DE3121462A1

DE3121462A1 - Leistungsrelais mit einer sparschaltung fuer den haltestrom

Info

Publication number: DE3121462A1
Application number: DE19813121462
Authority: DE
Inventors: Kenneth C. Lima Ohio Shuey
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-06-06
Filing date: 1981-05-29
Publication date: 1982-02-25
Also published as: IT1146881B; GB2077543A; US4326234A; JPS6055936B2; IT8141590A0; JPS5715323A; FR2484134A1

Description

- (f, WS258P-2294

Leistungsrelais mit einer Sparschaltung für den Haltestrom

Die Erfindung betrifft ein Leistungsrelais mit einer Sparschaltung, über welche die Relaisspule mit einem Schließstrom und einem Haltestrom beaufschlagbar ist, wobei der Schließstrom größer als der Haltestrom, ist, und ferner mit Abtasteinrichtungen, um den über die Relaisspule fließenden Strom zu erfassen.

Ein elektromagnetisches Relais benötigt zum Betätigen der Kontakte, z.B. der Arbeitskontakte, einen durch die Relaisspule fließenden Strom bekannter Größe. Sobald die Kontakte betätigt sind, wird für das Aufrechterhalten des Schaltzustandes nur noch ein wesentlich verringerter Haltestrom benötigt, der typischerweise z.B. bei einem Viertel des Schließstroms liegen kann. Damit ergibt sich bei vielen Relais die Situation, daß nach dem Betätigen bzw. Schließen der "Kontakte über die Relaisspule ein wesentlich größerer Haltestrom fließt als in der Tat benötigt wird, womit sich eine erhöhte Verlustleistung für das Relais ergibt. Dies wirkt sich als besonders nachteilig in kompakten, besonders hohen

. Zuverlässigkeitsanforderungen FS/hh

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Zuverlässigkeitsanforderungen unterliegenden Schaltungen aus, da die durch die Verlustleistung entstehende Wärme abgeführt werden muß. Von besonderem Nachteil ist die erhöhte -Verlustleistung in Schaltungsanordnungen, bei welchen möglichst jeglicher Leistungsverlust vermieden werden soll, wie dies beispielsweise bei der Raumfahrt gefordert wird. Die Verlustleistung wirkt sich ganz besonders nachteilig bei den normalen Versorgungsspannungen aus, da sie ein Produkt aus Spannung und Relaisspulenstrom ist.

Es ist bereits bekannt, die Relaisspule mit einer Sparschaltung zu versehen, um die Verlustleistung zu verringern, wobei mit Hilfe eines weiteren Kontaktpaares nach dem Betätigen des Relais der Haltestrom reduziert wird. Ein weiteres Kontaktpaar wird jedoch als nachteilig angesehen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Sparschaltung für ein Leistungsrelais zu schaffen, bei welchem insbesonderedie durch den Haltestrom bewirkte Verlustleistung weitgehendst reduziert wird, ohne daß dadurch die Ansprechsicherheit beeinträchtigt wird. Außerdem sollen keine beweglichen Teile für die Sparschaltung Verwendung finden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Vergleichseinrichtungen vorhanden sind, welche den abgetasteten über die Re- laisspule fließenden Strom mit einer Bezugsgröße vor gegebener Amplitude vergleichen, und daß Strombegrenzungseinrichtungen den Versorgungsstrom für die Relaisspule nach dem Betätigen des Relais auf einen Strom verringern, welcher zumindest gleich dem Haltestrom, jedoch kleiner als der Schließstrom ist, wobei die Induktivität der Relaisspule zur Aufrechterhaltung des Haltestroms

Verwendung

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Verwendung findet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Schaltung verwendet, in welcher die Induktivität der Relaisspule als Drossel einer Stromsteuerschaltung benutzt wird, welche Abtastelemente zum Feststellen des Relaisspulenstroms hat, um diesen mit einem Bezugsstrom zu vergleichen, sodaß nach der Betätigung des Relais mit Hilfe des Schließstromes der Haltestrom im wesentlichen von der Induktivität der Relaisspule selbst geliefert wird, um nach dem Abklingen des Haltestroms auf ein Minimalniveau die Versorgungsspannung kurzzeitig einzuschalten, um den Haltestrom aufrecht zu erhalten. Dabei finden Transistoreinrichtungen und ein Spannungskomparator Verwendung. Ferner sind Transistoreinrichtungen vorgesehen, um den Relaisspulenstrom möglichst rasch abzubauen, wenn die Relais spulenerregung abgeschaltet wird.

