DE3636104A1 - Elektronisches relais - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Relais mit einem Relais- und einem Hilfseingang sowie mit ein- und ausgangsseitiger galvanischer Trennung.

Ein elektronisches Relais der oben genannten Art ist in der DE-OS 19 05 023 näher beschrieben. Dabei wird dem Relaiseingang ein statisches binäres Steuersignal und dem Hilfseingang ein Taktsignal vorgegebener hoher Folgefrequenz zugeführt. Diese zugeführten Signale werden mit Hilfe dreier Schaltglieder der Digitaltechnik verknüpft und über jeweils eine von zwei Übertra­ gerprimärwicklungen auf mindestens einen Übertrager gegeben. An eine Sekundärwicklung des Übertragers ist eine Gleichrichter­ schaltung mit zwei Ausgangsklemmen angeschlossen, die somit von den beiden Eingängen galvanisch getrennt sind. Die Polarität einer an den Ausgangsklemmen abgreifbaren Gleichspannung ändert sich in Abhängigkeit vom Wert des zugeführten binären Eingangs­ signals.

Nachteilig ist bei diesem bekannten elektronischen Relais der eingangsseitige Verknüpfungsaufwand und die Tatsache, daß an den Ausgangsklemmen unabhängig vom Ein- und Auszustand des Relais stets eine Gleichspannung ansteht. Es ist daher nicht ohne weiteres möglich, mit Hilfe eines derartigen elektroni­ schen Relais eine Signallampe zu steuern, da diese unabhängig von der Polarität der abgegebenen Gleichspannung stets leuchten würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Relais der eingangs angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß einerseits eingangsseitig keine Schaltglieder zum Ver­ knüpfen der zugeführten Signale erforderlich sind und daß an­ dererseits am Relaisausgang im ausgeschalteten Zustand keine elektrische Energie abgegeben wird. Außerdem ist es erwünscht, das elektronische Relais so auszuführen, daß eine Möglichkeit der Überwachung auf ordnungsgerechtes Arbeiten besteht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Relais- und der Hilfseingang die Anfänge zweier gesondert durch antivalent zugeführte Signale steuerbarer Kanäle bilden, welche die Signale über mindestens je einen Optokoppler nach zwei am Ende der Kanäle galvanisch voneinander getrennten Aus­ gängen übertragen, wobei galvanisch getrennt vom Relaiseingang und zugehörigem Ausgang ein durch die Signale des Relaiskanals steuerbarer, einen dritten Ausgang bildenden Leistungsschalter vorgesehen ist, wobei die dem Relaisausgang zugeführten Signale in logischer Abhängigkeit vom Schaltzustand des Leistungs­ schalters stehen.

Dieses aufwandsarme elektronische Relais bringt durch seinen zweikanaligen Aufbau den großen Vorteil, daß ein und dasselbe elektronische Relais entweder als Öffner oder aber auch als Schließer eingesetzt werden kann. Die Kontaktfunktionen der elektronischen Relais werden mit einer Kettenschaltung je eines Kontroll- und Relaiskanals erzeugt. Jeder einzelne Kontakt muß erneut Signale generieren. Der jeweils aktive Kontakt des elek­ tronischen Relais generiert ein Steuersignal neu, der passive Kontakt ein Kontrollsignal. Ungewollt aktive Kontakte generie­ ren ein Steuersignal. Dies führt an den beiden Ausgängen des elektronischen Relais zu einer erkennbaren Antivalenzstörung.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist als Leistungsschalter ein Transistorschalter verwendet, dessen Eingang über den ersten Optokoppler mit dem Relaisausgang verbunden ist, und dessen Ausgang einen zweiten Optokoppler speist und über eine Diode den dritten Ausgang bildet.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsschalter ein optisch steuerbarer Nullspannungsschalter verwendet ist, dessen Eingang über den ersten Optokoppler mit dem Relaiseingang verbunden ist, und der mittelbar über einen den Relaisausgang bildenden Wandler mit Wechselspannung versorgt ist, die im aktiven Zu­ stand des Nullspannungsschalters am dritten Ausgang zur Ver­ fügung steht.

