DE3331678A1

DE3331678A1 - Schaltungsanordnung fuer eine durch aeussere beschaltung zeitlich begrenzbare anzugs- und halte-erregung eines relais

Info

Publication number: DE3331678A1
Application number: DE19833331678
Authority: DE
Inventors: Winfried 5778 Meschede-Freienohl Brandenberg; Christian Ing.(grad.) 4788 Warstein-Belecke Hesse
Original assignee: Westdeutsche Elektrogeraetebau GmbH
Current assignee: Legrand GmbH
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1983-09-02
Publication date: 1985-04-04
Also published as: DE3331678C2

Description

DIPLOMPHYSIKER DR. £?ER. IMÄT. O=tSCHÄRD^:Sii!=m. ""pate^anwalt

KANZLEI ADRESSE · HAUPTSTRASSE 32 - 7218 TROSSINGEN 1 als VERTRETER zugelassen

beim Europäischen Patentamt /~ D-8000 München

"Magnetrelais-Ansteuerung"

WEG - D-477O Soest, 25 o222 / Seite 6

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10 Westdeutsche

Elektrogerätebau G.m.b.H.

D-4770 SOEST

Schaltungsanordnung

für eine durch äußere Beschaltung

zeitlich begrenzbare

Anzugs- und Halte-Erregung eines Relais

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalt-²⁵ tungsanordnung für eine durch äußere Beschaltung zeitlich begrenzbare Anzugs- und Halte-Erregung eines Relais, dessen elektromagnetischer Teil eine Schaltungsgruppe aus

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Spulenwicklung auf einem magnetisierbaren Kern und ein zu dieser parallelgeschaltetes elektrisches Bauelement und einen Anker enthält, die zueinander beweglich gelagert sind, und dessen Schaltkontakt-Anordnung durch den Anker bei Anschluß einer Stromquelle an die Schaltungsgruppe betätigt wird.

Bei Relais-Schaltungen besteht bekanntlich das Problem, daß für das Ansprechen, dh. Anziehen des Ankers des Relais eine verhältnismäßig große Stromstärke, dh.

starke elektromagnetische Erregung erforderlich ist, dieser Strom aber im Dauerbetrieb zu unzulässiger Erwärmung der Wicklung und evtl. weiterer Teile des Relais, dh. auch zu unter Umständen weitaus unzulässigem Energieverbrauch führt. Wesentlich ist hierbei, daß eben eine erheblich höhere elektrische Leistung aufgebracht werden muß, als lediglich für die Aufrechterhaltung des erregten Zustandes für die Arbeitslage der Kontaktfedern erforderlich wäre.

Deswegen hat man in der bisherigen Praxis auf die Verwendung von Remanenzrelais zurückgegriffen, bei denen nur für die Erregung ein kurzer Stromimpuls benötigt wird, die Arbeitslage aber durch den permanent-magnetischen Kern und dessen Feld bzw. Magnetfluß aufrechterhalten wird. Diese Einrichtung hat aber andererseits — den Nachteil, daß für die Entregung des Relais, dh. das Abfallen seines Ankers, ein entgegengesetzter Stromimpuls durch die Spulenwicklung geschickt werden muß, um das Permanentmagnetfeld kurzzeitig aufzuheben und so den Anker abfallen zu lassen. Diese Einrichtung hat also den Nachteil, daß ein zusätzlicher Schaltungsaufwand getrieben werden muß.

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Ein anderer technischer Ausweg ist darin gesehen worden, daß die Relaiswicklung über einen Vorwiderstand an die Stromquelle angeschlossen wird, wobei dann während der Anspsrechzeit des Relais, dh. bis zum Erreichen der Betriebslage seiner Kontaktanordnung mit Haltewirkung, der Vorwiderstand kurzgeschlossen wird, so daß das Relais kurzzeitig mit einer größeren elektrischen Leistung erregt wird; dann wird die Überbrückung aufgehoben und der Strom so weit abgesenkt, daß das Relais gerade noch nicht in seine Ruhelage abfällt. Während hierbei der Energieverbrauch im Halte-Zustand des Relais nicht , abgesenkt wird, kommt man dem Ziel der Vermeidung einer Überlastung der Relaiswicklung nach einem ebenfalls bekannten Vorschlag dadurch näher, daß man zur Ansprecherregung zwei hintereinandergeschaltete Stromquellen verwendet und von diesen im Haltebetrieb, also nach Ablauf der Ansprechzeit, nur die eine von beiden an die Spulenwicklung anschließt. Hierfür ist aber insofern eine aufwendige Stromversorgung notwendig, als eine Energieversorgungsquelle mit zwei Spannungsstufen erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein handelsübliches einfaches Relais, dh. ohne Remanenzkern, mithilfe einer Schaltunganordnung, die mit neuzeitlichen elektronischen Halbleiter-Bausteinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, aber auch für kombinierte Anwendungsfälle einsetzbar, so zu betreiben, daß der Energieaufwand für die Anzugs- und Halte-Erregung und die elektrische Belastung der Spulenwicklung auf die notwendige elektrische Leistung vermindert werden kann·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mithilfe einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des kenn-