Mit Hilfe der Maßnahmen gemäß der Erfindung ist es möglich, die Verlustleistung im eingeschwungenen Zustand ganz wesentlich zu verringern, wobei die geringere Zuverlässigkeit mechanisch betätigter Haltestromschaltungen vermieden wird.

Die' Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
25

Fig. 1 das Schaltbild eines Leistungsrelais mit einer Sparschaltung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 das Schaltbild eines Leistungsrelais gemäß der Erfindung;

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Fig. 3 ein Diagramm, aus welchem der Sparinungs- und Stromverlauf im Leistungsrelais gemäß der Erfindung hervorgeht.

In Fig. 1 ist das Schaltbild eines bekannten Leistungsrelais dargestellt, in welchem eine Relaisspule 10 mit einer Sparschaltung zusammenarbeitet, um den Arbeitsstrom zu reduzieren, wenn das Relais die Kontakte 14 geschlossen hat. Die Sparschaltung umfaßt grundsätzlich eine Serienschaltung aus der Relaisspule 10 und einem Schalter 16 sowie einem Spannungsstabilisator 32. Mit Hilfe eines elektronischen Schalters 18 wird der an den Zweig der Schaltung mit der Relais spule 10 angelegte Strom gesteuert. Der Schalter 16 wird von einem Ruhekontaktpaar des Relais verwirklicht und mit der Relaisspule 10 betätigt, wobei der Schalter 16 verhältnismäßig spät geöffnet · wird, nachdem genügend Strom zum Betätigen der Arbe its kontakte 14 durch die Relaisspule geflossen ist. Parallel zum Schalter 16 liegt ein Widerstand R, um den Strom durch die Relaisspule 10 zu begrenzen. Ferner kann eine Haltespule L parallel zum Schalter 16 angeordnet sein, welche dafür sorgt, daß die Verlustleistung im eingeschwungenen Zustand reduziert wird.

Es ist wünschenswert, den Schalter 16, welcher ein mechanischer Schalter ist, zu entfernen, da dieser Schalter sowohl Schwierigkeiten bezüglich der Zuverlässigkeit als auch im Hinblick auf die Justierung bereiten kann.

In Fig. 2 ist eine Relaisschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche zusammen mit einem Leistungsrelais Verwendung findet, das aus einer Relaisspule 10 und einem Mechanismus 11 zum Betätigen der Kontakte

besteht.

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besteht. Das Relais und die Steuerschaltung sind über eine Gleichstromversorgung über die Klemmen 20 und 21 angeschlossen. Die Relaisspule 10 ist in einer Weise aufgebaut, daß sie die Kontakte 14 bei einem Schließstrom betätigt und diese Kontakte geschlossen hält, solang ein Haltestrom über die Relaisspule fließt, der kleiner als der Schließstrom ist. Mit der Relaisspule arbeitet eine Steuerschaltung 30 zusammen, welche zunächst den Schließstrom anlegt tind dann den Haltestrom mit einer geringeren Amplitude solange aufrecht erhält, bis die Gleichstromversorgung von den Klemmen 20 und 21 aus unterbrochen wird. Zu diesem Zweck ist ein Schalter 15 vorgesehen. Die Steuerschaltung 30 umfaßt zur Ermittlung des Stromes durch die Relaisspule 10 Sensoreinrichtungen, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem Widerstand R4 bestehen, an welchem, eine Spannung entsprechend dem Relaisspulenstrom abfällt. Dieser Widerstand R 4 hat einen verhältnismäßig kleinen Wert, z.B. in der Größenordnung von 0,5 Ohm, sodaß sich nur eine geringe Verlustleistung ergibt. Ferner sind Vergleichseinrichtungen vorgesehen, um den Relaisspulenstrom, mit einer Amplitude zu vergleichen. Diese Vergleichseinrichtungen umfassen einen Spannungskomparator Zl, der auf einem Eingang mit der Spannung vom Widerstand R4 über die Leitung 31 beaufschlagt wird. Am anderen Eingang des Spannungskomparators liegt eine Gleichspannung, welche von einem' Spannungsstabilisator 32 über einen Spannungsteiler 33 geliefert wird. Das Ausgangssignal am Spannungskomparator Zl kennzeichnet den Relaisspulenstrom zu einem gegebenen Zeitpunkt im Vergleich zu der Bezugsgröße, welche den Anforderungen entsprechend eingestellt wird, um die Relaiskontakte geschlossen zu halten.

