DE212009000063U1

DE212009000063U1 - System zum raschen Entladen eines Wechselstromrelais

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Publication number: DE212009000063U1
Application number: DE212009000063U
Authority: DE
Original assignee: Leach International Corp
Current assignee: Leach International Corp
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: US20090284878A1; CN102017041A; ES1075908U8; CN102017041B; WO2009134818A1; US8116059B2; ES1075908U; ES1075908Y

Abstract

Schaltung zum Entladen einer Relaisspule (218), gekennzeichnet durch,
eine Spannungsquelle (202), die dazu eingerichtet ist, die Relaisspule zu erregen,
eine an die Spannungsquelle geschaltete Gleichrichterschaltung, wobei die Gleichrichterschaltung (210, 212, 214, 216) zumindest eine Diode besitzt,
eine Relaisauslöseschaltung, die aufweist:
einen mit der Gleichrichterschaltung verbundenen Schalter (220), wobei der Schalter in Serie mit der Relaisspule liegt, und die Relaisspule an die Gleichrichterschaltung geschaltet ist, und
eine Unterdrückungsschaltung, die parallel zu der Relaisspule geschaltet ist, wobei die Unterdrückungsschaltung eine zweite Diode (222) in Serie mit einer Zenerdiode (224) besitzt, und die Relaisspule dazu eingerichtet ist, dass sie, wenn sie genügend erregt ist, eine Schaltkraft liefert, die ausreichend ist, zumindest einen Lastschalter (203) zu betätigen, der mit zumindest einer geschalteten Leitung verbunden ist, und die Unterdrückungsschaltung dazu eingerichtet ist, die in der Relaisschaltung gespeicherte Energie zu entladen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf ein System und ein Verfahren zum raschen Entladen eines Wechselstromstromrelais. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System zur Minimierung der Zeitdauer, die zum Entladen einer Gleichspannungs-Relaisspule benötigt wird, welche unter Verwendung einer Wechselspannungsquelle geladen wurde.
Relaisspulen sind Induktivitäten und widersetzen sich Änderungen des Stromflusses. Gleichspannungsspulen werden oft bei Wechselstromstromrelais verwendet, um eine Schaltkraft zu erzeugen, welche ein oder mehrere Lastschalter betätigen kann. In solchen Fällen wird eine Wechselspannung gleichgerichtet und an die Gleichspannungsspulen angelegt, welche die angelegte Energie speichern und die Schaltkraft erzeugen. Sobald eine Spannungs- oder Energieschwelle erreicht wurde, werden die Schalter durch die Schaltkraft der Gleichspannungsspule betätigt. Wenn die Versorgungsspannung für die Spule unterbrochen wird, werden aufgrund der Induktivität der Spule hohe Spannungen erzeugt. Solche hohen Spannungen können die Steuerlogik, Spannungsquellen und Schaltkontakte beschädigen.
Wechselspannungsrelais weisen oft Gleichrichterschaltungen, wie Vollweg- oder Halbwellen-Gleichrichter auf, welche die Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln, die zur Erregung der Gleichspannungsspulen verwendet wird. Ein Vollweggleichrichter weist üblicherweise vier Dioden in einer Brückenanordnung auf. In einem solchen Fall ist eine Gleichspannungsspule oft über die Diodenbrücke geschaltet. Nachdem die Gleichspannungsspule genügend erregt ist, um die Schaltkraft zu liefern, wird die Wechselversorgungsspannung entfernt. Die in der Gleichspannungsspule gespeicherte Energie wird über eine Zeitspanne aufgebraucht. Die zum Vernichten der in der Gleichspannungsspule gespeicherte Energie benötigte Zeitspanne kann jedoch beachtlich sein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gesichtpunkte der Erfindung beziehen sich auf ein System zum raschen Entladen eines Wechselspannungsrelais. Bei einer Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltung zum Entladen einer Relaisspule, wobei die Schaltung aufweist: eine Spannungsquelle, die zum Erregen der Relaisspule eingerichtet ist, eine Gleichrichterschaltung, die mit der Spannungsquelle verbunden ist, wobei die Gleichrichterschaltung zumindest eine Diode besitzt, eine Relaisauslöseschaltung mit einem mit der Gleichrichterschaltung verbundenen Schalter, wobei der Schalter in Serie mit der Relaisspule liegt und die Relaisspule an die Gleichrichterschaltung geschaltet ist, und eine Unterdrückungsschaltung parallel zu der Relaisspule geschaltet ist, wobei die Unterdrückungsschaltung eine zweite Diode in Serie mit einer Zenerdiode besitzt und die Relaisspule dazu eingerichtet ist, wenn sie genügend erregt ist, eine Schaltkraft zu liefern, die ausreichend ist, um zumindest einen Lastschalter zu schalten, der mit zumindest einer geschalteten Stromleitung verbunden ist und wobei die Unterdrückungsschaltung dazu eingerichtet ist, die in der Relaisschaltung gespeicherte Energie zu entladen.
