DE3204234C2

DE3204234C2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Relais

Info

Publication number: DE3204234C2
Application number: DE3204234A
Authority: DE
Inventors: Karl-Otto 7808 Waldkirch Buchholz; Juergen Erdmann; Hartmut 7830 Emmendingen Knappe
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1981-10-13
Filing date: 1982-02-08
Publication date: 1985-08-29
Also published as: US4523251A; FR2514553B1; DE3204234A1; FR2514553A1; CH660431A5

Abstract

Ein elektronisches Gerät weist einen Eingangsteil (11) mit einem binären Signalausgang (19) auf. Dieser ist an eine Relaisansteuerungsschaltung angeschlossen, die je nach dem Ausgangssignal das Relais (15) entregt oder erregt. Dadurch, daß in den Ausgangskreis ein Schmitt-Trigger (12) und ein Transistor (14) sowie ein Kondensator (17) eingeschaltet ist, der von einer dem Relaisstrom proportionalen Spannung aufgeladen wird, kann das Relais (15) in einem weiten Spannungsbereich durch einen periodischen, begrenzten Haltestrom in der erregten Stellung gehalten werden, ohne überlastet zu werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Relais, die zur Erregung bzw. Entregung des Relais mit einem gesteuerten Schalter versehen ist, mit einem von einem elektronischen Schwellenschalter angesteuerten Halbleiterschaltelement, über das der Strom in einem das Relais, einen Meßwiderstand und eine Freilaufdiode umfassenden Erregerstromkreis geschaltet wird, wobei während einer Ansteuerung durch den gesteuerten Schalter der dem Erregerstromkreis zugeführte Strom stets dann unterbrochen wird, wenn die am Meßwiderstand abfallende und dem Schwellenschalter zugeführte Spannung einem vorgegebenen maximalen Eerregerstrom entspricht und der Strom stets vor einem Abfallen des Relais erneut zugeschaltei wird.

Bei einer in der DE-OS 24 20 262 beschriebenen .Schallungsanordnung dieser Art ist das Relais in Reihe mil dem McBwiderstand und die Freilaufdiode parallel /u dem iius dem Relais und dem Meßwiderstand gebildeten Serienkreis geschaltet. Im diese Elemente aufweisenden firregerstromkreis liegt ferner das vom elektronischen Schwcllenschalter angesteuerte Halbleiterele

ment

Eine sowohl hinsichtlich ihrer Funktion als auch hinsichtlich ihres grundlegenden Aufbaus vergleichbare Schaltungsanordnung ist auch aus der DE-OS 24 47 199 bekannt.

Bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen erfolgt sowohl die Abschaltung des Erregerstromes als auch die erneute Zuschaltung dieses Stroms jeweils in Abhängigkeit von der am Meßwiderstand abfallenden Medspannung. Durch den Strom-Meßwiderstand fließt im angezogenen Zustand des Relais, insbesondere auch während der Haltephase des Relais, stets ein Strom. Dieser wird zwischen dem Anzugsstrom und einem geringeren Wert, bei dem das Relais gerade noch angezogen bleibt, geschaltet Sperrt nämlich das Halbleiterschaltelement, so fließt aufgrund der in der Relaiswicklung gespeicherten magnetischen Energie über die Freilaufdiode weiterhin ein Strom durch den Meßwiderstand. Fäll: die am Meßwiderstand abgegriffene Spannung auf einen vorgegebenen, minimalen Wert ab, so wird das Halbleiterschalieierneni erneut angesteuert

Nachteilig ist hierbei, daß der Meßwiderstand einerseits in die Relaiszeitkonstante, mit der das Relais anzieht und abfällt, eingeht, und andererseits auch bei gesperrtem Halbleiterschaltelement vom Relaiswicklungsstrom, nämlich dem über die Freilaufdiode fließenden Strom durchflossen wird und somit auch in dieser Haltephase einen Verlustwiderstand darstellt
Um eine zuverlässige Ansteuerung des Schwellenschalters bei den beiden Schaltpunkten zu gewährleisten, darf der Meßwiderstand hierbei nicht zu klein gewählt werden. Ein größerer Meßwiderstand führt nun jedoch wiederum zu einer Veränderung der Relaiszeitkonstanten, mit der der in der Relaiswicklung fließende Strom bei gesperrtem Halbleiterschaltelement abnimmt. Da hierbei sowohl die Zuschaltung als auch die Abschaltung des Steuerstroms durch das Halbleiterschaltelement stets über den in der Relaiswicklung fließenden Strom gesteuert wird,und de; dazu verwendete Meßwiderstand insbesondere auch die Abfallzeitkonstante des Relais mitbestimmt, ist die Dimensionierung der gesamten Schaltung relativ problematisch und führt zu einem relativ aufwendigen Schaltungsaufbau.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei äußerst geringer Leistungsaufnahme und einfachem Aufbau unter Aufrechterhaltung einer relativ großen Versorgungsspannungsvariabilität praktisch ohne Änderung der vorgegebenen Relaisschalteigenschaften eine zuverlässige Erregerstromsteuerung gewährleistet.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Relais und die Freilaufdiode parallel und der Meßwiderstand in Reihe mit dem durch die Freilaufdiode und das Relais gebildeten Parallelkreis geschaltet sind und die am Meßwiderstand abgegriffene und dem Eingang des Schwellenschalters über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode zugeführte Spannung gleichzeitig einen einerseits am Eingang des Schwellen-