Außerdem sind Komponenten vorhanden, um den Relaisspulen

strom

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strom an- und abzuschalten. Mit Hilfe dieser Komponenten wird der Versorgungsstrom von der Relaisspule abgeschaltet und an dieser vorbeigeführt während Perioden, in welchen die Kontakte geschlossen sind. Der Haltestrom für diesen Zweck reicht aus, um die Kontakte geschlossen "zu halten und um weiteren Strom zuzufügen, wenn der Spulenstrom ein unteres Niveau erreicht, welches in der Nähe der Minimumanforderungen für den Haltestrom liegt. Im Relaisspulenstromkreis liegen Transistoreinrichtungen 34 und 35, die die gewünschten Schaltfunktionen bewirken. Die erste Transistoreinrichtung 34 umfaßt die Transistoren Ql und Q2, welche leitend sein müssen, um der Relaisspule die Versorgungsspannung zuführen zu können. Die Transistoreinrichtungen 35 liegen auf der Fußpunktseite der Relaisspule und üben eine Funktion aus in Verbindung mit dem Einschalten der Relaisspulen und außerdem während der Verringerung des Relaisspulenstromes, um das Relais zu öffnen, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird.

Unter der Annahme, daß zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Schalter 15 geschlossen wird, die Versorgungsspannung über die Anschlußklemmen 20 und 21 anliegt, werden die Transistoren Q2 und Q4 leitend, da die an der Basis des Transistors Q4 über die Zehnerdiode CR5 und den Widerstand R7 wirksame Spannung für die Ansteuerung ausreicht. Diese positive Basisansteuerung macht auch die npn-Transistorkombination Q3 und Q4 leitend. 25

Zu diesem Zeitpunkt erscheint eine verhältnismäßig niedere Spannung am Widerstand R4, sodaß der Spannungskomparator Zl eine verhältnismäßig große Differenz zwischen den beiden Eingängen feststellt, wodurch der Transistor Q5 angesteuert wird, der seinerseits die Transistoren Ql und Q2 leitend macht, und damit

den Stromkreis

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den Stromkreis über die Relaisspule 10 schließt. Wenn die Transistoren Ql und Q2 voll leitend und damit im Sättigung s zu stand sind, fließt die volle Leistung von der Gleichstromversorgung aus über die Relaisspule 10. Sobald der Spannungsabfall am Wider-. 5 stand R4 ein Niveau erreicht, welches über den Spannungsteiler aus den Widerständen RlO₁ RIl, R12 und R13 eingestellt wird, geht die Ansteuerung vom Spannungskomparator Zl der Transistoren Ql und Q2 verloren, womit die Relaisspule 10 praktisch von der Gleichstromversorgung abgeschaltet wird. Die Relaisspule 10 beginnt zu diesem Zeitpunkt als Stromquelle auf den Niederspannungskreis aus den Transistoren Q3 und Q4 sowie der' Diode ZR2 zu arbeiten. Die Diode ZR2 liegt zwischen der negativen Spannungsversorgung und der positiven Seite der Relaisspule 10. Eine niedere Kommutations-Spannung hält die Änderung des Entladestroms auf einem niederen Wert. Wenn sich der Relaisspulenstrom auf ein Niveau verringert hat, das durch den Spannungsteiler festgelegt wird, in welchem der Widerstand RIO die Schalthysterese bestimmt, schaltet der Spannung skomparator Zl die Transistoren Ql und Q2 erneut ein und wiederholt den Zyklus.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Spulenspannung und des Spulenstromes für die Perioden t und t dargestellt, wobei die Periode t den