Bei einer anderen Ausführung bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltung zum Entladen einer Relaisspule, wobei die Schaltung eine Relaisschaltung besitzt, bei welcher die Relaisspule an eine Gleichrichterschaltung geschaltet ist, die Relaisspule dazu eingerichtet ist, zumindest einen Lastschalter zu betätigen, wenn Sie genügend erregt ist, die Relaisauslöseschaltung eine Unterdrückungsschaltung besitzt, die über die Relaisspule geschaltet ist, und eine Trennschaltung in Serie zwischen der Relaisspule und der Gleichrichterschaltung liegt, sowie eine Steuerschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Spannung an die Gleichrichterschaltung zu liefern, um die Relaisspule zu erregen, wobei die Trennschaltung dazu eingerichtet ist, auf ein Signal von der Steuerschaltung hin die Relaisspule und die Unterdrückungsschaltung abzutrennen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Leistungsregelungssystems mit einer Wechselpannungs-Relaisschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematisches Schaltbild einer Wechselspannungs-Relaisschaltung mit einem Vollweg-Gleichrichter und einer Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Wechselspannungs-Relaisschaltung mit einer Schnellauslöseschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3a ist ein Flussdiagramm einer Folge von Aktionen, die von einer Wechselspannungs-Relaisschaltung durchgeführt werden, welche eine Schnellauslöseschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt.
4 ist ein schematisches Schaltbild einer Wechselspannungs-Relaisschaltung mit einem Vollweg-Gleichrichter und einer Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein schematisches Schaltbild einer Wechselspannungs-Relaisschaltung mit einem Halbwellen-Gleichrichter und einer Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein schematisches Schaltbild einer Wechselspannungs-Relaisschaltung mit einem Vollweg-Gleichrichter und einer Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nun werden in den Zeichnungen Ausführungsformen von Systemen und Verfahren zum raschen Entladen eines Wechselspannungsrelais dargestellt. Die Wechselspannungsrelais besitzen ganz allgemein Gleichspannungsspulen, welche eine Schaltkraft liefern, sobald eine genügende Spannung durch die Gleichrichterschaltung angelegt ist. Gleichrichterschaltungen wandeln die Energie von einer Wechselstrom-Steuerspannungsquelle in eine Gleichspannung um. An den Gleichrichter geschaltete Schnellauslöseschaltungen trennen die Gleichspannungsspulen ab und vernichten die in den Gleichspannungsspulen gespeicherte Energie rasch, wenn die Wechselspannungsquelle abgeschaltet wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen besitzt die Schnellauslöseschaltung einen Schalter in Serie mit einer Wechselspannungsspule und eine Unterdrückungsschaltung mit einer üblichen Diode in Serie mit einer Zenerdiode, wobei die Unterdrückungsschaltung parallel über die Gleichspannungsspule geschaltet ist.
In einigen Ausführungsformen werden die Schnellauslöseschaltungen in Verbindung mit Vollweg-Brückengleichrichterschaltungen verwendet. In anderen Ausführungsformen werden die Schnellauslöseschaltung in Verbindung mit Halbwellen-Gleichrichterschaltungen verwendet. Bei Vollweg-Brückengleichrichterschaltungen kann die in der Gleichspannungsspule gespeicherte Energie über die Brückendioden vernichtet werden, wenn die Spannung abgeschaltet wird. Die Zeitspanne, die für eine hinreichende Vernichtung der Energie zum Ändern der Position des Relaisankers benötigt wird, nachdem die Erregungsspannung der Spule abgeschaltet ist, oder Auslösezeit, kann für einige Anwendungen zu lang sein. Beispielsweise ist eine Auslösezeit von 20 Millisekunden (ms) oder darüber zu lang. Unter Verwendung der Schnellauslöseschaltung kann die Auslösezeit wesentlich reduziert werden. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform die Auslösezeit auf 10 ms oder darunter reduziert werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die Auslösezeit um 50 bis 500% verringert.