Für erweiterte Einsatzmöglichkeiten des elektronischen Relais ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß für den Relaiskanal mindestens ein weiterer, einen Serieneingang bildenden Opto­ koppler vorgesehen ist, dessen Ausgangsschaltelement in Reihe geschaltet ist mit dem Ausgangsschaltelement des mit dem Relaiseingang verbundenen Optokopplers.

Bei einer Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl elektronischer Relais in einer der oben angeführten Arten ist es von Vorteil, daß an die Ausgänge der beiden Kanäle mindestens eines der elektronischen Relais ein Antivalenzüberwachungsglied ange­ schlossen ist, welches bei gestörter Antivalenz mindestens die Stromversorgung aller Leistungsschalter der elektronischen Relais unterbricht.

Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß mit wenig Aufwand die Überwachung eines ganzen Schaltwerks herbeigeführt werden kann, so daß bei einer eventuellen Störung, die sich unweiger­ lich als Antivalenzstörung bemerkbar macht, über keinen der Leistungsschalter ein gefahrbringendes Signal ausgegeben werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Grundschaltung eines elektronischen Relais mit einem Transistorleistungsschalter,

Fig. 2 die Grundschaltung eines elektronischen Relais mit einem optisch steuerbaren Nullspannungsschalter,

Fig. 3 die Grundschaltung eines elektronischen Relais mit einem Serieneingang,

Fig. 4 eine Relaisschaltung herkömmlicher Art und

Fig. 5 die Realisierung der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 unter Verwendung von elektronischen Relais nach Fig. 3.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 stellt ein elektronisches Relais dar, bei welchem eine Signalverarbeitung in zwei vonein­ ander getrennten Kanälen erfolgt, und zwar in einem Relaiskanal RL und einem Kontrollkanal KL . Der Relaiskanal RL weist einen Relaiseingang E 1 auf, der mit einem ersten Optokoppler OR 1 verbunden ist. Dieser speist ausgangsseitig einen Transistor­ leistungsschalter TR, der externe, nicht weiter dargestellte Verbraucher über eine Diode D und einen Ausgang A 10 mit Energie versorgen kann. Zur Stromversorgung des ersten Optokopplers OR 1 und des Transistorleistungsschalters TR ist eine gemeinsame Spannungsquelle UB 1 vorgesehen. An den Ausgang TR 1 des Tran­ sistorleistungsschalters TR ist ein weiterer Optokoppler OR 2 angeschlossen, dessen Ausgangsschaltelement den Relaisausgang A 1 des Relaiskanals RL bildet. Zur Stromversorgung des Opto­ kopplers OR 2 dient eine gesonderte Spannungsquelle UB 2. Durch die Verwendung zweier Spannungsquellen UB 1 und UB 2 sind uner­ wünschte Verkopplungen über die Stromversorgung innerhalb des elektronischen Relais aus Sicherheitsgründen vermieden. Der Kontrollkanal KL beginnt mit einem Hilfseingang E 2, der auf einen dritten Optokoppler OR 3 geführt ist. Die Stromver­ sorgung dieses Optokopplers erfolgt ebenfalls aus der Span­ nungsquelle UB 1. Das Ausgangsschaltelement, ein Fototransistor, des Optokopplers OR 3 bildet den Ausgang A 2 des Kontrollkanals KL . Wesentlich ist nun für dieses elektronische Relais, daß es an den beiden Eingängen E 1 und E 2 stets mit antivalenten Schalt­ variablen betrieben wird. Beim Ausführungsbeispiel ist ange­ nommen worden, daß zum Betrachtungszeitpunkt am Eingang E 1 der Wert "1" und am Hilfseingang E 2 der Wert "0" liegt. Dies be­ deutet für den Relaiskanal RL , daß der Optokoppler OR 1 aktiviert ist und den Transistorleistungsschalter TR ansteuert. Somit liegt der Ausgang A 10 auf positivem Potential der Span­ nungsquelle UB 1. Damit ist auch der Optokoppler OR 2 aktivie rt, so daß der Relaisausgang A 1 das positive Potential der Span­ nungsquelle UB 2 führt und somit auf logisch "1" liegt. Demgegenüber bewirkt logisch "0" am Hilfseingang E 2, daß der Optokoppler OR 3 gesperrt ist und der Ausgang A 2 mit tiefem Potential ebenfalls logisch "0" führt.