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zeichneten Teils von Anspruch 1 gelöst. Der Erfindung liegt die technische Lehre zugrunde, daß nach dem Ansprechen des Relais auch bei weichmagnetischem Werkstoff üblicher Art die Abfallzeit größer ist als die Ansprechzeit, zumal wenn die Spulenwicklung durch ein parallel geschaltetes (nicht-induktives) Bauelement zu einem für seih geschlossenen Stromkreis, im wesentlichen mit parallelen Zweigen, wobei in einem derselben die Spuwicklung liegt, derart erweitert wird, daß ein Energie-Austausch zwischen der Spulenwicklung und dem parallel geschalteten Bauelement herbeigeführt bzw. mindestens ermöglicht wird; der dann erzeugte Reststrom vermag dann die natürliche magnetische Haftwirkung so sehr zu unterstützen, daß erst nach einiger Zeit ein relativ kurzer Stromimpuls genügt, um das magnetische Feld wiederherzustellen; der Leistungs-Anteil für den mechanischen Teil des Anzugs-Vorgangs braucht ja nicht nochmals aufgebracht zu werden. Für die Halte-Erregung ist dann also nur noch ein Bruchteil der Anzugs-Leistung notwendig, der gemäß der Erfindung durch periodische Stromimpulse aufgebracht werden kann, entweder von gleicher Stromstärke, aber von entsprechend kürzerer Dauer, oder von verminderter Stromstärke und zugleich verminderter Dauer, aber entsprechender Impulsleistung.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche. Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert; es stellen dar:

Figur.1: a) das logische Blockschaltbild einer Ansteuer-Anordnung für ein Relais mit Eiu- und Ausschaltung durch einen Taster;

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b) die Impulsdiagramme einzelner Stromkreise von Fig.1a;

Fig.2: das logische Blockschaltbild für die Stromkreise von Fig. 1a;

Fig.3: die Impulsdiagramme einzelner Stromkreise von seriell angesteuerten Relais, im vorliegenden Fall für drei Relais "..1., "..2", "..n", dh. hier "..3", mit zeitlich versetzter Ein- und Ausschaltung durch drei zugehörige Taster.

In Fig.1 liegt das Relais 1 Cd₁") mit parallelgeschalteter Diode 2 ("D₁") - die Schaltungsgruppe - im Kollektorelektrodenzweig des PNP-Transistors 3 (T₁"), dessen Emitterelektrode 4 an dem einen Pol 5 der Stromquelle angeschlossen ist, während der der Kollektroelektrode 6 entgegengesetzte Anschluß 7 der Spulenwicklung des Relais

I an dem anderen Pol der Stromquelle liegt. Die Basiselektrode 9 ist über den Widerstand 1o ("R₃ ¹¹) an den Ausgang

II des NAND-Gliedes 12 angeschlossen, dessen einer Eingang 13 mit dem Eingang 14 der als monostabiler Multivibrator (MONO-FLOP) 15 wirkenden Gruppe aus NOR-Gliedern 16, 17, die über das RC-Glied aus Kondensator 16 im Längszweig zwischen Ausgang 19 des NOR-Gliedes 16 und den Eingängen 2o des anderen und dem einstellbaren Widerstand im Querzweig zwischen dem Knotenpunkt 22 zwischen Kondensator 18 und Leitung 23 zum einen Pol 5 der Stromquelle gekoppelt sind, und dem anderen Eingang 24 mit dem Signal am Ausgang 25 des OR-Gliedes 26 beaufschlagt wird.