Bei einer Ausführungsform können die Wechselspannungsrelais mit einer Schnellauslöseschaltung verwendet werden, um die Verteilung von Energie in einem elektrischen System eines Flugzeugs zu steuern. Die Energie kann in Gleichstrom- oder Wechselstrom(Einphasen, zwei oder mehr Phasen)-Systemen oder in Kombinationen davon verteilt werden. Bei einer Anzahl von Ausführungsformen besitzt das Wechselspannungsrelais einen Lastschalter, welcher eine Gleichspannungsquelle schaltet. In einigen Ausführungsformen arbeiten die Gleichspannungsquellen bei 28 Volt, 26 Volt oder 270 Volt. Bei einer Ausführungsform arbeiten die Gleichspannungsquellen im Bereich von 11 bis 28 Volt. Bei anderen Ausführungsformen besitzen die Wechselspannungsrelais drei Lastschalter, welche verschiedene Phasen einer Wechselspannungsquelle schalten. In einer Ausführungsform arbeitet die Wechselspannungsquelle bei 115 Volt und einer Frequenz von 400 Hertz. Bei anderen Ausführungsformen besitzen die Wechselspannungsrelais mit einer Schnellauslöseschaltung mehr als einen Lastschalter, wobei jeder Lastschalter eine Gleichspannungsquelle oder eine einzelne Phase einer Wechselspannungsquelle schalten kann. Bei anderen Ausführungsformen arbeiten die Stromquellen bei anderen Spannungen und anderen Frequenzen. Bei einer Ausführungsform können die Gleichspannungsquellen Batterien, Hilfsstromquellen und/oder externe Gleichspannungsquellen aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die Wechselspannungsquelle Generatoren, Stauluftturbinen und/oder externe Wechselspannungsquellen aufweisen.
1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Stromregelungssystems 100 mit einer Wechselspannungs-Relaisschaltung 104 in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Stromregelungssystem 100 besitzt eine Stromquelle 102, die an die Relaisschaltung 104 geschaltet ist. Die Relaisschaltung 100 ist auch mit einer Last 106 und einer Steuerschaltung 108 verbunden.
Im Betrieb steuert die Relaisschaltung 104 den Stromfluss von der Stromquelle 102 zu der Last 106 auf Basis eines von der Steuerschaltung 108 empfangenen Eingangssignals. Bei einer Ausführungsform ist die Stromquelle eine Wechselspannungsquelle, die in einem Flugzeug verwendet wird. In einem solchen Fall ist die Last eine flugzeugbezogene Last, beispielsweise die Beleuchtung oder Heizung und Kühlsysteme in dem Flugzeug.
Bei verschiedenen Ausführungsformen besitzt die Relaisschaltung 104 eine Gleichspannungsspule und eine Schnellauslöseschaltung. Die Schnellauslöseschaltung kann die Gleichspannungsspule abschalten und die in der Gleichspannungsspule gespeicherte Energie schnell vernichten, wenn die über die Steuerschaltung 108 gelieferte Energie abgeschaltet oder entfernt wird.
2 ist das schematische Schaltbild einer Wechselspannungs-Relaisschaltung 200, welche eine Vollweggleichrichter-Schaltung und eine Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Wechselspannungs-Relaisschaltung besitzt weiters eine Spannungsquelle 202, die mit einem Lastschalter 203 gekoppelt ist. Die Stellung des Lastschalters 203 wird durch die in einer Gleichspannungsspule 208 erzeugte Schaltkraft gesteuert. Der Lastschalter 203 ist auch mit einer Last 206 verbunden.
Eine Gleichspannungs-Steuerquelle 208 ist über einen ersten Schalter 226 mit dem Vollweg-Gleichrichter verbunden. Der Vollweg-Gleichrichter besitzt vier Dioden 210, 212, 214 und 216 in einer Diodenbrücken-Gleichrichteranordnung. Die Dioden 210 und 216 sind mit einer Wechselspannungssteuerung 208 verbunden. Die Dioden 212 und 214 sind mit der Wechselspannungssteuerung 208 über einen Schalter 226 verbunden. Die Kathoden der Diode 210 und der Diode 212 sind an einem Knoten 211 verbunden. Die Anode der Diode 214 und der Diode 216 sind an einem Knoten 215 verbunden. Der Schnellauslöse-Steuerschalter 220 und die Gleichspannungsspule 218 sind in Serie über die Diodenbrücke geschaltet oder zwischen den Knoten 211 und den Knoten 215. Eine Diode 222 und eine Diode 224 sind in einer gegenpoligen Anordnung, d. h. mit den Anoden beider Dioden zusammengeschaltet, parallel zu der Gleichspannungsspule 218 geschaltet. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Kathoden der Diode 222 und der Zenerdiode 224 miteinander verbunden. Bei einer Ausführungsform bilden der Steuerschalter 220, die Diode 222, die Zenerdiode 224 und die Gleichspannungsspule 218 eine Schnellauslöseschaltung.
