DE19755454C2 - Schaltung zum Betrieb eines Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betrieb eines Relais nachdem Oberbegriff des Haupt­ anspruchs.

In elektronischen Schaltungen kommen sehr oft große Toleranzen der Betriebsspannung vor, bei denen der Betrieb bestimmter Bauelemente schwierig oder unmög­ lich wird. Dies gilt beispielsweise für den Betrieb eines Relais.

Probleme ergeben sich in der Praxis bei niedrigen Betriebsspannungen dadurch, daß sie für den Betrieb bestimmter Hauteile nicht ausreichen, wobei zum Bei­ spiel bei zu niedrigen Spannungswerten die Bauteile nicht richtig arbeiten oder ihr Verhalten zu Fehl­ funktionen führt. Beispielsweise zieht ein Relais bei knapp bemessener Arbeitsspannung bzw. Betriebsspan­ nung nicht oder abhängig von der Umgebungstemperatur nur gelegentlich an. Um den niedrigen Betriebs- oder Arbeitsspannungen zu begegnen, kann ein Schaltnetz­ teil verwendet werden, durch das die gewünschte Be­ triebsspannung erzeugt wird. Dies bringt aber den Nachteil einer zusätzlichen Baugruppe mit sich, wo­ durch der Herstellungspreis der Schaltungsanordnung erhöht wird.

Hohe Werte der Betriebsspannungen führen in der Pra­ xis oft zu Problemen, insbesondere dann, wenn am Ein­ satzort der Geräte eine erhöhte Umgebungstemperatur zugrunde gelegt wird. Relais brauchen bei höher Umge­ bungstemperatur eine höhere Spannung zum Anziehen. Nach dem Anziehen aber ist es oft erforderlich, daß Relais bei einer kleineren Spannung, das heißt mit der Haltespannung zu betriebene, damit die durch die Relaiswicklung erzeugte Wärme klein gehalten wird.

In der DE 33 27 393 A1 wird eine Spannungverdopp­ lungs-Schaltung beschrieben, bei der mindestens zwei Schalter von einer Steuereinheit betätigt werden, da­ mit das Anziehen eines elektromagnetischen Ventils angeordneten Schalter fließt nach dem Ende des An­ zugsvorganges der zum Halten des Ventils notwendige Strom. Diese Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß der Haltestrom nicht beeinflußt werden kann, ohne daß die Anzugsspannung des Ventils beeinflußt wird.

Aus der De 44 10 819 C2 ist eine Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Relais bekannt, bei der das Re­ lais mit der Betriebsspannung anzieht und mit einer niedrigeren Haltespannung gehalten wird. Dazu wird ein Transistor von einem Steuersignal leitend ge­ schaltet, wodurch ein mit dem Transistor verbundener MOSFET schaltet, der mit einem RC-Zeitglied verbunden ist. Der Anzugsstromkreis des Relais wird über den Transistor und den MOSFET gebildet. Nach Entladung des Kondensators des Zeitgliedes sperrt der MOSFET und der Haltestromkreis des Relais wird von dem Tran­ sistor und einem Widerstand vorgegeben.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Relais zu schaffen, die eine kurzzeitige Erhöhung der Anzugs­ spannung des Relais über die Betriebsspannung ermög­ licht, wobei der Haltestrom unabhängig von der Anzugsspannung einstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

In vorteilhafter Weise wird der dem Anzugsvorgang des Relais dienende Schalter nicht von dem Steuersignal einer Steuereinheit gesteuert, sondern aufgrund sei­ ner Beschaltung schließt der elektronische Schalter immer dann, wenn der zur Erzeugung der zu der Be­ triebsspannung erhöhten Spannung verwendete Kondensa­ tor entladen wird. Das bedeutet, daß dieser elektro­ nische Schalter selbsttätig für die Dauer des Anzugs­ vorganges des Relais bzw. für die Dauer der Entladung durchgeschaltet wird. Nach der Entladung des Konden­ sators öffnet dieser mit dem Relais in Reihe liegende Schalter wieder. Der zum Halten des Relais notwendige Haltestromkreis wird durch den (ersten) elektronischen Schalter geschlossen, an den das Steu­ ersignal von einer Steuereinheit angelegt wird. Durch den von dem Anzugsstrompfad getrennten Haltestrompfad kann der Haltestrom ohne jeglichen Verlust bei der Anzugsspannung des Relais eingestellt werden.

Ein zusätzlicher Vorteil der Schaltungsanordnung liegt in der Anwendung eines einzigen Steuereingangs, der mit einer kleinen Spannung gesteuert werden kann, zum Beispiel durch die Spannung eines Prozessoraus­ gangs (5 V).

Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung wird dadurch gegeben, daß beim Einschalten der Betriebsspannung das Relais nicht unbeabsichtigt kurzzeitig anzieht.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Der für den üblichen Betrieb des Relais notwendige Haltestrom kann über einen oder mehrere Haltewider­ stände in der gewünschten Höhe eingestellt werden und ergibt sich als Quotient aus der Betriebsspannung zu der Summe aus Relaiswicklungswiderstand und Haltewi­ derstand. Auf diese Weise kann der Betrieb des Relais optimiert werden.