Soll das elektronische Relais abgeschaltet werden, wird an den Relaiseingang E 1 die Schaltvariable mit dem Wert "0" und an den Hilfseingang die antivalente Schaltvariable mit dem Wert "1" gelegt. Dann führen der Ausgang A 2 mit positivem Potential der Spannungsquelle UB 1 den Wert "1" und der Relaisausgang A 1 sowie der Ausgang A 10 mit tiefem Potential den Wert "0". Sowohl im eingeschalteten Zustand des elektro­ nischen Relais als auch im ausgeschalteten Zustand herrscht an den Ausgängen A 1 und A 2 Signalantivalenz, die durch ein nicht weiter dargestelltes Antivalenzüberwachungsglied detektiert werden kann, wobei im Störungsfall mindestens die Spannungsquelle UB 1 abgeschaltet wird. Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß die Spannungsquellen UB 1 und UB 2 nicht nur zur Versorgung des einen elektronischen Relais dienen, sondern selbstverständlich bei einem größeren Schaltwerk mit einer Vielzahl elektronischer Relais diese alle gemeinsam speisen.

Das oben beschriebene elektronische Relais nach Fig. 1 kann als Schließer oder auch als Öffner arbeiten. Das heißt mit anderen Worten, daß ein Arbeits- oder Ruhekontakt realisiert wird. Im ersten Fall werden den beiden Eingängen E 1 und E 2 an­ tivalente Steuersignale mit den in der Zeichnung eingetragenen logischen Werten zugeführt. Im zweiten Fall, also bei der Ver­ wendung des elektronischen Relais als Öffner, liegt als aktives Signal am Relaiseingang E 1 die Schaltvariable mit dem Wert "0" und am Hilfseingang E 2 die Schaltvariable mit dem Wert "1".

Bei dem in Fig. 2 dargestellten elektronischen Relais sind für alle Teile, die bereits in der Anordnung nach Fig. 1 be­ schrieben wurden, dieselben Bezugszeichen verwendet. Das elek­ tronische Relais gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von demjeni­ gen nach Fig. 1 dadurch, daß als Leistungsschalter ein optisch steuerbarer Nullspannungsschalter NR vorgesehen ist, dessen Steuereingang mittelbar über den Optokoppler OR 1 mit dem Re­ laiseingang E 1 verbunden ist. Der Nullspannungsschalter NR wird aus einer Wechselspannungsquelle UB 20 versorgt, wobei in die zum Nullspannungsschalter NR führende Speiseleitung L 1 ein Stromwandler W eingefügt ist mit nachgeordneter Gleichrichter­ schaltung GG. Diese bildet praktisch den Relaisausgang A 1. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 stehen die dem Relaisaus­ gang A 1 zugeführten Signale in logischer Abhängigkeit vom Schaltzustand des Leistungsschalters. Der Relaisausgang A 1 führt nur in den Fällen hohes positives Potential und damit den Wert logisch "1", wenn der Nullspannungsschalter NR durchge­ schaltet hat und einen Wechselstromverbraucher über seinen Ausgang A 10 mit Energie versorgt.

Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung des elektronischen Relais nach Fig. 1. Für alle bereits beschriebenen Bauteile und Bestandteile der Schaltung nach Fig. 3 wurden dieselben Bezugszeichen verwendet. Die elektronischen Relais nach den Fig. 1 und 3 unterscheiden sich von dem letztgenannten durch einen zusätzlichen Serieneingang ES im Relaiskanal RL . Zu dem Zweck ist ein weiterer Optokoppler OR 4 vorgesehen, dessen Ausgangsschaltelement einerseits mit der Spannungsquelle UB 1 und andererseits mit dem Ausgangsschaltelement des Opto­ kopplers OR 1 verbunden ist. Somit wird das Ausgangsschaltele­ ment des Optokopplers OR 1 mittelbar über den Optokoppler OR 4 mit elektrischer Energie versorgt. Die beiden Optokoppler OR 1 und OR 4 stellen für die Ansteuerung des Transistorleistungs­ schalters TR eine UND-Verknüpfung dar, d. h., daß sowohl der Relaiseingang E 1 als auch der Serieneingang ES mit dem Wert logisch "1" belegt sein muß, wenn der Ausgang A 10 ein Ausgangs­ signal abgeben soll. Das elektronische Relais nach Fig. 3 stellt in bevorzugter Weise eine universell einsetzbare Schal­ tung dar, so, wie es anhand der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 noch näher erläutert wird.