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Wechselspannungs-Relaisschaltung mit einer Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei bestimmten Ausführungsformen wird das Verfahren in Verbindung mit den Schellauslöseschaltungen der 2 durchgeführt. In Block 302 beginnt das Verfahren durch Schließen des Schalters S1 und des Schalters S2, um die Gleichspannungsspule unter Verwendung der Wechselspannungs-Steuerquelle zu erregen. In Block 304 bestimmt das Verfahren, ob die Gleichspannungsspule genügend erregt wurde, um die für die Betätigung des Lastschalters erforderliche Kraft zu erzeugen. Falls die Gleichspannungsspule nicht genügend erregt ist, kehrt das Verfahren zu Block 302 zurück und lädt die Gleichspannungsspule weiter auf. Wenn die Gleichspannungsspule genügend erregt ist, geht das Verfahren zu Block 306 weiter. In Block 306 öffnet das Verfahren den Schalter S1, welcher den Gleichrichter von der Wechselspannungs-Steuerquelle trennt. In Block 308 öffnet das Verfahren den Schalter S2, um die Gleichspannungsspule von dem Gleichrichter zu trennen. Bei einer Anzahl von Ausführungsformen wird durch die Gleichspannungsspule als Antwort auf den plötzlichen Verlust des durch die Wechselspannungs-Steuerquelle zugeführten Stroms eine Gegenspannung oder elektromotorische Gegenkraft (EMK) erzeugt. In Block 310 entlädt das Verfahren die in der Gleichspannungsspule (z. B. Gegenspannung) gespeicherte Energie unter Verwendung der Schnellauslöseschaltung.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform besitzt die Schnellauslöseschaltung die Diode 222 und die Zenerdiode 224 in einer gegenpoligen Konfiguration. Bei einigen Ausführungsformen arbeitet die Zenerdiode, falls die von der Gleichspannungsspule erzeugte Gegen-EMK größer als die Durchbruchsspannung der Zenerdiode ist, in einem Modus mit Sperrvorspannung und ermöglicht es, dass eine gesteuerte Größe des Stroms durch die Zenerdiode und somit durch die konventionelle Diode fließt. In solchen Fällen vernichten beiden Dioden Energie, da Strom durch beide Dioden fließt und zu der Gleichspannungsspule zurückkehrt. Dieser Vernichtungszyklus kann sich wiederholen, bis die Gleichspannungsspule völlig entladen ist. Bei einigen Ausführungsformen wird die Gleichspannungsspule in einem einzigen Zyklus entladen. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird der Wert der Zenerdiode, die Zener- oder Durchbruchsspannung, gewählt um eine bestimmte Auslösezeit zu ermöglichen. Beispielsweise ermöglicht bei einer Ausführungsform die Verwendung einer 200 Volt-Zenerdiode eine Auslösezeit von weniger als 10 ms.
Bei einer Ausführungsform kann das Verfahren die gezeigten Aktionen beliebig ausführen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren eine oder mehrere der Aktionen auslassen. Bei einigen Ausführungsformen führt das Verfahren zusätzliche Aktionen in Verbindung mit dem Verfahren aus. In anderen Ausführungsformen werden ein oder mehrere Aktionen gleichzeitig durchgeführt.
3a ist ein Flussdiagramm eines Ablaufs von Aktionen, die von einer Wechselspannungs-Relaisschaltung mit einer Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen wird das Verfahren in Verbindung mit der Schnellauslöseschaltung der 2 ausgeführt. In Block 320 erhält die Schaltung Energie über eine Ladespannung. Bei einer Ausführungsform wird die Ladespannung von einer Wechselspannungs-Steuerquelle geliefert. In Block 322 speichert die Schaltung die erhaltene Energie in einer Relaisspule. In Block 324 erzeugt die Schaltung eine Schaltkraft, die ausreichend ist, um einen oder mehrere Lastschalter zu betätigen. In Block 326 erzeugt die Schaltung eine Gegen-EMK, wenn die Ladespannung abgeschaltet wird. In einigen Ausführungsformen erzeugt die Relaisspule die Gegen-EMK.