Bei erhöhter Anforderung an die Genauigkeit des Hal­ testroms kann eine Konstantstromquelle vorgesehen werden, über die der Haltestrom gleichfalls einge­ stellt werden kann. Weiterhin kann ein Selbsthalte­ kontakt des Relais in dem Haltestromkreis vorgesehen sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der vor­ liegenden Erfindung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung nach einem zweiten Aus­ führungsbeispiel.

In Fig. 1 weist die Schaltungsanordnung ein Relais K1 auf, das mit der Schaltstrecke eines Transistors V3 und einer Diode V4 in Reihe an der Betriebsspannung UB liegt. Parallel zum Relais K1 ist eine Freilauf­ diode V7 geschaltet. Gleichfalls an der Betriebsspan­ nung UB liegt die Reihenschaltung eines Widerstandes R2 und einer Zenerdiode V2. Ein Kondensator C1 ist einerseits mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Wi­ derstand R2 und der Zenerdiode V2 und andererseits mit dem Verbindungspunkt zwischen Emitter des Transi­ stors und der Diode V4 verbunden. Die Aufladestrecke des Kondensators wird über den Widerstand R2, der mit dem Pluspol der Betriebsspannung UB verbunden ist, den Kondensator C1 und der Diode V4, dessen Kathode an Masse liegt, dargestellt.

Die Basis des Transistors V3 liegt über einen Wider­ stand R3 an Masse und parallel zur Basisemitter­ strecke dieses Transistors ist ein Widerstand R4 ge­ schaltet. Weiterhin ist ein Feldeffekttransistor V1 vorgesehen, der einerseits über eine Diode V5 mit dem Kondensator C1 und andererseits an Masse liegt, wobei das Gate des Feldeffekttransistors V1 mit einer Steu­ erschaltung, zum Beispiel einem Mikroprozessor oder einer Logikschaltung verbunden ist, die ein Steuersi­ gnal abgibt, wenn das Relais K1 anziehen soll. Das Gate ist über einen Gate-Widerstand R1 mit Masse ver­ bunden. In einem Haltestromkreis ist das Relais K1 über einen Haltewiderstand RH und eine Diode V6 mit dem FET V1 verbunden.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung arbeitet wie folgt. Der Feldeffekttransitor V1 und der Transistor V3, die auch beide als Feldeffekttransistoren bzw. als bipolare Transistoren ausgebildet sein können, sind in abgefallenem Zustand des Relais K1 gesperrt. Dadurch wird der Kondensator C1 über den Widerstand R2 und die Diode V4 auf die durch die Zenerdiode V2 gewählte Spannung aufgeladen. Grundsätzlich kann die Zenerdiode V2 auch weggelassen werden, in diesem Fall lädt sich die Kondensatorspannung auf die Betriebs­ spannung UB auf. Wenn beispielsweise vom Mikroprozes­ sor oder der Logikschaltung oder dergleichen ein Steuersignal für das Anziehen des Relais K1 an das Gate des FET V1 angelegt wird, so wird der Transistor V1 leitend und schlagartig schaltet der FET V1 die Masse an die Pluselektrode des vorher aufgeladenen Kondensators C1 durch. Der Potentialsprung an der positiven Elektrode des Kondensators C1 überträgt sich sofort auf die negative Elektrode, so daß der Emitter des Transistors V3 negativer wird als seine über den Widerstand R3 an Masse angeschlossene Basis. Dadurch wird der Transistor V3 leitend und zwar für die Dauer der Entladung des Kondensators C1.

Durch den Feldeffekttransistor V1, die Diode V5, den Transistor V3 und die Relaiswicklung wird nun die Spannung des Kondensators C1 in Reihe zur Betriebs­ spannung UB gelegt. Das Relais liegt somit an der Summe aus der Betriebsspannung und der Spannung, die durch die Diode V2 dimensioniert wurde, wodurch es anzieht.

Für ein sicheres Anziehen des Relais muß die Kapazi­ tät des Kondensators C1 entsprechend ausgewählt wer­ den. Nach dem Entladen des Kondensators C1 steigt das Potential an seiner negativen Elektrode auf nahezu Massepotential, das heißt die Basis-Emitter-Spannung des Transistors V3 sinkt fast auf 0 Volt, wodurch der Transistor V3 sperrt. Der Anzugspfad des Relais wird somit abgeschaltet.

Der zum Halten des Relais notwendige Strom fließt nun über den Haltepfad, der aus dem Widerstand RH der Diode V6 und dem durch die Steuerschaltung im leiten­ den Zustand gehaltenen Feldeffektransistor V1 be­ steht.

