DE3121462A1 - Leistungsrelais mit einer sparschaltung fuer den haltestrom - Google Patents
Leistungsrelais mit einer sparschaltung fuer den haltestromInfo
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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
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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.
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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 (5)
- Patentansprüche10l.\ 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.:--. .:'■'■: 'I 312H62Z.~ -..- .:. WS258P-2294
- 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.:"·;::" " '':. 312U62·..- .3.- · · ... WS258P-2294
- 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.
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