DE3204234A1 - Elektronisches geraet mit einer relaisansteuerungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät mit einem Eingangsteil mit binärem Signalausgang, welcher an eine Relaisansteuerungsschaltung angeschlossen ist, die beim Erscheinen des einen Ausgangssignals das Relais entregt und beim Erscheinen des anderen Ausgangssignals erregt.

Es .ist bereits bekannt, Relais direkt mit der Nennversorgungsspannung zu betreiben. Die maximale Spannungstoleranz

mehr als

darf hierbei aber nicht/+ 20 % betragen, da sonst beim Unterschreiten der Spannungstoleranz das Relais nicht mehr anzieht oder im anderen Fall thermisch überlastet wird.

Weiter hat man bereits Relais über einen Spannungsregler mit einer Versorgungsspannung mit großem Toleranzbereich betrieben. Diese bekannte Schaltung arbeitet jedoch nicht wirtschaftlich, da bei einem großen Versorgungsspannungsbereich eine große Verlustleistung im Spannungsregler entsteht. Z.B. kann die Verlustleistung etwa 3,5 W betragen, was für ein Kleinstgerät, für das die Erfindung in erster Linie bestimmt ist, nicht mehr tragbar wäre.

Schließlich ist es auch schon bekannt, ein Relais über ein Schaltregler-Netzteil an eine Versorgungsspannung mit grossem Toleranzbereich anzulegen. Diese Schaltungstechnik kann jedoch bei Kleinstgeräten aus Platz- und Preisgründen nicht eingesetzt werden.

Bei dem elektronischen Gerät gemäß der Erfindung kann es sich z.B. um eine Kleinstlichtschranke handeln, welche je nachdem, ob der Lichtschrankenstrahl unterbrochen ist oder nicht, ein Ausgangssignal L oder 0 abgibt um damit das Überwachungsrelais anzusteuern.

Die Erfindung bezweckt eine verlustarme Relaisansteuerung

großen z.B.

für einen/Versorgungsspannungsbereich von/35 V bis 370 V

Gleichspannung. Die hierfür benötigte Wechselspannung vor dem zur Umformung vorgesehenen Gleichrichter kann somit in einem Bereich von 42 V - 20 % bis 240 V + 10 % Wechselspannung liegen.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein elektronisches Gerät der eingangs genannten Gattung zu
schaffen, welches mit geringster Leistungsaufnahme
und kleinem Platzbedarf einen möglichst großen Versorgungsspannungsbereich zuläßt, ohne daß die Gefahr
einer überlastung des Relais oder eines Abfallens des Relais zur Unzeit besteht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Ausgang des Eingangsteils über einen elektronischen Schwellenschalter an die Steuerelektrode eines Schalt-Halbleiterbauelements, insbesondere eines Transistors, welches den Stromfluß durch das Relais bestimmt, angeschlossen ist, und daß der Schwellenschalter in Abhängigkeit von dem das Relais fließenden Strom derart periodisch umgeschaltet und damit das Halbleiterbauelement
abwechselnd leitend und nichtleitend gemacht wird, daß das Relais periodisch mit einem von Null stetig ansteigenden Strom beaufschlagt und jeweils bei Erreichen eines vorbestimmten Stromes abgeschaltet und kurz vor dem Abfallen erneut mit dem ansteigenden Strom beaufschlagt wird.

Insbesondere soll die Anordnung dabei so sein, daß an
einem im Stromkreis des Relais liegenden Widerstand eine dem Strom durch das Relais entsprechende Spannung abgenommen und dem Eingang des Schwellenschalters zugeführt wird,

Zweckmäßiger ist der Ausgang des Eingangsteils über einen Widerstand an den Eingang des Schwellenschalters angeschlossen.

Besonders zweckmäßig ist die Zeitkonstante des Kondensators und des Widerstandes dabei so gewählt, daß die Spannung am Eingang des Schwellenschalters die Schaltschwelle unterschreitet, bevor der vorgewählte Mittelwert des im Relais fließenden Stromes den Haltestrom unterschreitet.

Parallel zum Relais soll eine Diode entgegen der Durchlaßrichtung des Halbleiterelements geschaltet sein. Durch diese Diode fließt, nach dem Abschalten des Relais von der Versorgungsspannung die im magnetischen Feld des Relais gespeicherte Energie ab. Hierdurch wird der vorgewählte Mittelwert des im Relais fließenden Stromes unterstützt, so daß der Haltestrom nicht unterschritten wird.

Der erfindungsgemäß verwendete Schwellenschalter ist bevorzugt ein Schmitt-Trigger.