Zur Erläuterung des Anwendungsbeispieles wird in der Anordnung nach Fig. 4 zunächst von einer Relaisschaltung ausgegangen. Zu überwachen sind vier Signalquellen Q 1 bis Q 4, denen vier Relais 1 bis 4 nachgeordnet sind. Bei ordnungsgerechten Signalen sind die Relais 1 bis 3 erregt und das Relais 4 abgeschaltet. Kon­ takte 10, 20, 30 und 40 der Relais 1 bis 4 bilden einen Über­ wachungsstromkreis U, derart, daß ein Verbraucher VR nur dann mit der Spannungsquelle UB 1 verbunden wird, wenn alle drei Relais 1, 2 und 3 erregt sind, oder aber mindestens das Relais 4 angeschaltet wird.

Das kurz angerissene technische Problem wird unter Verwendung eines elektronischen Relais nach Fig. 3 im Rahmen der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 5 durch eine Sicherheitsschaltung gelöst. Die Signalquellen Q 10, Q 20, Q 30 und Q 40 sind dabei so ausgebildet, daß sie antivalente Signale ausgeben. Dies ist durch entsprechend eingetragene Werte "0" und "1" dargelegt. Die Schaltung erfordert vier elektronische Relais R 1, R 2, R 3 und R 4. Die Relaiseingänge sind mit 1 E 1, 2 E 1, 3 E 1 und 4 E 1 be­ zeichnet, während die Hilfseingänge der vier Relais R 1 bis R 4 mit 1 E 2, 2 E 2, 3 E 2 und 4 E 2 bezeichnet sind. Serieneingänge tragen die Bezugszeichen 1 ES, 2 ES, 3 ES und 4 ES. Die Ausgänge der Relaiskanäle sind mit 1 A 1 und 1 A 10 bzw. 2 A 1 und 2 A 10 oder 3 A 1 und 3 A 10 bzw. 4 A 1 und 4 A 10 bezeichnet. Die Ausgänge der Kontrollkanäle der vier elektronischen Relais R 1 bis R 4 tragen die Bezugszeichen 1 A 2, 2 A 2, 3 A 2 und 4 A 2. Die elektronischen Relais R 1, R 2 und R 3 bilden für den Verbraucher VR im Rahmen einer UND-Verknüpfung den gewünschten Anschaltstromkreis. Da der Ausgang 4 A 10 des elektronischen Relais R 4 ebenfalls auf den Verbraucher VR wirkt, kann dieser bei entsprechender Ansteue­ rung durch die Signalquelle Q 40 in gewünschter Weise ange­ schaltet werden.

Um nun die geforderte Sicherheit der Schaltung nach Fig. 5 zu erzielen, erfolgt eine Überwachung auf Signalantivalenz. Zu dem Zweck sind den drei eine UND-Verknüpfung bildenden elektro­ nischen Relais R 1, R 2 und R 3 ein Antivalenzüberwachungsglied AU 1 und dem elektronischen Relais R 4 ein weiteres Antivalenz­ überwachungsglied AU 2 zugeordnet. Die beiden Antivalenzüberwa­ chungsglieder AU 1 und AU 2 sind so ausgebildet, daß sie bei ge­ störter Antivalenz an den Ausgängen 3 A 2 und 3 A 1 bzw.4 A 2 und 4 A 1 einen Kurzschluß herbeiführen, der die Sicherung S 1 oder S 2 bzw. beide auslösen, so daß der Verbraucher VR auf keinen Fall aus der Spannungsquelle UB 1 gespeist werden kann. Bei diesen Maßnahmen wird davon ausgegangen, daß ein Abschalten des Ver­ brauchers VR per Definition einen ungefährlichen Zustand dar­ stellt.

