DE3730517A1 - Schaltungsanordnung fuer die erregung und entregung eines bistabilen relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Erregung und Entregung eines bistabilen Relais im Ausgang eines Stromkreises mit einer Stromquelle, deren Spannung niedriger ist als die Ansprechspannung des Relais, einer Transistor- und Ladekondensator-Schaltungs-Kombination gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bistabile Relais sind wegen ihres Vorteils des geringen Energieverbrauchs bei batterie-betriebenen Geräten zum Schalten größerer Spannungen bzw. Ströme an sich recht vorteilhaft. Sie benötigen jedoch mindestens für ihre Ein­ schaltung eine relativ größere Spannung für den Strom in einer Richtung durch die Spule des Relais zur Erregung, während für die Aufrechterhaltung des eingeschalteten Zu­ standes infolge der Remanenz des magnetischen Kreises bei bistabilen Relais mit nur einer Spule kein Strom erforder­ lich ist, weil deren Anker nach Erregung gegen eine Feder­ kraft durch Remanenz in der Arbeitslage gehalten wird und zur Abschaltung des Relais ein geringerer Strom bei niedri­ gerer Spannung als der Ansprechspannung für die Erregung in Gegenrichtung zur Aufhebung der Remanenz ausreicht.

Mit Rücksicht auf den bei gleichem Volumen größe­ ren Energieinhalt einer einzelnen Batterie im Vergleich zu einer Reihenschaltung aus mehreren Batterien mit niedrigerer Spannung und im Zuge der Miniaturisierung der mit solchen Batterien betriebenen Geräten kommen immer mehr Mikroprozes­ soren in Einsatz, für die eine Versorgungsspannung von 1,5 V ausreicht. Eine Versorgung der einschlägigen Geräte mit Re­ laisausgang steht lediglich entgegen, daß Batterien mit 1,5 V Spannung für die Erregung des betreffenden Relais nicht aus­ reichen. Es besteht also ein Bedarf an einer Schaltungsanord­ nung, mit deren Hilfe die Batterie-Spannung von 1,5 V in eine Relaisversorgungsspannung von ca. 4,5 V bis 6 V für ein leicht herstellbares und somit preiswertes Remanenzrelais umgewandelt werden kann.

Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik der sogenannten eisenlosen Spannungswandler bzw. Spannungs- Verdoppler- oder Vervielfacher-Schaltungen, z. B. laut dem Aufsatz von H. Michl in "Funktechnik 1968", Nr. 18, Seite 701.

Dort ist eine dreigliederige Phasenkette, wie sie in RC-Gene­ ratoren Verwendung findet, in Verbindung mit einer Dioden- Kondensator-Kette nach Art der bekannten Spannungs-Verdoppler oder Vervielfacher-Schaltungen an den Ausgang des RC-Phasen­ ketten-Generators angeschlossen. Diese Schaltung und in gleicher Weise ähnliche Schaltungen sind in der Regel, da sie von der mehrfachen Anwendung des Spannungsverdopplungs-­ Prinzips mit Hilfe von Serien-geschalteten Kondensator- Gruppen Gebrauch macht, relativ aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Auf­ gabe zugrunde, die Umwandlung einer relativ niedrigen Bat­ terie-Spannung in eine höhere Gleichspannung durch eine Schaltungsanordnung zu bewerkstelligen, die einen kleineren Aufwand an Bauelementen und an Montage- bzw. Justierungs­ mitteln erfordert, aber trotzdem zuverlässig ist und den Forderungen der Miniaturisierung von der Raumfrage her bes­ ser entspricht als es bei den bekannten Lösungen der Fall ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 in Verbindung mit den Teilmerkmalen des Oberbegriffs gelöst. Sie macht Gebrauch von dem Prinzip der Induktion eines Impulses von relativ hoher Spannung an einer Spule entsprechend der Schnelligkeit des Abschaltens eines durch sie fließenden Stroms. Hierfür wird durch Beaufschlagung der Basis-Elektrode 5 des Transistors 1 mit einer periodischen Steuerspannung der Spulenstrom mehrfach nacheinander schnell ein- und wieder aus­ geschaltet und werden mehrere dieser Impulse nacheinander gleichgerichtet zur Ladung eines Kondensators verwertet, bis dieser Kondensator die für die Erregung des Relais notwendige Spannung erreicht bzw. etwas überschritten hat. Nachdem bei ausreichender Spannung das Relais eingeschaltet ist, genügt für die Abschaltung des Relais dann die Spannung der Batterie allein in zu der Erregungsspannung umgekehrter Richtung. Die Erfindung benötigt hierbei eine lediglich zeitlich gestufte Beaufschlagung von Eingangsklemmen mit teils periodischen Impulsspannungen und teilweise mit Gleichspannungen Null und Quellen-Pol (positiv bzw. negative - je nach Detail-Prinzip der Halbleiter-Schaltung PNP und NPN bzw. NPN und PNP od. dgl.).