- 1 Δ 4·

Zeitraum umfaßt, in welchem die Transistoren Ql und Q2 eingeschaltet sind, sodaß eine verhältnismäßig hohe Spannung an der Spule anliegt und sich der Strom aufbaut. Während der dazwischenliegenden verhältnismäßig langen Zeitperiode t nimmt der Strom langsam ab, um beim Erreichen des vorgegebenen Niveaus L^ erneut die Einschaltung der Transistoren Ql und Q2 auszulösen, sodaß sich der Relaisspulenstrom erneut aufbauen kann. Die Transistören Q3 und Q4 sowie die Zener-Diode CR3 mit den dazugehöri

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gen Widerständen R5 und R6 bewirken eine schnelle Abschaltzeit, wenn die Gleichstromversorgung unterbrochen wird. Wenn also keine Spannung an den Gleichstromklemmen 20 und 21 anliegt oder ein nicht dargestellter Schalter geöffnet wird, gehen die Transistoren Q3 und Q4 aus dem Sättigungszustand, sodaß sich der Kommutationsweg für die Relaisspule über die Dioden CR3 und CR4 erstreckt. Der Anstieg der Kommutationsspannung bewirkt eine höhere Änderungsgeschwindigkeit für den Strom und damit eine kurze Abfallzeit, während welcher die Relaiskontakte rasch geöffnet werden.

Der Spannungsstabilisator 32 umfaßt die Transistoren Q6, Q7, die Widerstände R14, Rl5 sowie die Zener-Diode CR4 und den Kondensator Cl. Von dieser Schaltung aus wird stoßweise die stabilisierte Spannung an den Spannungsteiler 33 sowie den Spannungskomparator Zl abgegeben. Die stoßweise abgegebene Spannung bewirkt eine Überbrückung des Widerstandes Rl2 durch den Kondensator Cl beim Einschalten und liefert einen auf einem hohen Niveau liegenden Bezugsstrom für den Spannungskomparator Zl.

Dieses anfängliche hohe Niveau bewirkt, daß der Schließstrom erreicht wird, bevor die Regelfunktion beginnt. Beim Aufladen des Kondensators Cl verringert sich der Referenzstrom, so daß dieser im eingeschwungenen Zustand den Referenzwert annimmt. Die Zeitkonstante ist derart eingestellt, daß sie über der maximalen Schließzeit des Relais liegt. Der Spannungsstabilisator mit den Transistoren Q6, Q7, ist durch die US-PS 4 052 660 bekannt. Der in dieser US-PS beschriebene Stromkreis bewirkt die Spannungsstabilisierung mit Gatter-Funktionen, um das gewünschte Niveau zu erreichen. Der Spannungs stabilisator 32 unterscheidet sich von diesem bekannten Aufbau und benötigt weniger Kompo

nenten,

- ι/-

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nenten₅ insbesondere wegen der niederen Verlustleistung des Transistors Q6.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Werte der Komponenten angegeben, mit welcher die Schaltung gemäß Fig. 2 verwirklicht werden kann. Dabei liegt an den Anschlußklemmen 20 und 21 eine Gleichstromspannung von 28 Volt. Der erforderliche Schließstrom des Relais hat eine Größe von etwa 4 A₅ wogegen der erforderliche Haltestrom in der Größenordnung von 0, 6 A liegt. Die Zeit t der Schaltung liegt in der Größenordnung von etwa 0, 36 ms, wogegen die Kommutationszeit t_ etwa einen Wert von 6, 7 ms hat. Die Dauerverlustleistung liegt in der Größenordnung von etwa 1, 72 Watt.

Tabelle Komponenten der Schaltung gemäß Fig.

Transistoren Ql und Q3 Transistoren Q2 und Q7 Transistoren Q4, Q6 und Q5 Dioden CRl und CR2 Zenerdiode CR3 Zenerdiode CR4 Zenerdiode CR5 Kon densator Cl Komparator Zl Widerstände Rl₁ R6, und R8 Widerstand R2 Widerstände R3 und R5 Widerstand R7

2N3773 2N2904 2N2219A 1N4002 46 V, 400 mW 15 V, 400 mW 10 V, .400 mW 0,1 microf.₅ 37 V₅ Tantal Lml24

