that this makes a very safe accelerated contact gift is made possible.

Die Pulsstromerzeugung (S3) als solche ist nicht Gegenstand dieser Er findung. Sie ist Bestandteil einer spezifischen, der jeweiligen An wendung angepaßten Schaltungsanordnung, die beispielsweise auch zur Versorgung anderer Funktionen eingesetzt werden kann.The pulse current generation (S3) as such is not the subject of this Er finding. It is part of a specific, the respective type adapted circuit arrangement, for example, also for Supply of other functions can be used.

In Fig. 3 sind Original-Oszillogramme dargestellt, die eine Ansteuer schaltung mit einem Relais Ein-Aus-Zyklus darstellen, der auf eine Wiederholtaste von etwa 2 Hz eingestellt ist. Für alle Signale gilt Zeitbasis 200 ms/div. Der Bezugspunkt Gnd ist der Anschluß N in Fig. 2. In Fig. 3 original oscillograms are shown, which represent a control circuit with a relay on-off cycle, which is set to a repeat key of about 2 Hz. The time base for all signals is 200 ms / div. The reference point Gnd is the connection N in FIG. 2.

Die Ansteuerfrequenzen der Schaltung beträgt 35 kHz, das Tastver hältnis etwa 35%.The control frequencies of the circuit is 35 kHz, the Tastver ratio about 35%.

In Fig. 4 ist der Ausschnitt A aus Fig. 3 dargestellt, der einen Bezug zum unteren Teil der Fig. 2 herstellt. FIG. 4 shows detail A from FIG. 3, which makes a reference to the lower part of FIG. 2.

Im Kanal 1 K1 in Fig. 3 ist - lediglich zur Verdeutlichung der Vor gänge - das Steuersignal oszilloskopiert.In channel 1 K1 in Fig. 3 - only for clarification of the operations before - the control signal is oscilloscoped.

z. B. Gesamtwert y = 20 V
Min-Wert des Signals = 14 V = H ⇒ Strompfad Relais/D3 hochfre quent EIN, Strompfad R2 AUS
Max-Wert des Signals = OV = L ⇒ Strompfad Relais/D3 AUS, Strompfad R2 hochfrequent EINe.g. B. Total value y = 20 V.
Min value of the signal = 14 V = H ⇒ current path relay / D3 high frequency ON, current path R2 OFF
Max value of the signal = OV = L ⇒ current path relay / D3 OFF, current path R2 high-frequency ON

Im Kanal 2 K2 ist der Spannungsverlauf am Knoten K2 R2/S2 in Fig. 2 dargestellt.The channel 2 K2 shows the voltage curve at node K2 R2 / S2 in FIG. 2.

z. B. Gesamtwert y = 160 V
Min-Wert des Signals = 5 V (Restspannung am Schalter S2, wenn dieser eingeschaltet ist)
Max-Wert des Signals = 100 V Ve.g. B. Total value y = 160 V.
Min value of the signal = 5 V (residual voltage at switch S2 when it is switched on)
Max value of the signal = 100 VV

Im Kanal 3 K3 ist der Spannungsverlauf am Knoten K3, Rel/D3/S1 dargestellt.Channel 3 K3 shows the voltage curve at node K3, Rel / D3 / S1.

z. B. Gesamtwert y = 160 V
Min-Wert des Signals = 0 V
Max-Wert des Signals = 100 Ve.g. B. Total value y = 160 V.
Min value of the signal = 0 V
Max value of the signal = 100 V

Im Kanal 4 K4 ist der Spannungsverlauf am Siebkondensator C1, Punkt K4.In channel 4 K4 is the voltage curve at the filter capacitor C1, point K4.

Mit e ist der Verlauf der Spannung ab Triggerpunkt dargestellt, die am Kondensator beim Einschalten nach einer e-Funktion absinkt.The course of the voltage from the trigger point is shown with e on the capacitor when switching on after an e-function drops.

Claims

1. Circuit arrangement for low-loss ohmic voltage supply of a relay, which is combined with a freewheeling diode, and which are connected via a diode and a series with a capacitor, the series resistor to one pole of the mains voltage and a switch to the other pole of the mains voltage , characterized in that the parallel connection of the relay (Rel) and the freewheeling diode (D3) in series with the switch (S1) forms a first current path connected to a DC voltage supply (D1, R1, C1), which a second current path consists of Resistor (R2) is connected in parallel with a second switch (S2), and that the switches (S1 and S2) are combined in the circuits connected in parallel as changeover contacts, such that either the switch (S1) or the switch ( S2) in the closed state, the other switches (S2, S1) are in the open state and that the current circuit (Rel, D3, S1 o the R2, S2) is operated with a high-frequency pulse current.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized, that the resistor (R2) in series with the switch (S2) is dimensioned so that after switching off the relay (Rel) Voltage at the capacitor connected in series with the series resistor (R1) (C1) remains constant.

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized, that the resistor (R2) in series with the switch (S2) is dimensioned so that the current consumption of the resistance path (R2) is smaller than that of the relay (Rel) with the freewheel diode (D2).

4. Circuit arrangement according to claims 1 to 3, characterized, that the working frequency is greater than / equal to 20 kHz and the duty cycle is between 10 and 50%.

5. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the switches (S1, S2) are semiconductor switches.

6. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that to control the switches (S1, S2) an application-specific integrated circuit (ASIC) is provided.

7. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the currents through the individual current paths are different Have duty cycle.