Das erfindungsgemäße Schaltungsprinzip ermöglicht die Verwendung von serienhergestellten, miniaturisierten Bausteinen mittels wahlweise gehäufter Integration von Bau­ elementen bzw. Teil-Baugruppen, wie Baueinheiten für perio­ dische Spannungsquellen, Gleichspannungsquellen verschiede­ nen Potentials und zugehörigen Schaltern geeigneter Bauart in Eingangskreisen eines Steuerwerks für den Zeitablauf der Schaltvorgänge und ihren Einsatz in Verbindung mit Baugrup­ pen der eingangs erwähnten Art mit niedrigerer Versorgungs­ spannung, aber auch in Verbindung mit Relais der üblichen Ansprechspannungen.

Andere Besonderheiten sind Gegenstand der Unteran­ sprüche, insbesondere bezüglich der Steuerung der Eingangs­ spannungen an den einzelnen Klemmen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben; es stellt dar

Fig. 1 eine allgemeine Variante mit einem ersten Strompfad mit gesonderter Diode (gestrichelt gezeichnet) und einem zweiten Strompfad mit einem NPN-Transistor im Ladeeingangszweig des Ladekondensators;

Fig. 2 eine schaltbildtechnisch vereinfachte Variante, wobei die Diode funktionell in die Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors integriert ist, außerdem mit einem Mikroprozessor für die Umschaltung des Basis-Elektroden- Eingangs des ersten Transistors von H/L-Impuls-Spannung auf Gleichspannung "H" und für Umschaltung von Gleich­ spannung "H" auf Gleichspannung Null ("L") sowie die Umschaltung der Basis- Elektrode des zweiten Transistors von Gleichspannung Null (L) auf Quellen-, hier positiven Pol (H).

In Fig. 1 ist der PNP-Transistor 1 mit seiner Emit­ ter-Elektrode an den Pol der Quellenspannung, z. B. hier den positiven Pol (H) der Stromquelle 2 und mit seiner Kollek­ tor-Elektrode 15 über das Relais 3 an den Null-Pol (L) der Stromquelle 2 angeschlossen. Die Basis-Elektrode 5 des Transistors 1 ist über den Strombegrenzungs-Widerstand 6 mit der Klemme 7 verbunden, die mittels des Umschalters 8 wahlweise an den Ausgang 9 des Generators 10 für eine pe­ riodische Impulsspannung (abwechselnd H, L) oder an die Klemme 26 für den Null-Pol (L) 12, d. h. hier den Null-Pol 13 der Stromquelle 2, oder an die Klemme 41 für den Quel­ len-Pol (hier H gleich positiver Pol) anschließbar ist.

Der Knotenpunkt 14 zwischen Kollektor-Elektrode 15 des ersten Transistors 1 und Eingangsklemme 16 des Re­ lais 3 ist über den Ladekondensator 17 der Schaltungskombi­ nation 18 über einen ersten Strompfad mit einem Gleichrich­ ter-Zweig 19 mit Leitung 20, Diode 21 und Vorwiderstand 22 mit dem Null-Pol 23 der Stromquelle 2 verbunden. Die Leit­ fähigkeit der Diode 21 ist entgegengesetzt gerichtet der­ jenigen des Transistors 1. Der Ladekondensator 17 liegt außerdem im Kollektor-Elektrodenkreis 24 des zweiten Tran­ sistors 25, und dessen Emitter-Elektroden-Anschluß 24 an dem Null-Pol 31.