bo schalters und andererseits auf Festpotential liegenden Zeitkreis aus einem Kondensator und einem da/.u parallelen Widerstand beaufschlagt, der zur erneuten Zuschaitung des Erregerstromes vor einem Abfallen des Relais im wesentlichen die gleiche /eilkonstanle wie

h^r, das Relais besitzt.

Aufgrund dieser Ausbildung wird eine völlige Entkopplung der Erregerstromabschaltung von der erneuten Erregerstromzuschaltung erreicht, indem die erneu-

te Erregerstromzuschaltung vor dem Abfallen des Relais über den Zeitkreis gesteuert wird und der durch den Meßwiderstand fließende, lediglich die Abschaltung des Erregerstroms steuernde Meßstrom während der eigentlichen Haltephase des Relais unterbrochen ist. Durch den Meßwiderstand fließ* nur bei angesteuertem Halbleiterschaltelement ein Strom.

Die Zeitkonstante, mit der der durch die Wicklung des Relais und d.^:s Freilaufdiode fließende Strom bei gesperrtem Schaltelement abnimmt, wird durch den Meßwiderstand nicht beeinflußt. Die Zeitdauer, nach der der Erregerstrom erneut zugeschaltet wird, ist auf einfachste Weise durch die Zeitkonstante des Zeiigliedes festlegbar, wobei diese Zeitkonsiante so gewählt ist, daß die erneute Stromzuschaltung stets vor einem jeweiligen Abfallen des Relais erfolgt. Hierzu muß lediglich die Zeitkonstante des Zeitgliedes im wesentlichen gleich der Zeitkonstante des Relais gewählt werden. Da der Kondensator stets nur bis zu der vorgegebenen, am Meßwiderstand abfallenden Spannung, bei der das Haibleiierschäiteierneni gesperrt wird, aufgeladen wird, ist unabhängig von der jeweils anliegenden Yersorgungsspannung der betreffende Schaltzeitpunkt zur erneuten Zuschaltung der Erregerstromes exakt definiert.

Die Dimensionierung dieser Schaltung ist im Vergleich mit den bekannten Schaltungen äußerst einfach. So können beispielsweise zur Erhöhung der Betriebssicherheit die beiden Schaltpunkte des Schwellenschalicrs relativ weit auseinanderliegen und hierzu ertsprechend der Meßwiderstand relativ groß gewählt werden, da dieser Meßwiderstand in keinem Falle in die Abfallzeitkonstante des Relais eingeht.

Der Schweilenschalter ist vorteilhafterweise ein Schmitt-Trigger.

Im Hinblick auf einen besonders einfachen Aufbau der Schaltung ist es zweckmäßig, daß das Halbleiterschaltelement im Erregerstromkreis zwischen den durch die Freilaufdiode und das Relais gebildeten Parallelkreis und dem Meßwiderstand geschaltet ist.

Bei der emndungsgemäßen Schaltungsanordnung kann es sich z. B. um eine Kleinstlichtschranke handeln, welche je nachdem, ob der Lichtschrankenstrahl unterbrochen ist oder nicht, z. B. den gesteuerten Schalter in den einen oder den anderen Zustand versetzt, um damit das Überwachungsrelais anzusteuern. Eine weitere wesentliche Vereinfachung des Schaltungsaufbaus ist hierbei dadurch erzielbar, daß der Widerstand des Zeitkreises über den gesteuerten Schalter bei unterbrochenem Uchtschrankenstrahl auf das dem Zeitkreis zugedachte Fcstpoiential gelegt wird, während er bei nicht unterbrochcnem Lichtschrankenstrahl ebenfalls über den gesteuerten Schalter an ein solches Potential angelegt wird, bei dem sich das Relais entregt. In diesem Falle genügt ein Eingang des Schwellenschalters, mit dem der Zeitkreis zu verbinden ist.

Es ist jedoch auch beispielsweise die Verwendung eines Schwellenschalters mit zwei negierten Eingängen in UND-Verknüpfung denkbar, bei dem ein Eingang mit dem in Abhängigkeit vom Zustand des Lichtschrankenstrahls gesteuerten Schalter und der andere Eingang mit dem Zeitkreis verbunden ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschriebenen dieser zeigt

Fig. 1 ein schemnt'sches Schaltbild einer Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Relais.

