DE3941821A1 - Ansteuerschaltung eines monostabilen relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuer-Schaltung zum "Ein"- und "Aus"-Schalten mindestens eines monostabilen Relais einer aus einem Kondensator-Netzteil, gegebenenfalls mit einem parallel geschalteten Glättungs-Kondensator, versorgten Steuer- und Regeleinrichtung mit impulsförmigen Steuersignalen gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

In einer allgemeinen Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Ansteuerschaltung der genannten Gattung mit einem Mindestaufwand von zwei Transistoren für die Steuerung des Erregungsstroms der Relais-Spule. In einer besonderen Ausführungsform mit einem zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand betrifft die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung eine zusammengesetzte Halbleiterschaltung mit teilweise entgegengesetzt gerichteten Steuerstrecken.

In der DE-OS 33 31 678 ist eine einschlägige Schaltung beschrie­ ben, bei der mindestens ein Relais zunächst mit stärkeren oder längeren Stromimpulsen erregt und dabei ein Anker angezogen wird und dann durch Kurz-Impulse die Erregung des Relais aufrechterhalten wird, bevor der Anker abfällt. Damit wird schon eine beachtliche Ersparnis an Leistung erreicht, jedoch ist die Schaltung entsprechend ihrer Anpassung an die Vielseitigkeit ihres Anwendungsbereichs mit einem gewissen Aufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ansteuerungsschaltung der eingangs genannten Art unter Einsatz von preiswerten Relais mit kostengünstiger Bauweise und nach einem Funktionsprinzip mit sparsamen schaltungstechnischem Aufwand und von vornherein geringen Verlusten auszubilden, wobei die Verlustleistung noch zusätzlich kleiner zu halten ist als bisher, im wesentlichen Umfang gleichmä­ ßig auf viele Bauteile verteilt und der Stromverbrauch auf die Aufrechterhaltung des Haltezustands beschränkt werden und vom Schaltzustand möglichst unabhängig sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Ansteuer-Schaltung eines monostabilen Relais der eingangs im Oberbegriff des 1. und des 2. Anspruchs beschriebenen Gattung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils dieser nebengeordneten Ansprüche durch eine Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bzw. 2 und deren Aufbau gelöst. Dieser Erfindung liegt die technische Lehre zugrunde, daß bei einem monostabilen Relais nach kurzzeitiger Überschreitung der Ansprechspannung an der Spulenwicklung, wobei der Strom durch die Relaiswicklung größer als der Ansprechstrom ist, die Halte-Erregung aufrechterhalten bleibt, dagegen bei Unterschreitung der Halte-Erre­ gung, d. h., wenn der Strom durch die Relaiswicklung kleiner ist als der Haltestrom, das Relais abfällt.

Im einzelnen besteht das wesentliche der Schaltungsanordnung darin, daß die Relaisspule in einer Brückenschaltung eingebaut ist, in welche sie mittels wechselweise aktivierter Transistor-Parallel- Zweigen in wahlweise schaltbare Betriebszustände gebracht werden kann. Auf diese Weise wird die Relaiswicklung durch einen Impuls­ strom über den Ansprechzustand in den angezogenen Zustand gesteuert und durch mittlere Stromerregung in den Dauerzustand mit Haltezu­ stand versetzt.

Mit dieser einfachen Schaltung wird also erreicht, daß außer Ruhestrom nur in den kurzen Zeitspannen für die Erregung des Relais mit Impulsströmen Leistung verbraucht wird und außerdem für den Abfall des Relais die Relaiswicklung für die Entmagnetisierung des Relais aus dem Haltezustand kurzgeschlossen wird. Der Energieverbrauch beschränkt sich also auf die Aufrechterhaltung des Halte-Betriebs.

Im Falle einer Uhren-Mikrocomputer-Stromquelle läßt sich die Entregung des Relais über einen NPN-Transistor T4 als vorgeschal­ tete Inverterstufe durch einen parallel geschalteten PNP-Transistor T3 herbeiführen, indem dieser durch das Ausgangssignal der Inverter­ stufe T4 an seiner Basiselektrode 21 beaufschlagt wird.

Unter solchen Voraussetzungen in Verbindung mit einer Uhren-Mikro­ computer-Stromquelle läßt es sich überdies einrichten, daß die betreffenden Transistoren gleichzeitig mit "Ein"- bzw. "Aus"- Stromimpulsen beaufschlagt und auf diese Weise überwiegend Blind­ ströme bewirkt werden, die keine oder lediglich stark reduzierte Leistungen darstellen.

Besonderheiten der Erfindung sind anhand eines Ausführungsbeispiels in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert, es stellen dar

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Prinzip-Schaltbild einer an sich bekannten einschlägigen An­ steuer-Schaltung für ein oder mehrere Relais mit einem Kondensatornetzteil,

Fig. 2 eine modifizierte Ansteuerschaltung als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit je einem "Ein"- und "Aus"-Stromimpuls für ein zugehöriges Transistorpaar,

Fig. 3 eine Gegenüberstellung von Strom-Zeit-Diagrammen für einzelne Relais-Schaltzustände bei entspre­ chenden "Ein"- und "Aus"-Schaltimpulsen (linke Hälfte) bzw. bei Daueransteuerung (rechte Hälfte),

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit je einem "Ein"- und "Aus"-Stromimpuls für eine zugehörige Transistorgruppe als Variante einer Ansteuerschaltung nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist beispielsweise - stellvertretend für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung - eine Ansteuerschaltung des Standes der Technik für ein monostabiles Relais oder mehrere dargestellt, die aus dem Kondensator-Netzteil 4 mit Konstantstrom aus dem Leitungsnetz versorgt wird. Über dieses Kondensator-Netzteil 4 werden die Relais M1 und M2 von den Transistoren N1 und N2 je nach den Kommandos aus dem Mikroprozessor MP, ZB, einer elektronischen Schaltuhr erregt. An den Ausgang des Kondensator-Netzteils 4 ist üblicherweise ein Stabilisator-Stromkreis der bekannten Bauart, z. B. ein Glättungskondensator 4′, angeschlossen.