IxIO³ Ohm₅ 1/4 W

1,8x10³ Ohm₅ 1/2 W

51 Ohm, 1/4 W

3x10³ Ohm₅ 1/2 W

Widerstände R9₅ Rl 3

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Widerstände R9, Rl3 10x10 Ohm, 1/2 W

Widerstand RIO · 5xlO⁶ Ohm, 1/2 W

Widerstand RIl . 4OxIO³ Ohm, 1/2 W

Widerstand Rl2 450x10 Ohm, 1/2 W

Widerstand R14 43xlO³ Ohm, 1/2 W

Widerstand R15 13xl0³ Ohm, 1/2 W

Widerstand R4 0,5 Ohm, 1 W

Mit diesen Komponenten läßt sich ein Spannung s stabilis ator aufbauen, der die elektrische, in der Relaisspule gespeicherte Energie zur Gewinnung des Haltestroms benutzt, wodurch die Verlustleistung in eingeschwungenem Zustand erheblich verringert werden kann. Durch die Verwendung von Halbleiterelementen läßt sich der beim Stand der Technik erforderliche Schalter 16 vermeiden, womit eine größere Zuverlässigkeit und weniger Justieraufwand erzielt wird.

Claims

Patentansprüche

10

l.\ Leistungsrelais mit einer Sparschaltung, über welche die Relaisspule mit einem Schließstrom und einem Haltestrom beaufschlagbar ist, wobei der Schließstrom größer als der Haltestrom ist, und ferner mit Abtasteinrichtungen, um den über die Relais spule fließenden Strom zu erfassen, dadurch gekennzeichnet,

- daß Vergleichseinrichtungen (Zl) vorhanden sind, welche den abgetasteten über die Relaisspule (10) fließenden Strom mit einer Bezugsgröße vorgegebener Amplitude vergleichen,

- und daß Strombegrenzungseinrichtungen (Ql, Q2) den Versorgungsstrom für die Relaisspule (10) nach dem Betätigen des Relais auf einen Strom verringern, welcher zumindest gleich dem Haltestrom, jedoch kleiner als der Schließstrom ist, wobei die Induktivität der Relaisspule (10) zur Aufrechterhaltung des Haltestroms Verwendung findet.

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2. Leistungsrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß in Serie zur Relaisspule (10) ein Sensor wider stand (R4) geschaltet ist, an welchem, eine dem Relaisspulenstrom entsprechende Sensorspannung anfällt,

- daß die Sensorspannung an einen ersten Eingang der 'Vergleichseinrichtungen (Zl) angelegt wird, an dessen zweitem Eingang eine Bezugs spannung liegt, welche aus der Versorgungsspannung abgeleitet ist, und

- daß die Vergleichseinrichtung ein Ausgangs signal erzeugt, wenn die Sens or spannung das Niveau der Bezugsspannung erreicht, um über die Strombegrenzungseinrichtung den Strom von der Relaisspule (10) abzuschalten, wobei die Strombegrenzungseinrichtungen erste mit der Stromspule (10) in Serie liegende Transistoreinrichtungen (34) umfassen, welche auf das Ausgangesignal der Vergleichseinrichtung (Zl) nichtleitend werden, um die Relaisspule von der Gleichstromversorgung abzuschalten und als Stromquelle wirksam werden zu lassen.
3. Leistungsrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Sensorspannung unter das Niveau der Bezugsspannung während eines Zeitintervalles abfällt, während welchem die ersten Transistoreinrichtungen (34) abgeschaltet sind,

- und daß die Vergleichs einrichtung en (Zl) die ersten Transistoreinrichtungen (34) leitend machen, um die Relaisspule wieder an den Stromkreis anzuschließen.

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4. Leistungsrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Transistoreinrichtungen (35) in Serie zur Relaisspule (10) auf der Fußpunktseite liegen, welche nach dem Abschalten der Gleichstromversorgung den Abbau des Relais spulen Stroms beschleunigen.
5. Leistungsrelais nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - daß ein Spannungsstabilisator (32) vorgesehen ist, welcher über einen Spannungsteiler (33) und einen Kondensator (Cl) die Vergleiehseinrichtungen (Zl) ansteuert, um ein hohes Strombezugsniveau zu liefern, damit das Schließen des Relais eingeleitet wird, bevor die Spannungsstabilisation wirksam wird.