Der erste Eingang 27 des OR-Gliedes 26 ist mit dem Ausgang des NOR-Gliedes 17 verbunden, während der zweite Eingang 29 durch das Signal am Ausgang 3o des monostabilen Multivibrators 31 aus rückgekoppelten NOR-Gliedern 32, 33 mit Kondensator 34 (¹¹C₃") in einen Rückkopplungs-

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zweig 34 beaufschlagt wird, wobei der einstellbare Widerstand 36 ("Rg") zwischen Ausgang 3o und Leitung 23 der Wahl des Tastverhältnisses der Impulse im Ausgang 3o dient. An einen Eingang 37 des monostabilen Multivitrators 31 liegt der Ausgang 38 des als Oszillator dienenden astabilen Multivibrators 39 aus NOR-Gliedern 4o, 41, die über den Widerstand 42 und den Kondensator 43 zwischen Ausgang 38 und ersten Eingang 44 des astabilen Multivibrators 39 rückgekoppelt sind. Der andere Eingang 45 liegt am anderen Pol 8 der Stromquelle. Der Widerstand 46 dient zur Herstellung einer definierten Spannung am Eingang 14 des NAND-Glieds 15 bei geöffnetem Taster 47 zwischen dem Eingang 14 und dem einen Pol 5 der Stromquelle.

Die Funktion der Schaltung läßt sich zweckmäßigerweise anhand der Impuls-Diagramme der Fig.1b erläutern. Darin stellt "A" das Spannungsdiagramm bei Betätigung des Tasters 47 am Eingang 14 des NOR-Glieds 16 mit der Signaldauer 48 dar. Am Ausgang 28 des NOR-Glieds 16 tritt die Spannungsfunktion gemäß Diagramm "B" der Fig.1b auf, am Eingang des NOR-Glieds 17 die Spannungsfuntion "C" und am Ausgang des Multivibratoars (FLIP-FLOP) 15, dh. des zu seiner Gruppe gehörenden NOR-Glieds 17 die Spannungsfunktion "D" dh. ein gegenüber dem Signal der Tasten-Be- tätigung um so viel verkürzter Impuls auf, daß seine Dauer 49 für die Erregung im Anzugs-Abschnitt des Relais ausreicht, dh. größer ist als dieser, dh. die Ansprechzeit.

Dieser verkürzte Impuls beaufschlagt den ersten Eingang 27 des OR-Glieds 26, dessen zweiter Eingang 29 von dem Ausgangssignal "E" des MONO-FLOP (monostabilen Multivi-

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brators) 31 angesteuert wird, so daß an seinem Ausgang 25 und damit dem zweiten Eingang 24 des NAND-Glieds 12 das Signal des Diagramms "F", dh. die Summe der Impulse gemäß "D" und "E" anliegt. Die Ausgangssignale des Diagramms "E" sind periodisch gemäß dem Ausgangssignal des astabilen Multivibrators 39, der als Oszillator praktisch Mäander-Signale liefert. Die Dauer der Signale des Signals "E" wird so kurz eingestellt, daß ihre elektrische Energie ausreicht, um die magnetische Erregung des Relais 1 so wiederherzustellen, daß die Abfallzeit größer ist als der Abstand dieser Impulse. Am Ausgang 25 des OR-Glieds 26 steht somit, wie am Eingang 24 des NAND-Glieds die Signalfolge des Diagramms "F" an und am ersten Eingang 13 des NAND-Glieds 12 der bei Betätigung des Tasters 47 erzeugte Spannungsimpuls gemäß Diagramm 5 "A".

Der PNP-Transistor 3 wird infolgedessen durch die Impulsfolge des Diagramms "G" ausgesteuert, so daß das Relais durch den Kurzimpuls des Diagramms "D" zum Anzug gebracht und in seiner Arbeitslage durch die während des Tastenimpulses auftretenden Kurz- bzw. Wiederholungs-Impulse immer wieder nacherregt, dh. in seiner Halte-Erregung aufrechterhalten wird. Die Haltezeit 50 ist dabei etwas langer als die Dauer 48 der Tastenbetätigung ("A"), nämlich um die Differenz der Zeit zwischen dem Ende des letzten durch das NAND-Glied 12 freigegebenen Wiederholungs-Impuls der periodischen Impulsfolge (Diagramm "E") und der Abfallzeit 51.