Im Block 328 trennt die Schaltung die Relaisspule und die Unterdrückungsschaltung unter Verwendung einer Trennschaltung. In Block 330 erlaubt die Schaltung, dass die Gegen-EMK auf einen vorgegebenen Wert ansteigt, sodass die der Relaisspule zugeordnete Auslösezeit wesentlich reduziert wird. Bei einigen Ausführungsformen verringert die Schaltung die Auslösezeit für das Wechselspannungsrelais um 50 bis 500%. In Block 332 unterdrückt die Schaltung die Gegen-EMK, nachdem sie auf einen vorbestimmten Pegel gestiegen ist. Bei einer Ausführungsform beträgt der vorbestimmte Pegel 200 Volt. In Block 334 vermeidet die Schaltung eine Lichtbogenbildung über der Trennschaltung. Bei einer Ausführungsform besitzt die Unterdrückungsschaltung eine konventionelle Diode in Serie mit einer Zenerdiode. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der Wert oder die Durchbruchspannung der Zenerdiode so gewählt, dass er kleiner als die Lichtbogenzündspannung über der Trennschaltung ist. In einem solchen Fall wird die Zenerdiode leitend, bevor eine Lichtbogenbildung über der Trennschaltung eintritt.
Bei einer Ausführungsform kann die Schaltung die gezeigten Aktionen beliebig ausführen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Schaltung eine oder mehrere der Aktionen auslassen. Bei einigen Ausführungsformen führt die Schaltung zusätzliche Aktionen aus. In anderen Ausführungsformen werden ein oder mehrere Aktionen gleichzeitig durchgeführt.
4 ist eine schematische Schaltung einer Wechselspannungs-Relaisschaltung 400 mit einem Vollweg-Gleichrichter und einer Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wechselspannungs-Relaisschaltung 400 weist ferner eine Stromquelle 402 auf, die mit einem Lastschalter 403 verbunden ist. Die Position der Lastschalters 403 (z. B. die Lage des Ankers des Lastschalters) wird durch eine in einer Gleichspannungsspule 408 erzeugte Schaltkraft gesteuert. Der Lastschalter 403 ist auch an eine Last 406 geschaltet.
Eine Wechselspannungs-Steuerquelle 408 ist über einen ersten Schalter 426 an den Vollweg-Gleichrichter geschaltet. Der Vollweg-Gleichrichter weist vier Dioden 410, 412, 414 und 416 in einer Diodenbrücken-Gleichrichterschaltung auf. Die Dioden 410 und 416 sind an eine Wechselspannungssteuerung 408 geschaltet. Die Dioden 412 und 414 sind an die Wechselspannungssteuerung 408 über einen Schalter 426 geschaltet. Die Kathoden der Diode 410 und Diode 412 sind in einem Knoten 411 miteinander verbunden. Die Anoden der Diode 414 und der Diode 416 sind in einem Knoten 415 miteinander verbunden. Ein Schnellauslöse-Steuerschalter 420, der hier als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet ist und die Gleichspannungsspule 418 sind in Serie über die Diodenbrücke geschaltet oder zwischen den Knoten 411 und den Knoten 415. Eine Diode 422 und eine Zenerdiode 424 sind gegenpolig miteinander verbunden, d. h. die Anoden beider Dioden sind miteinander verbunden, parallel zu der Gleichspannungsspule 418. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Kathoden der Diode 422 und der Zenerdiode 424 miteinander verbunden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen bilden der Steuerschalter 420, die Diode 422, die Zenerdiode 424 und die Gleichspannungsspule 418 eine Schnellauslöseschaltung. Bei einer Ausführungsform ist der Wert oder die Durchbruchsspannung der Zenerdiode so gewählt, dass er gerade geringer ist, als die Durchbruchsspannung der parasitären Diode des MOSFET-Schalters 420. In einem solchen Fall arbeitet die Schaltung so, dass die Zenerdiode leitet, bevor der MOSFET-Schalter einen Strom im Sperrbetrieb erlaubt. Bei anderen Ausführungsformen kann der Wert der Zenerdiode ausgehend von anderen Schaltcharakteristika gewählt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist der Wert der Zenerdiode so gewählt, dass eine Lichtbogenbildung zwischen Schalterkontakten vermieden wird.