Vorteilhafterweise soll in die Leitung von dem den Relaisstrom führenden Widerstand eine Diode mit einer solchen Polung eingeschaltet sein, daß von dem den Relaisstrom führenden Widerstand zum Eingang des Schwellenschalters bzw. zu dem Ladekondensator ein Strom fließen kann.

Der Transistor soll erfindungsgemäß insbesondere ein npn-Transistor sein.

Eine erste praktische bauliche Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß das Halbleiterbauelement mit dem Relais in Reihe geschaltet ist, und zwar derart, daß das Relais zwischen dem Kollektor des Halbleiterelements und der hohen Spannung angeordnet ist. Hierbei soll zwischen den Emitter des Halbleiterbauelements und Masse der den Relaisstrom führende Widerstand eingeschaltet sein.

Eine weitere Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß das Halbleiterbauelement mit seinem Emitter an Masse und mit dem Kollektor über einen Spannungsteiler an die hohe Spannung angelegt ist und daß das Relais über ein Halbleiterbauelement vom umgekehrten Leitungstyp, insbesondere einem pnp-Transistor,. an die hohe Spannung gelegt ist, wobei die Basis des weiteren Halbleiterbauelements am Teilungspunkt des Spannungsteilers liegt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung schaltet der Erregerstrom für das Relais über den Transistor periodisch ein und aus, und zwar derart, daß das Relais stets angezogen bleibt, jedoch in keinem Fall überlastet wird.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes und

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform.

Der nicht im einzelnen beschriebene Eingangsteil 11 des elektronischen Gerätes kann z.B. eine Lichtschranke sein. Der Eingangsteil 11 ist zweckmäßigerweise in MOS-Technik ausgeführt, wodurch es möglich ist, wegen des geringen Leistungsbedarfs die hohe Versorgungsspannung mit Vorwiderständen herunterzuteilen.

Nach Fig. 1 stehen am Ausgang 19 des Eingangsteils entweder das Signal L oder O an, beispielsweise in Abhängigkeit davon, ob sich im Lichtschrankenstrahl ein Hindernis befindet oder nicht. Der Ausgang 19 ist als der eine Pol eines

Schaltarms 23 dargestellt, welcher wahlweise - wie dargestellt an Masse oder an der über einen Widerstand 24 und eine Zener-Diode 25 stabilisierten, von der Versorgungsgleichspannung abgeleiteten Spannung anliegen kann.

An den Ausgang 19 ist über einen Widerstand 20 der Eingang 18 eines Schmitt-Triggers 12 angeschlossen, dessen Ausgang über einen weiteren Widerstand 26 die Basis 13 eines npn-Transistors 14 speist. Der Transistor ist in den Stromkreis eines Relais 15 eingeschaltet, welches einseitig an der Versorgungsgleichspannung von 35 V bis 370 V liegt. Der andere Pol des Relais 15 ist an den Kollektor des Transistors 14 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 14 ist über einen Widerstand 16 an Masse gelegt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des Transistors 14 und dem Widerstand 16 liegt über eine in der dargestellten Weise gepolte Diode 22 an dem einen Pol eines mit dem anderen Pol geerdeten Kondensators 17 sowie am Eingang 18 des Schmitt-Triggers 12 an.

Die Versorgungsgleichspannung von 35 V bis 370 V wird von einem Gleichrichter 27 geliefert, an dessen Eingang eine Wechselspannung von 42 V ~20 % bis 240 V +2O % angelegt werden kann. Die eine Ausgangsklemme des Gleichrichters 27 ist in der dargestellten Weise an Masse gelegt. Ein Kondensator 28 zwischen der Versorgungsgleichspannung und Masse dient der Spannungsglättung.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltung nach Fig. 1 wie folgt:

Bei ununterbrochenem Lichtschrankenstrahl möge der Schaltarm 23 am Ausgang des Eingangsteils 11 des erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes in der oberen Schaltposition nach der Zeichnung liegen. In diesem Fall liegt über den Widerstand 20 eine positive Spannung am Eingang 18 des Schmitt-Triggers 12 an. Hierdurch möge sich der Schmitt-Trigger in seiner niedrigen Schaltposition befinden, so daß am Ausgang eine so niedrige Spannung anliegt, daß der Transistor 14 über die Basis 13 nichtleitend gemacht ist und das Relais 15 keinen Strom führt. Das Relais 15 befindet sich somit bei in der oberen Schaltposition befindlichen Schaltarm 23 des Eingangsteils 11 im abgefallenen Zustand.