Die Funktion der Schaltung ist folgende: Im ersten Betriebszustand wird die Basis-Elektrode des ersten Transi­ stors 1 über den Strombegrenzungs-Widerstand 6 aus dem Gene­ rator 10 mit einer periodischen Impulsspannung beaufschlagt, die über die Emitter-Kollektor-Strecke 33 einen Strom durch das Relais 3 so steuert, daß bei L-Impulsen der Strom das Relais noch nicht bis in den Einschaltzustand erregt. Dabei ist von der Klemme 28 aus und über den Begrenzungs-Widerstand 30 die Basis-Elektrode 29 des zweiten Transistors 25 am Null- Pol 12 und tritt beim Übergang in die Impulspause, wobei über den Begrenzungs-Widerstand 6 an der Basis-Elektrode 5 des ersten Transistors die Spannung Null (L) wirksam ist, an der Eingangsklemme 16 des Relais 3 eine negative Induktionsspan­ nung auf, die den Ladekondensator 17 mit einem durch den Strombegrenzungs-Widerstand 22 begrenzten Ladestrom über die Diode 21 auf eine negative Spannung zwischen dem Knotenpunkt 14 und Fußpunkt 23 auflädt. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der Generator 10 durch eine Steuerung abgeschal­ tet und bis Schalter 8 auf Klemme 41 (hier: H) und damit die Spannung an Klemme 7 (hier: H) über Widerstand 6 an Basiselek­ trode 5 des Transistors 1 angelegt und dieser dadurch gesperrt wird.

Überschreitet die Summe aus der in der Relaisspule 3 induzierten Spannung an Punkt 14 gegen den Null-Pol 4 der Stromquelle 2 - ohne Berücksichtigung der hier an sich ver­ nachlässigbaren Spannung am Transistor 25 - und der Spannung an der Batterie 2 die Durchbruchspannung der Zenerdiode 34, dann wird diese leitend und begrenzt die Spannung an Punkt 14 gegen Null (L), d. h. die Spannung am Kondensator 17 bei derart geeigneter Auslegung der Zenerdiode auf einen Wert, der geringfügig größer ist als die Erregungsspannung des Relais 3. Die dem Transistor 1 entgegengesetzt parallel ge­ schaltete Zenerdiode 34 bewirkt wegen ihrer konstanten Durch­ bruchspannung bei sinkender Batteriespannung ein Ansteigen der Spannung am Kondensator 17. So kann die Energie der Batterie 2 noch bis unter einen üblichen Grenzwert der Entladung ausgenützt werden.

Wenn dann die Spannung am Relais zur Erregung bis zum Einschaltzustand ausreicht, wird in einem zweiten Be­ triebszustand ein positiver Impuls an der Klemme 28 über den Begrenzungs-Widerstand 30 auf die Basis-Elektrode 29 geleitet und der Ladekondensator 17 durch den Transistor- Eingangsstrom zum Relaiseingang 16 über das Relais entla­ den und dadurch das Relais 3 in den Einschaltzustand er­ regt.

In einem dritten Betriebszustand werden Klemme 28 wieder mit dem Null-Pol verbunden, wodurch Transistor 2 gesperrt wird, und Klemme 7 des Schalters 8 ebenfalls mit dem Null-Pol verbunden, wodurch Transistor 1 leitend wird, so daß der Stromkreis der Batterie 2 über Transistor 1 und Spule des Relais 3 geschlossen ist und ein dem Erregungs­ strom entgegengesetzter das Relais entregt.

In Fig. 2 sind die Umschalter im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zugleich mit einer Steuerung für die Zeitfolge der Betriebszustände gemäß der strichpunktierten Linie 35 in einem Halbleiter-Baustein 35 a zusammengefaßt, der den Gene­ rator 36 für die periodische Impulsspannung enthält. Dieser Mikroprozessor besitzt einen Ausgang 37 für das umzuschal­ tende Eingangssignal der Basis-Elektrode 5 des ersten Tran­ sistors 1 und einen zweiten Ausgang 38 für die zwischen Signal L und Signal H umzuschaltende Eingangsspannung der Basis-Elektrode 29 des zweiten Transistors 25, sowie die Anschlüsse 39 und 40 für die Versorgungsspannungen H und L. Damit ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung weiter wesentlich vereinfacht, so daß sie lediglich noch die beiden Transistoren 1 und 25, den Ladekondensator 17, Begrenzungswiderstände 6 und 30, sowie die Zenerdiode 34 für das Relais 3 enthält.