Das erfindungsgemäße elektronische Relais kann über die darge­ stellten Ausführungsbeispiele hinaus in mannigfaltiger Hinsicht variiert werden. So ist es für bestimmte Anwendungsfälle denk­ bar, anstelle eines einzigen Serieneinganges ES (Fig. 3) noch weitere vorzusehen, die über zusätzliche gesonderte Optokoppler im Schaltungszusammenhang mit dem Optokoppler OR 1 stehen. Zur Vervielfachung der Relaisausgänge A 1 können dem Optokoppler OR 2 noch zusätzliche Optokoppler eingangsseitig parallelge­ schaltet werden.

Die Überwachung auf Signalantivalenz an den beiden Ausgängen jedes elektronischen Relais oder einer Gruppe von elektroni­ schen Relais kann durch ein beliebiges Antivalenzüberwachungs­ glied erfolgen. Wesentlich ist dabei, daß bei gestörter Signal­ antivalenz mindestens die Spannungsquelle UB 1 abgeschaltet wird, um sicherzustellen, daß keine gefahrbringenden Signale ausgegeben werden.

Claims (5)

1. Elektronisches Relais mit einem Relais- und einem Hilfseingang sowie mit ein- und ausgangsseitiger galvanischer Trennung, dadurch gekennzeichnet, daß der Relais- und der Hilfseingang (E 1/E 2) die Anfänge zweier gesondert durch antivalent zugeführte Signale steuerbarer Kanäle (RL, KL) bilden, welche die Signale über mindestens je einen Optokoppler (OR 1, OR 3) nach zwei am Ende der Kanäle (RL, KL) galvanisch voneinander getrennten Ausgängen (A 1, A 2) übertragen, wobei galvanisch getrennt vom Relaiseingang (E 1) und zugehörigem Relaisausgang (A 1) ein durch die Signale des Relaiskanals (RL) steuerbarer, einen dritten Ausgang (A 10 ) bildender Leistungsschalter (TR) vorgesehen ist, wobei die dem Relaisausgang (A 1) zugeführten Signale in logischer Abhängigkeit vom Schaltzustand des Leistungsschalters (TR) stehen.

2. Elektronisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsschalter ein Transistorschalter (TR) verwendet ist, dessen Eingang über den ersten Optokoppler (OR 1) mit dem Relaiseingang (E 1) verbunden ist, und dessen Ausgang (TR 1) einen zweiten Optokoppler (OR 2) speist und über eine Diode (D) den dritten Ausgang (A 10) bildet (Fig. 1).

3. Elektronisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsschalter ein optisch steuerbarer Nullspannungsschalter (NR) verwendet ist, dessen Eingang über den ersten Optokoppler (OR 1) mit dem Relaiseingang (E 1) verbunden ist, und der mittelbar über einen den Relaisausgang (A 1) bildenden Wandler (W) mit Wechselspannung (UB 20) versorgt ist, die im aktiven Zustand des Nullspannungsschalters (NR) am dritten Ausgang (A 10) zur Verfügung steht Fig. 2.

4. Elektronisches Relais nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Relaiskanal (RL) mindestens ein weiterer, einen Serieneingang (ES) bildenden Optokoppler (OR 4) vorgesehen ist, dessen Ausgangsschaltelement in Reihe geschaltet ist mit dem Ausgangsschaltelement des mit dem Relaiseingang (E 1) verbundenen Optokopplers (OR 1), (Fig. 3).

5. Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl elektronischer Relais nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge der beiden Kanäle (3 A 1, 3 A 2) mindestens eines der elektronischen Relais (R 3) ein Antivalenzüberwachungsglied (AU 1) angeschlossen ist, welches bei gestörter Antivalenz mindestens die Stromversorgung (UB 1) aller Leistungsschalter der elektronischen Relais unterbricht (Fig. 5).