Wird nun ein Hindernis in den Lichtschrankenstrahl gebracht, so möge der Schaltarm 23 in die in der Zeichnung dargestellte untere Position umgeschaltet werden, so daß der Ausgang 19 des Eingangsteils 11 das Massepotential führt. Aufgrund des hierdurch am Eingang 18 des Schmitt-Triggers 12 auftretenden Spannungssprunges schaltet der Schmitt-Trigger 12 von seinem niedrigen in den hohen Spannungszustand, so daß über den Widerstand 26 der Basis 13 des Transistors 14 eine erhöhte Spannung zugeführt wird, die den Transistor 14 in den leitenden Zustand überführt. Durch den Transistor 14 und entsprechend das Relais 15 sowie den Widerstand 16 fließt somit_jetzt ein stetig ansteigender Strom.

Aufgrund des Stromflusses durch den Widerstand 16 entsteht an diesem ein zunehmender Spannungsabfall, welcher über die Diode 22 den Kondensator 17 auflädt. Hierdurch steigt die Spannung am Eingang 18 des Schmitt-Triggers 12 stetig solange an, bis die Schaltschwelle des Schmitt-Triggers 12 überschritten wird. Nunmehr schaltet - obwohl der Schaltarm 23 in seiner an Masse liegenden Position verbleibt - der Ausgang des Schmitt-Triggers 12 von seinem hohen in den niedrigen Zustand. Der Transistor 14 sperrt nun wieder, und der durch das Relais 15 und den Widerstand 16 fließende Strom wird unterbrochen. Jetzt entsteht jedoch in dem Relais 15 eine Gegen-EMK, die über die Diode 21 das magnetische Feld für eine bestimmte Zeit aufrechterhält, so daß das Relais 15 angezogen bleibt.

Die Zeitkonstante des Widerstandes 20 und des Kondensators 17 ist nun erfindungsgemäß so gewählt, daß nach der Unterbrechung des Stroms durch den Widerstand 16 die Spannung am Eingang 18 des Schmitt-Triggers 12 die Schaltschwelle dieses Triggers unterschreitet, bevor der vorgewählte Mittelwert des Stromes durch das Relais unterschritten wird. Dadurch wird der Transistor 14 so rechtzeitig wieder leitend gemacht, daß das Relais 15 aufgrund eines erneuten Stromflusses angezogen bleibt.

Während der Unterbrechung des Stromflusses bei an Masse liegendem Schaltarm 23 entlädt sich also mit anderen Worten der Kondensator 17 über den Widerstand 20 gerade so ~ schnell, daß ein Abfallen des Relais 15 verhindert wird.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Selbstregelung des Stroms durch das Relais 15 in der Weise, daß einerseits das Relais nicht überlastet wird, andererseits aber auch kein Abfallen erfolgt, wenn der Schaltarm 23 sich an Masse befindet, kann das Gerät mit Spannungen betrieben werden,

die sich im Bereich einer Zenerpotenz, z.B. zwischen 35 V und 370 V bewegen. Auch bei erhöhter Versorgungsspannung schaltet diese Schaltungsanordnung das Relais 15 von der Versorgungsspannung automatisch immer dann ab, wenn der Stromfluß eine vorbestimmte Größe erreicht hat. Die anschließende Unterbrechung ist so kurz, daß das Relais 15 während dieser Zeit aufgrund der im magnetischen Feld gespeicherten Energie und der Trägheit des magnetischen Systems angezogen bleibt. Anschließend wiederholt sich das beschriebene Arbeitsspiel.

Während der Schaltpausen wird also das Relais 15 aufgrund der während des Stromflusses gespeicherten magnetischen Energie in seiner angezogenen Position gehalten.

Die Einschaltdauer des Schalttransistors 14 hängt also u.a. von der Induktivität des Relais 15 und der momentan herrschenden Betriebsspannung ab. Die Stromflußpause wird durch eine konstant eingestel]te Zeitkonstante des Kondensators 17 und des Widerstandes 20 bestimmt. Da der Relais-Scheitelstrom bei jeder möglichen Betriebsspannung genau so wie die Induktivität des Relais immer konstant bleibt, ist eine konstante Pausehzeit vorhanden.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit des Konstanthaltens des Relais-Effektiv-Betriebsstromes bei unterschiedlichen Betriebsspannungen zeigt Fig. 2, in der gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile wie in Fig. 1 bezeichnen.

Nach Fig. 2 ist die Schaltung durch einen pnp-Transistor 29 ergänzt, dessen Emitter mit der hohen Betriebsspannung verbunden ist. Das Relais 15 mit der parallel liegenden Diode 21 ist vom Kollektor des Transistors 29 über den Widerstand 16 nach Masse gelegt. Der Schalttransistor 14 liegt mit seinem Kollektor über einen Spannungsteiler aus Widerständen 30, 31 an der hohen Spannung, mit seinem Emitter an Masse an. Der Verbindungspunkt der Widerstände

30, 31 ist mit der Basis des pnp-Transistors 29 verbunden.