In Fig.2 sind mehrere, dh. η Ansteuer-Stromkreise, hier für drei Relais Ιοί."!, 1o1.2 ... 1ol.n, dh. I0I.3 mit getrennt unterschiedlich frei wählbarer Haltezeit der Relais, und einer gemeinsamen Ansteuer-Einrich-

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tung 1o2 dargestellt, die Ansteuerkreise 1o3.1, 1o3.2, 1o3.n bzw. 1o3.3 sind links vor der zwischen den jeweiligen Ausgängen 1o4.1, 1o4.2, 1o4.3 - Impulsfolgen etwa entsprechend dem Diagramm - "G" in Fig.1b und den von ihnen in entsprechender Weise wie in Fig.1a, beaufschlagten Basiselektroden 1o5.1, 105.2 und 1o5.3 strichpunktiert gezeichneten Linie 1o6 angeordnet. Bei dieser kombinierten, Mehrfach-Schaltungsanordnung wird die Besonderheit, daß zwischen den periodischen Wiederholungs-Impulsen der Impulsfolge "E" gemäß Fig.1b freie Zeitintervalle liegen, vorteilhaft verwertet, indem diese Wiederholungsimpulse für die Ansteuerkreise 1o3.1, 1o3.2, 1o3.n, dh. hier 1o3.3, zeitlich gegeneinander versetzt sind, wobei die Anzahl η der durch die Ansteuereinrichtung bedienbaren Ansteuerkreise Io3. ... dadurch begrenzt ist, daß die Summe insgesamt der η bzw. drei Impulsdauern der periodischen Impulsreihe ("E" in Fig.Ib) innerhalb einer Periodendauer liegen, dh. in der Größenordnung der Abstände dieser Wiederholungsimpulse sein soll, wenn die Betriebssicherheit optimal bleiben soll.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig.1a unterscheidet sich dasjenige der Fig.2 dadurch, daß die periodischen Impulsfolgen (entsprechend "E" in Fig.1b) von einem Zähle^/Teiler-Schaltkreis 1o7, zB. der Gattung der handelsüblichen (CD 4o17) dekadischen Zähler-Teiler der Bauart in integrierter Halbleitertechnologie, zB. an den Ausgangsanschlüssen "3", "2" ... "7" geliefert werden, der von einem Multivibrator 1o8 als Oszillator angesteuert wird.

Die sowohl infolge verschiedener Dauer der Kontaktbetätigung als auch der zeitlichen Versetzung der periodischen Impulsfolgen zustandekommenden Unterschiede lassen

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sich an dem Betriebsfall-Beispiel der Fig.3 übersichtlich ablesen. Da die Impulsdiagramme von Fig.1b und Fig.3 sich grundsätzlich entsprechen, weshalb die Bezeichnung "A" bis "G" übernommen worden sind, erübrigt es sich, auf alle Besonderheiten der Einzeldiagramme nochmals einzugehen. Hervorzuheben sind lediglich die zeitlichen Versetzungen der Betätigungen 121.1 ... 121.η bzw. 121.3 des Tasters, der Ansprech- bzw. Anzugs-Erregungs-Impulse 122.1 ... 122.η bzw. 122.3 und vor allem der periodischen Wiederholungsimpulse "E" und "F", was durch Linien 123.1 ... 123.η bzw. 123.3 angezeigt wird. Die Relais-Einschaltdauer ist jeweils durch die Striche 124.1 ... 124.η bzw. 124.3 angegeben.

Claims

DR. RES?. MATT. 03SCHARD-SlERk -' " Patentanwalt

KANZLEIADRESSE · HAUPTSTRASSE 32 · 7218 TROSSINGEN 1 als VERTRETER zugelassen

beim Europäischen Patentamt

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Patentansprüche

<D

1 .) Schaltungsanordnung für eine durch äußere Beschaltung zeitlich begrenzbare Anzugs- und Halte-Erregung eines 10 Relais,

a) dessen elektromagnetischer Teil

a-) eine Schaltungsgruppe aus Spulenwicklung

auf einem magnetesierbaren Kern und ein 15 zu dieser parallelgeschaltetes elektri

sches Bauelement

a~) und einen Anker enthält, die zueinander beweglich gelagert sind,

b) und dessen Schaltkontakt-Anordnung durch den

Anker bei Anschluß einer Stromquelle'an die Schaltungsgruppe betätigt wird,

gekennzeichnet durch
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c) einen ersten Stromkreis mit Taster (47) für einen ersten Anzugs-Abschnitt der Erregung des elektromagnetischen Kreises als Energiespeicher durch einen Strom mit einem zusätzlichen Anteil für die