Die Programmierung des Halbleiter-Bausteins 35 a, der vorzugsweise als Mikroprozessor bzw. ein Teil eines solchen ausgebildet ist, besteht in einfacher Weise aus Zeitgliedern zwischen denjenigen Baueinheiten, die bei dem Wechsel der Betriebszustände zur Wirkung gelangen und je nach Bedarf des Verwendungsfalls verschieden dimensioniert sind. Eine Mikroprozessor-Funktion kommt dabei in Form einer Zeitfolge mit vorgewählten Zeiten für die Betriebszu­ stände zustande. Die übrigen Funktionen der Schaltung sind die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mit der Maßgabe, daß in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die Variante des in den Transistor 25 integrierten Gleichrich­ ter-Zweiges 19 vorausgesetzt ist.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung für die Erregung und Entregung eines bistabilen Relais im Ausgangs eines Stromkreises mit einer Stromquelle, deren Spannung niedriger ist als die Ansprechspannung des Relais, einer Transistor- und Ladekondensator-Schaltungskombination, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Elektroden-Eingang (5) eines ersten Tran­ sistors (1) - von PNP-Typ im Falle eines positiven Quel­ lenpols der Stromquelle (2) - in einem ersten Betriebs­ zustand durch eine periodische Impulsspannung (abwech­ selnd H, L) (9) beaufschlagbar ist, wobei ein Ladekon­ densator (17) der Schaltungskombination ( 18 )

• a) in einem ersten Strompfad ( 19 ) zwischen Knotenpunkt (14) von Kollektor-Elektrode (15) des ersten Tran­ sistors (1) und Relais-Eingangsklemme (16) über eine Gleichrichter-Einrichtung aus Diode (21) und Strom­ begrenzungswiderstand (22) in Serienschaltung einer­ seits und Null-Pol (23) der Stromquelle (2) liegt, wobei dem Ladekondensator (17) infolge der Abschalt- Induktionsspannung periodische Ladestromimpulse zu­ geführt werden, und
• b) in einem zweiten Strompfad (24) in einem zweiten Be­ triebszustand über einen zweiten Transistor (25), dessen Durchlaßrichtung derjenigen des erstgenannten (1) entgegengesetzt ist, - im genannten Falle also vom NPN-Typ -, mit der Beendigung des Ladevorgangs bei Erreichen einer Spannung, die ausreichend grö­ ßer ist als die Ansprechspannung, bei Sperrung des ersten Transistors (1) durch Umschaltung der Basis­ elektrode (5) von der Impulsspannung auf den Quellen­ pol (den positiven Pol im Falle des Beispiels) und gleichzeitig damit bei Leitfähigkeit des zweiten Transistors (25) durch Umschaltung der Basis-Elektrode (29) desselben von Null (L) auf positiven Pol (H) das Relais (3) einschaltbar und schließlich
• c) in einem dritten Betriebszustand infolge Leitfähigkeit des ersten Transistors (1) bei Beaufschlagung dessen Basis-Elektrode (5) mit Spannung Null (L) durch dessen entgegengesetzten Strom das Relais (3) entregbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode in der Basis-Kollektorstrecke (32) des zweiten Transistors (25) funktionell integriert ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor-Emitter-Strecke (33) des ersten Tran­ sistors (1) eine Zenerdiode (34) parallel geschaltet ist, deren Leitfähigkeit derjenigen der Kollektor-Emitter- Strecke des ersten Transistors (1) entgegengesetzt ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (5 bzw. 29) über ihren Vorwider­ stand (6 bzw. 30) durch Ausgangssignale von Spannungs­ quellen (L, H) bzw. einen Signalgenerator beaufschlagt ist, die manuell, gegebenenfalls mit Hilfe einer Schalt­ automatik, in einer vorgegebenen Zeitfolge automatisch angesteuert ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitfolge der beabsichtigten Betriebs­ zustände und die dabei wirksamen Schaltungsteile wahlweise durch eine programmierte bzw. programmierbare Baugruppe, z. B. einen Halbleiter-Baustein (35) mit integriertem Im­ pulsgenerator "H/L" (36) mit einer ersten Umschaltfunktion zwischen den Spannungsquellen "periodischer Impuls" und den Gleichspannungen "H" bzw. "L" an einem ersten Ausgang (37) bzw. einerzweiten Umschaltfunktion zwischen den Gleich­ spannungen "L" und "H" an einem zweiten Ausgang steuerbar ist.