Ein nicht im einzelnen beschriebenes, mit einem gesteuerten Schalter versehener Eingangsteil 11 der Schaltungsanordnung, 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 F i g. 1 stehen am Ausgang 19 des Eingangstcils entweder das Signal L oder O an, beispielsweise in Abhängigkeit davon, ob sich im Lichtschrankenteil 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 Schwellenschalters 12, nämlich eines Schmitt-Triggers angeschlossen, dessen Ausgang über einen weiteren Widerstand 26 die Basis 13 eines Halbleiterschaitelements, nämlich eines npn "Transistors 14 speist. Der Transistor ist in den StromksvJs eines Relais 15 eingeschaltet, welches einseitig an der Vcrsorgungsgleichspannung 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 Meßwiderstand 16 an Masse gelegt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des Transistors 14 und dem Meßwiderstand 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 Schwellenschalters 12 an.

Die Versorgungsgleichspannung wird von einem Gleichrichter 27 geliefert, an dessen Eingang eine Wechselspannung von 42 V -20% bis 240 V +20% angelegt verden 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 F i g. 1 wie folgt:

Bei ununterbrochenem Lichtschrankenstrahl möge der Schaltarm 23 am Ausgang des EingengsteiJs 11 der Schaltungsanordnung in der oberen Schaltposition nach der Zeichnung liegen. In diesem Fall liegt über den Widerstand 20 eine positive Spannung am Eingang 18 des Schwellenschalters 12 an. Hierdurch möge sich der Schwellenschalter 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 Schaltpo'.ltion befindlichem Schaltarm 23 des Eingangsteils 11 im abgefallenen Zustand.

W'rd nun ein Hindernis in den Lichtschrankenteil gtbracht, 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. Aufg·. und des hierdurch am Eingang 18 des Schwelleuschalters 12 auftretenden Spannungssprunges schaltet der Schwellenschalter 12 von seinem niedrigen in den hohen Spannungszustand, s 5 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 Schwellenschalters 12 stetig so lange an, bis die Schaltschwelle des Schwellenschalters 12 überschritten wird. Nunmehr schaltet — obwohl der Schaltarm 23 in seiner an Masse liegenden Position verbleibt — der Ausgang des Schwellenschalters 12 von seinem hohen in den niedrigen Zustand. Der Transistor 14 sperrt nun wieder, to 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 eine Freilaufdiode 21 das magnetische Feld für eine bestimmte Zeit aufrechterhält, so daß das Relais 15 ange- ι > zogen 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 Schwellenschalters 12 die Schaltschwelle dieses Schwellenschalters unterschreitet, bevor der vorgewählte Mittelwert des Stromes durch das Relais 15 unterschritten wird. Dadurch wird der Transistor 14 so rechtzeitig wieder leitend gemacht, daß das Relais 15 aufgrund eines erncuten 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 jo 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 Zehnerpotenz, ζ. 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 StromfluBpause wird durch eine konstant eingestellte 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 Pausenzeit vorhanden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Relais, die zur Erregung bzw. Entregung des Relais mit einem gesteuerter, Schalter versehen ist, mit einem von einem elektronischen Schwellenschalter angesteuerten Halbleiterschaltelement, über das der Strom in einem das Relais, einen Meßwiderstand und eine Freilaufdiode umfassenden Erregerstromkreis geschaltet wird, wobei während einer Ansteuerung durch den gesteuerten Schalter der dem Erregerstromkreis zugeführte Strom stets dann unterbrochen wird, wenn die am Meßwiderstand abfallende und dem Schwellenschalter zugeführte Spannung einem vorgegebenen maximalen Erregerstrom entspricht und der Strom stets vor einem Abfallen des Relais erneut zugeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (15) und die Freilaufdiode (ί,ΐι parallel und der Meßwiderstand (16) in Reihe mit dem durch die Freüauidiode und das Relais gebildeten Parallelkreis geschaltet sind und die am Meßwiderstand (16) abgegriffene und dem Eingang des Schwellenschalters (12) über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode (22) zugeführte Spannung gleichzeitig einen einerseits am Eingang des Schwellenschalters und andererseits auf Festpotential liegenden Zeitkreis aus einem Kondensator (17) und einem dazu parallelen Widerstand (20) beaufschlagt, der zur erneuten Zuschaltung des Erregerstromes \.r einem Abfallen des Relais im wesentlichen die gleiche 7.eitkon^c*ante wie das Relais besitzt.

2. Schaltungsanordnung nac^h Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenschalter ein Schmitt-Trigger (12) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (14) im Erregerstromkreis zwischen den durch die Freilaufdiode (21) und das Relais (15) gebildeten Parallelkreis und den Meßwiderstand (16) geschaltet ist.