30 mechanische Ansprech-Energie,

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d) weichmagnetischen Werkstoff für den Kern

e) als zweiten Stromkreis einen Schaltungsteil für den mindestens annähernd periodisch getakteten Anschluß der Schaltungsgruppe, zB. Relais 1 und Diode 2 an die Stromquelle zur Regenerierung des elektromagnetischen Feldes durch Wiederholungs-Impulse während des Halte-Abschnitts vor dessen vollständigen Ablauf,

f) sowie einen Verknüpfungs-Stromkreis für das Signal des Tasters (47) und die Wiederholungsimpulse mit einer logischen Baugruppe, zB. einem NAND-Glied (12) für die Freigabe der Wiederholungs-Impulse ausschließlich während der Dauer der Betätigung des Tasters (47).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichem Spitzenstrom die Dauer der getakteten Wiederholungs-Impulse während des Halte-Abschnitts kleiner ist als diejenige des durch den Taster (47)_# ausgelösten ersten Impulses.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Bauelement zweipolig, zB. ein Kondensator (C₂ . ) eine entgegengesetzt ihrer Durchlaßrichtung über die Ansteuer-Anordnung an die Stromquelle (5, 8) angeschlossene

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Diode (2) od.dgl. ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Bauelement ein steuerbares Bauelement, zB. ein Transistor, Thyristor, od.dgl. ist, dessen Kollektor- und Emitter-Elektroden an die Enden der Spulenwicklung des Relais 1 und
dessen Steuer-Elektrode an einen zusätzlichen Steuerungskreis angeschlossen sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle ein Taktgenerator mit einstell- bzw. umstellbarem zeitlichen
Tastverhältnis dient, wobei der Umsymmetriefaktor der Steuerspannungen eines von der Stromquelle (5, 8) gespeisten Schaltoszillators (MONO-FLOP 31) zusammen mit der Einschaltung der Stromversorgung dieser gegenüber verzögert steuerbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle ein Taktgenerator mit umschaltbarem Amplitüden-Tastverhältnis dient, wobei die Stromversorgungsspannung eines von
der Stromquelle gespeisten Schaltoszillators gemäß

dem Taktsignal steuerbar bzw. seine Betriebsspannung
zusammen mit der Einschaltung der Stromversorgung
dieser gegenüber über ein Zeitglied gesteuert umschaltbar sind.

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Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Gruppe von mindestens annähernd gleich ausgebildeten Schaltkreisen der Schaltungsgruppen und/oder Ansteuerkreise der Schaltoszillatoren,

dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Serienschaltungen von Relais-Schaltungsgruppen (I0I.I η einschl. Kondensatoren C_{7 1} ) und Schalteinrichtungen mit

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Ansteuerkreisen (103.1... n), und insbesondere Tran-

sistoren (T

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), od.dgl., parallel an eine Strom-

quelle angeschlossen sind, wobei die Steuejeingänge (1o5.1 ... 1o5.n) von elektrischen Ausgangssignalen eines Mehrfach-Impulsgenerators (Zähler/Teiler 1o7) beaufschlagt sind, die periodisch zeitlich gegeneinander versetzt sind.

8. Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Taktpausen des Ansteuersignals einer beliebigen der Relais-Schaltgruppen größer ist, als die Summe der Impulsdauern der Ansteuersignale der übrigen Ansteuergruppen, gemessen über die Periodendauer der erstgenannten Wiederholungs-Impulse.

9. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 und 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerkreise des Mehrfach-Impulsgenerators (1o3.1 ... 1O3.n) bzw^ die Taktkreise mindestens teilweise in einem insbesondere hochintegrierten Halbleiter-Baustein (1o7) der Gattung der

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codiert ansteuerbaren Zählerbausteine mit seriell versetzten Ausgangssignalen bzw. Mehrfach-"OR"-Baugruppen od.dgl. zusammengefaßt sind.

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