Während die Gegen-EMK der Gleichspannungsspule größer als die Durchbruchsspannung der Zenerdiode ist, arbeitet bei einigen Ausführungsformen die Zenerdiode in einem Sperrspannungsbetrieb, was erlaubt, dass eine gesteuerte Stromgröße durch die Zenerdiode und damit durch die herkömmliche Diode fließt. In einem solchen Fall vernichten beiden Dioden Energie, da der Strom durch beide Dioden fließt und dann zu der Gleichspannungsspule zurückkehrt. Der Vernichtungszyklus kann sich wiederholen, bis die Gleichspannungsspule völlig entladen ist. Bei einigen Ausführungsformen werden der Wert der Zenerdiode, die Zener- oder Durchbruchsspannung, und die Eigenschaften des MOSFET (z. B. der Wert der Durchbruchsspannung der parasitären Diode) so gewählt, dass sie eine bestimmte Auslösezeit ermöglichen. Beispielsweise ermöglicht bei einer Ausführungsform eine Zenerdiode mit einer Durchbruchsspannung von 200 V eine Auslösezeit von weniger als 10 ms. In einem solchen Fall kann ein MOSFET mit einer Durchbruchsspannung der parasitären Diode von mehr als 200 V verwendet werden. Bei einer Ausführungsform beträgt die Durchbruchsspannung der parasitären Diode beispielsweise 500 V. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine eigene Zenerdiode anstelle der gezeigten parasitären (Zener)diode in Parallelschaltung zu dem MOSFET 420 verwendet.
5 ist eine schematische Schaltung einer Wechselspannung-Relaisschaltung 500 mit einem Halbwellen-Gleichrichter und einer Schnellauslöseschaltung im Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Gleichspannungs-Relaisschaltung 500 besitzt ferner eine Stromquelle 502, die an einen Lastschalter 503 geschaltet ist. Die Lage des Ankers des Lastschalters 503 wird durch die in einer Gleichspannungsspule 514 erzeugte Schaltkraft gesteuert. Der Lastschalter 503 ist auch an eine Last 506 geschaltet.
Eine Wechselspannungs-Steuerquelle 508 ist über eine Halbwellen-Gleichrichterdiode 510 an die Gleichspannungsspule 514 geschaltet. Die Wechselspannungs-Steuerquelle 508 ist auch über einen MOSFET-Schalter 512 an die Gleichspannungsspule 514 geschaltet. Eine Diode 516 und einer Zenerdiode 518 sind in gegenpoliger Schaltung, d. h., die Anoden der beiden Dioden sind miteinander verbunden, über (d. h. parallel zu) die Gleichspannungsspule 514 geschaltet. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Kathoden der Diode 516 und der Zenerdiode 518 miteinander verbunden.
Im Betrieb kann die Wechselspannungs-Relaisschaltung 500 wie in 3 beschrieben arbeiten. Bei einigen Ausführungsformen bilden der Steuerschalter 512, die Diode 516, die Zenerdiode 518 und die Gleichspannungsspule 514 eine Schnellauslöseschaltung. In einer Ausführungsform ist der Wert oder die Durchbruchsspannung der Zenerdiode so gewählt, dass er geringer ist als die Durchbruchsspannung der parasitären Diode des MOSFET-Schalters 512. In einem solchen Fall arbeitet die Schaltung so, dass die Zenerdiode leitet, bevor der MOSFET-Schalter einen Strom in Gegenrichtung erlaubt. In einem solchen Fall wird eine Lichtbogenbildung über den MOSFET-Schalter verhindert. Bei anderen Ausführungsformen kann der Wert der Zenerdiode auf Basis anderer Schaltungseigenschaften gewählt werden. Bei einer Anzahl von Ausführungsformen wird der Wert der Zenerdiode so gewählt, dass eine Lichtbogenbildung zwischen Schalterkontakten vermieden wird.
Wenn der Wert der Gegen-EMK der Gleichspannungsspule größer als die Durchbruchsspannung der Zenerdiode ist, arbeitet die Zenerdiode bei einigen Ausführungsformen in einem Sperrspannungsbetrieb und erlaubt es, dass ein gesteuerter Betrag eine Stromes durch die Zenerdiode und die herkömmliche Diode fließt. In solchen Fällen vernichten beide Dioden Energie, da der Strom durch beide Dioden fließt und zu der Gleichspannungsspule zurückkehrt. Der Vernichtungszyklus kann sich wiederholen, bis die Gleichspannungsspule völlig entladen ist.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Gleichspannungsspule in einem einzigen Zyklus entladen. Bei verschiedenen Ausführungsformen werden der Wert der Zenerdiode, die Zener- oder Durchbruchsspannung, und die Eigenschaften des MOSFET (z. B. der Wert oder die Durchbruchsspannung der parasitären Diode) so gewählt, dass sie eine bestimmte Auslösezeit ermöglichen. Eine Zenerdiode mit einer Durchbruchsspannung von 200 V ermöglicht beispielsweise bei einer Ausführungsform eine Auslösezeit von weniger als 10 ms. In einem solchen Fall kann ein MOSFET mit einer Durchbruchsspannung der parasitären Diode von mehr als 200 V verwendet werden. Bei einer Ausführungsform beträgt die Durchbruchsspannung der parasitären Diode beispielsweise 500 V. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine getrennte Zenerdiode anstelle der gezeigten parasitären (Zener)diode verwendet. In einem solchen Fall kann die getrennte Zenerdiode das MOSFET-Schaltverhalten bezüglich Gegen-EMK's verbessern und/oder die Schaltung vor anderen Überspannungen, z. B. Blitzschlag, schützen.