Wie schon oben angedeutet wurde, dient die Diode V2 zur Dimensionierung der notwendigen Überspannung zum Anziehen des Relais. Diese Vorkehrung der Dimensio­ nierung der notwendigen Spannung ist dann sinnvoll, wenn die Betriebsspannung zu hohe Werte annehmen kann, zum Beispiel einen Spannungsbereich von 16,8 bis 35 Volt aufweist, während die Relaisspannung 24 Volt beträgt. In einem solchen Fall wird die Auflade­ spannung des Kondensators C1 begrenzt. Ist jedoch eine Verdopplung der Betriebsspannung UB erforder­ lich, dann wird die Diode V2 weggelassen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich zu der Schaltung nach Fig. 1 darin, daß die Ze­ nerdiode V2 weggelassen ist und für die Diode V4 eine Zenerdiode V8 eingesetzt ist. Darüber hinaus ist vor die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors ein Wi­ derstand R5 geschaltet. Da die Zenerdiode V2 fehlt, lädt sich der Kondensator C1 auf die volle Betriebs­ spannung UB auf und beim Aufladen wirkt die Zenerdio­ de V8 wie die Gleichrichterdiode V4. Wenn ein Steuer­ signal an die Gate-Elektrode des Feldeffektortransi­ stors V1 angelegt wird und letzterer leitend wird, das heißt beim Anziehen des Relais K1, sinkt das Po­ tential der Anode der Zenerdiode V8 gegenüber ihrer Kathode und sie wirkt als Zenerdiode. Dadurch wird die Überspannung zum Anziehen des Relais auf die Ze­ nerspannung der Diode V8 begrenzt. Die Zenerdiode V8 übernimmt somit beim Anziehen des Relais die Funktio­ on der Zenerdiode V2, wodurch auf letztere verzichtet werden kann.

Der Widerstand R5 dient dem Schutz des Feldeffekt­ transistors V1 und der Zenerdiode V8 während der Zeit, in der die Diode V8 als Zenerdiode wirkt. Die Diode V6 im Haltestrompfad entkoppelt diesen vom Anzugspfad während des Anzugsvorganges des Relais K1. Die Diode V5 verhindert das unbeabsichtigte kurzzei­ tige Anziehen des Relais K1 bei Anlegen der Betriebs­ spannung UB an die Steuerschaltung. Der Haltestrom für das Relais K1 kann über den Widerstand RH einge­ stellt werden, wobei insbesondere bei erhöhten Anfor­ derungen an die Genauigkeit des Haltestroms eine Kon­ stantstromquelle vorgesehen werden kann, die den Hal­ testrom einstellt. Der Haltewiderstand RH kann auch auf Null Ohm reduziert werden, wobei jedoch dann nicht von einer "Sparschaltung" gesprochen werden kann. In dem Haltestrompfad kann auch ein Selbsthal­ tekontakt des Relais K1 geschaltet werden.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Relais mit einem Kondensator und mindestens einem ersten und einem zweiten elektronischen Schalter, wobei sich im gesperrten Zustand der Schalter der Kon­ densator auflädt und beim Durchschalten der elektronischen Schalter abhängig von einem Steu­ ersignal die Spannung an dem Relais um die Kon­ densatorspannung erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal am Steuereingang des ersten elektronischen Schalters (V1) anliegt und der Kondensator (C1) zwischen den Schaltstrecken des ersten und zweiten elektronischen Schalters (V1, V3) liegt, wobei beim Schalten des ersten Schal­ ters (V1) am Kondensator (C1) ein Potential­ sprung auftritt durch den der zweite elektroni­ sche Schalter (V3) durchschaltet und während der Entladung des Kondensators (C1) leitend ist, daß der Anzugsstromkreis für das Relais (K1) über die Schaltstrecken der zwei elektronischen Schalter (V1, V3) und den Kondensator (C1) ge­ bildet wird, und daß ein Haltestromkreis für das Relais unabhängig von dessen Anzugsstromkreis über den ersten elektronischen Schalter (V1) nach dem Entladen des Kondensators (C1) vorgese­ hen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Haltestromkreis ein Selbsthaltekontakt des Relais (K1) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hal­ testrom über einen Widerstand (RH) im Hal­ testromkreis einstellbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hal­ testrom für das Relais (K1) durch eine Konstant­ stromquelle einstellbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode des Kondensators (C1) über mindestens den ersten elektronischen Schalter (V1) an den einen Pol der Betriebsspannungsquelle schaltbar ist und über mindestens einen Widerstand (R2) mit dem anderen Pol verbunden ist und daß die andere Elektrode des Kondensators (C1) über min­ destens den zweiten elektronischen Schalter (V3) und das Relais (K1) an den anderen Pol der Span­ nungsquelle und über ein einen Spannungsabfall lieferndes Element (V4, V8) an den einen Pol ge­ schaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der eine Pol der Minuspol und der andere Pol der Pluspol der Betriebsspan­ nungsquelle ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begren­ zung der Aufladespannung des Kondensators (C1) eine Zenerdiode (V2) parallel zu der Schalt­ strecke des ersten Schalters (V1) geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Spannungsabfall liefernde Element eine Diode (V4, V8) ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diode als Zenerdiode (V8) ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuere­ lektrode des zweiten elektronischen Schalters (V3) über einen Widerstand (R3) an Masse liegt.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schaltstrecke des ersten elektronischen Schal­ ters (V1) und dem Kondensator (C1) eine Diode (V5) geschaltet ist.