Auf diese Weise kann am Fühler-Widerstand 16 eine stetig
ansteigende und abfallende Spannung entsprechend dem Tastverhältnis des Schalttransistors 14 festgestellt werden.
Die ansteigende Spannung entspricht der Stromflußphase bei durchgeschaltetem Transistor 14, die abfallende Spannung
entspricht der Sperrphase des Transistors 14. Der über die Freilaufdiode 21 fließende Strom ist hierfür maßgebend.

Wird weiterhin der Trigger 12 durch einen solchen mit zwei negierten Eingängen in UND-Verknüpfung ersetzt und die
Rückführspannung auf den einen Eingang des Triggers und
die Schaltspannung über die Diode 22 auf den anderen Eingang des Triggers gebracht und weiterhin die Hysterese des
Triggers so gewählt, daß beim Spannungsmaximum über dem
Widerstand 16 der Trigger die Transistorkette ausschaltet
und beim Spannungsminimum über dem Widerstand 16 die Transistorkette einschaltet, wird unabhängig von der Betriebsspannung der mittlere Strom durch das Relais konstant gehalten Die Schaltfrequenz wird hierbei von der Induktivität des Relais 15 und der momentan herrschenden Betriebsspannung bestimmt. Das einzige Erfordernis ist der zusätzliche
Transistor 29.

L e e r s θ i t e

Claims (11)

1. Patentansprüche

   M.J Elektronisches Gerät mit einem Eingangsteil mit binärem Signalausgang, welcher an eine Relaisansteuerungsschaltung angeschlossen ist, die beim Erscheinen des einen Ausgangssignals (L) das Relais entregt und beim Erscheinen des anderen Ausgangssignals (O) erregt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (19) des Eingangsteils (11) über einen elektronischen Schwellenschalter (12) an die Steuerelektrode (13) eines Schalt-Halbleiterbauelements, insbesondere eines Transistors (14), welches äen Stromfluß durch das Relais (.15) bestimmt, angeschlossen ist, und daß der Schwellenschalter (12) in Abhängigkeit von dem das Relais (15) fließenden Strom derart periodisch umgeschaltet und damit das Halbleiterbauelement (14) abwechselnd leitend und nichtleitend gemacht wird, daß das Relais (15) periodisch mit einem

   von Null stetig ansteigenden Strom beaufschlagt und jeweils bei Erreichen eines vorbestimmten Stromes abgeschaltet und kurz vor dem Abfallen erneut mit dem ansteigenden Strom beaufschlagt wird.
2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem im Stromkreis des Relais (15) liegenden Widerstand (16) eine dem Strom durch das Relais (15) entsprechende Spannung abgenommen und dem Eingang des Schwellenschalters (12) zugeführt ist.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang (19) des Eingangsteils (11) über einen Widerstand (20) an den Eingang (18) des Schwellenschalters (12) angeschlossen ist.
4. 4. Gerät nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitkonstante des Kondensators (17) und des Widerstandes (20) so gewählt ist, daß die Spannung am Eingang (18) des Schwellenschalters (12) die Schaltschwelle unterschreitet, bevor das Relais (15) abfällt.
5. 5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß parallel zum Relais

   (15) eine Diode (21) entgegen der Durchlaßrichtung des Halbleiterbauelements (14) geschaltet ist.
6. 6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwellenschalter ein Schmitt-Trigger (12) ist.
7. 7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in die Leitung von
   dem den Relaisstrom führenden Widerstand (16) eine Diode

   (22) mit einer solchen Polung eingeschaltet ist, daß vom Widerstand (16) zum Eingang (18) des Schwellenschalters (12) bzw. zum Kondensator (17) ein Strom fließen kann.
8. 8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Transistor ein
   npn-Transistor (14) ist.
9. 9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleiterbauelement (14) mit dem Relais (15) in Reihe geschaltet ist, und zwar derart, daß das Relais (15) zwischen dem Kollektor des Halbleiterbauelements (14) und der hohen Spannung angeordnet ist.
10. 10. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Emitter des Halbleiterbauelements (14) und Masse der den Relaisstrom führende Widerstand (16) eingeschaltet ist,
11. 11. Gerät nach einem der Ansprüche T bis 8, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß das Halbleiterbauelement

    (14) mit seinem Emitter an Masse und mit dem Kollektor über einen Spannungsteiler (30, 31) an die hohe Spannung angelegt ist und daß das Relais (15) über ein Halbleiterbauelement (29)~ vom umgekehrten Leitungstyp, insbesondere einem pnp-Transistor, an die hohe Spannung gelegt ist, wobei die Basis des weiteren Halbleiterbauelements (29) am Teilungspunkt des Spannungsteilers (30, 31) liegt.