Bei einigen Ausführungsformen setzt die Schnellauslöseschaltung die Auslösezeit für das Wechselspannungsrelais um 50% bis 500% herab. In einem solchen Fall arbeitet das Wechselspannungsrelais mit einer Schnellauslöseschaltung jedenfalls um 50 bis 500% schneller als ein herkömmliches Wechselspannungsrelais.
6 ist eine schematische Schaltung einer Wechselspannung-Relaisschaltung 600 mit einem Vollweggleichrichter und einer Schnellauslöseschaltung in Einklang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wechselspannungs-Relaisschaltung 600 besitzt eine Wechselpannungs-Steuerquelle 608, die mit einem Dioden-Brückengleichrichter verbunden ist und eine Schnellauslöseschaltung einschließlich einer Gleichspannungsspule, die über den Diodenbrücken-Gleichrichter geschaltet ist. Der Diodenbrücken-Gleichrichter besitzt vier Dioden 610, 612, 614 und 616 in einer Diodenbrücken-Gleichrichterschaltung. Die Dioden 610 und 616 sind an eine Wechselspannungssteuerung 608 geschaltet. Die Dioden 612 und 614 sind an die Wechselspannungssteuerung 608 geschaltet. Die Kathoden der Diode 610 und der Diode 612 sind in einem Knoten 611 verbunden. Die Anoden der Diode 614 und der Diode 616 sind in einem Knoten 615 verbunden.
Ein Schnellauslöse-Steuerschalter 620, der hier als MOSFET ausgebildet ist, und die Gleichspannungsspule 618 sind in Serie verbunden über die Diodenbrücke geschaltet, oder zwischen den Knoten 611 und 615. Eine Diode 622 und eine Zenerdiode 624 sind in einer gleichsinnigen Konfiguration (d. h., die Kathoden der beiden Dioden sind in Serie miteinander geschaltet) über die Gleichspannungsspule 618 geschaltet. In einer anderen Ausführungsform sind die Anoden der Diode 622 und der Zenerdiode 624 miteinander verbunden. Ein Widerstand 626 ist mit dem Knoten 611 und einer Kathode einer zweiten Zenerdiode 628 verbunden. Die Anode der Zenerdiode 628 ist mit dem Gate des MOSFET-Schalters 620, einem Kondensator 630 und einem Widerstand 632 verbunden. Der Kondensator 630 und der Widerstand 632 sind auch mit dem Knoten 615 verbunden, der an Masse liegt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Drain des MOSFET-Schalters 620 mit der Diode 622 und der Gleichspannungsspule 618 verbunden. Die Source des MOSFET-Schalters 620 ist an den Knoten 615 geschaltet. Bei der gezeigten Ausführungsform besitzt der MOSFET-Schalter 620 eine Body-Zenerdiode oder inhärente Diode, deren Kathode mit dem Drain und deren Anode mit der Source verbunden ist. Bei anderen Ausführungsformen ist eine getrennte Zenerdiode in gleicher Polarität über Drain und Source des MOSFET-Schalters 620 geschaltet.
Bei einigen Ausführungsformen werden die Werte für den Widerstand 626, die Zenerdiode 628, den Kondensator 630 und dem Widerstand 632 so gewählt, dass der MOSFET-Schalter 620 etwa zur gleichen Zeit eingeschaltet wird, zu dem die an die Gleichspannungsspule 618 gelegte Spannung einen Wert erreicht, der ausreichend ist, damit die Gleichspannungsspule die Schaltkraft erreicht, die genügt, um den Anker des Relais (nicht gezeigt) zu betätigen. In einem solchen Fall öffnet der MOSFET-Schalter 620 und trennt die Gleichspannungsspule 618 und die Komponenten zur Transientenunterdrückung (Zenerdiode 624 und Diode 622) ab. Die RC-Schaltung mit dem Kondensator 630 und dem Widerstand 632 hält die Gatespannung des MOSFET-Schalters 620 für eine Zeitspanne, welche ausreicht, damit die Komponenten zur Transientenunterdrückung die Gleichspannungsspule vollständig entladen. Bei verschiedenen Ausführungsformen besitzt die Zenerdiode 624 eine relativ hohe Durchbruchsspannung, sodass eine hohe Gegen-EMK erzeugt und rasch vernichtet wird. In solchen Fällen wird die Auslösezeit der Gleichspannungsspule, verglichen mit einem herkömmlichen Relais, merklich herabgesetzt.
Bei einer Ausführungsform besitzt die Zenerdiode 640 eine Durchbruchsspannung von 200 V. wogegen die Zenerdiode 628 eine Durchbruchsspannung von 12 V besitzt. Bei anderen Ausführungsformen können Zener-Dioden mit unterschiedlichen Durchbruchsspannungen verwendet werden.
Bei einer Anzahl von Ausführungsformen sind zusätzliche Merkmale eines Wechselspannungsrelais mit einer Schnellauslöseschaltung dahingehend konstruiert, eine gewisse geplante Gegen-EMK zu beherrschen. Beispielsweise ist bei einigen Ausführungsformen der Abstand der Leiterbahnen auf einer Leiterplatte des Wechselspannungsrelais so ausgeführt, dass eine Lichtbogenbildung zwischen Leiterbahnen bei der erwarteten Gegen-EMK vermieden wird. Bei anderen Ausführungsformen sind das Material und die Dicke einer Beschichtung (Beschichtungen), die auf die Gleichspannungsspule aufgebracht sind, so gewählt, dass eine Lichtbogenbildung zwischen Windungen bei der erwarteten Gegen-EMK und/oder eine Beschädigung von Beschichtungen aufgrund der Größe der Gegen-EMK vermieden werden.
Wenngleich die obige Beschreibung viele spezifische Ausführungsformen der Erfindung enthält, sollten diese nicht als Einschränkungen des Schutzumfangs der Erfindung ausgelegt werden, sondern vielmehr als Beispiele deren spezifischen Ausführungsformen. Dementsprechend soll der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die gezeigten Ausführungsformen bestimmt werden, sondern durch die angefügten Ansprüche und deren Äquivalente.

Claims

Schaltung zum Entladen einer Relaisspule (218), gekennzeichnet durch, eine Spannungsquelle (202), die dazu eingerichtet ist, die Relaisspule zu erregen, eine an die Spannungsquelle geschaltete Gleichrichterschaltung, wobei die Gleichrichterschaltung (210, 212, 214, 216) zumindest eine Diode besitzt, eine Relaisauslöseschaltung, die aufweist: einen mit der Gleichrichterschaltung verbundenen Schalter (220), wobei der Schalter in Serie mit der Relaisspule liegt, und die Relaisspule an die Gleichrichterschaltung geschaltet ist, und eine Unterdrückungsschaltung, die parallel zu der Relaisspule geschaltet ist, wobei die Unterdrückungsschaltung eine zweite Diode (222) in Serie mit einer Zenerdiode (224) besitzt, und die Relaisspule dazu eingerichtet ist, dass sie, wenn sie genügend erregt ist, eine Schaltkraft liefert, die ausreichend ist, zumindest einen Lastschalter (203) zu betätigen, der mit zumindest einer geschalteten Leitung verbunden ist, und die Unterdrückungsschaltung dazu eingerichtet ist, die in der Relaisschaltung gespeicherte Energie zu entladen.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter einen vorgewählte Spannungsgrenze besitzt und die Zenerdiode eine Durchbruchsspannung besitzt, die geringer ist, als die Spannungsgrenze des Schalters.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den Schalter gelegte Spannung, die unter der Spannungsgrenze liegt, keinen Lichtbogen über dem Schalter verursacht.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein MOSFET-Schalter ist.
Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewählte Spannungsgrenze des MOSFET-Schalters auf einer Eigenschaft der Body-Diode des MOSFET-Schalter basiert.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung, eine Brückengleichrichterschaltung mit vier Dioden in einer Brückkonfiguration besitzt.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode der zweiten Dioden mit einer Anode der Zenerdiode verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode der zweiten Diode mit einer Kathode der Zenerdiode verbunden.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter dazu eingerichtet ist, die Relaisspule und die Unterdrückungsschaltung von der Gleichrichterschaltung abzutrennen.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaisauslöseschaltung dazu eingerichtet ist, den Lastschalter auszulösen, sobald genügend Energie der Relaisspule vernichtet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaisauslöseschaltung dazu eingerichtet ist, eine Auslösezeit des die Relaisspule enthaltenden Relais zu minimieren.
Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gate des MOSFET mit einer RC-Schaltung in Serie mit einer Zenerdiode und einem Widerstand verbunden ist, wobei die RC-Schaltung, die Zenerdiode und der Widerstand parallel zu dem Gleichrichter geschaltet sind.