An die hier in Rede stehenden Ansteuer-Schaltungen von Relais werden vor allem hinsichtlich ihres Stromverbrauchs hohe Anforderungen ge­ stellt. Da von einer Ansteuer-Schaltung meistens mehrere Relais unabhängig voneinander je nach auftretenden Kommandos in verschie­ dene Betriebszustände überführt werden müssen, wobei manche Erre­ gungsimpulse sich überlappen und zeitlich verschiedene Stromimpulse freigegeben werden, können sehr unregelmäßige Betriebsbedingungen auftreten. Abgesehen davon, ist es schon wegen dieser schaltungs­ technischen Gegebenheiten unbefriedigend, daß die an sich bekannten verfügbaren Schaltungen von vornherein einen zu hohen Strombedarf haben.

Die Relais-Ansteuerschaltung in Fig. 2 wird vom Ausgang eines Kon­ densator-Netzteils 4 der vorbeschriebenen Art über einen Glättungs­ kondensator 4′ gespeist, indem eine erste Serienschaltung 1 - Relais­ spule K1 und Serien-Widerstand R3 - und eine zweite Serienschaltung 2 der Kollektor-Emitterstrecken der zwei NPN-Transistoren T1 und T2 angeschlossen und parallel geschaltet ist, wobei der Knotenpunkt 3 zwischen dem ersten Transistor T1 und dem zweiten Transistor T2 mit dem Knotenpunkt 3′ der ersten Serienschaltung 1 verbunden ist. Durch den Strom durch die Relaisspule K1 wird der zugehörige Kontakt K1′ betätigt, der den Stromkreis eines Kanals A schließt.

Der Transistor T1 erhält an dem Eingang seiner Basiselektrode 6 über den Widerstand 7 das "Ein"-Stromimpuls-Signal 5 von kurzer Dauer, wobei während der kurzen Einschalt-Signaldauer TE die Leit­ fähigkeit der zugehörigen Kollektor-Emitterstrecke 8 des Transistors T1 erhöht wird, das Relais anzieht, die Ansprechspannung des Relais überschritten wird, nach Beendigung des "Ein"-Stromimpulses 5 das Relais in den Haltespannungs-Betrieb übergeht (vgl. Fig. 3). Durch einen wahlweise ausgelösten "Aus"-Stromimpuls 9 über den Vorwiderstand 11 an der Basiselektrode 10 wird die Leitfähigkeit der zugehörigen Kollektor-Emitterstrecke 12 des Transistors T2 erhöht, so daß das Relais abfällt, weil die Spannung an der Relaiswicklung K1 unter die Haltespannung bzw. der Haltestrom unter den entsprechenden Grenzwert abfällt, wonach sich aber der Ruhe-Betriebszustand des Relais mit dem Ruhestrom durch den Widerstand R3 einstellt.

Die vorerwähnten Betriebs-Verhältnisse sind in Fig. 3 dargestellt, wo übereinander ein Diagramm für die vorkommenden verschiedenen Ströme durch die Relaiswicklung unter den verschiedenen Betriebs­ bedingungen - mit "Ein"- (TK1/TK2) und "Aus"- (TK3, TK4) Schaltimpulsen für normalen "Ein"-/"Aus"-Betrieb - dargestellt ist, ein zweites Diagramm für den Relais-Schaltzustand, ein drittes Diagramm für den "Ein"-Impulsstrom und ein viertes Diagramm für den "Aus"-Impulsstrom. In der durch die gestrichelte Linie von diesen Diagrammen getrennten, nach rechts anschließenden Darstellung (oben) sind die Ströme dargestellt für den Ruhestrom bzw. ab der Zeitmarke TK5 für die Daueransteuerung der beiden Transistoren.

Die eigentlichen Diagramme stellen die Funktionen für den "Ein"- Stromimpuls 5 zwischen den Zeitmarken TK1 und TK2 und für den "Aus"-Stromimpuls 9 zwischen den Zeitmarken TK3 und TK4 mit einer Dauer TE und TA dar. Dabei ist die Signalwirkung der "Ein"-Stromimpulse (JE) als Überschreitung der Grenzlinie des "Ein"-Stromimpulses für die Ansprechspannung des Relais und im entgegengesetzten Falle des "Aus"-Stromimpulses als Unterschreitung der Grenzlinie für die Haltespannung erkennbar. Die versetzten Strom-Zeit-Diagramm-Änderungen sind entsprechend für die Dauer der Ansprechwirkung des Relais zwischen den Zeitmarken TK1 und TK2 und entsprechend für die Abfallwirkung des Relais zwischen den Zeitmarken TK3 und TK4 eingetragen. Die Stromimpulse für "Ein"- bzw. "Aus"-Signale sind in dem letzten Diagrammpaar in der oberen Hälfte und in der unteren Hälfte zwischen den Zeitmarken TK1 und TK2 bzw. TK3 und TK4 enthalten.

Die erweiterte Prinzip-Schaltung - der Fig. 4 - einer erfindungsgemäßen Relais-Ansteuerschaltung ist von einem Mikro-Computer aus ansteuerbar, indem die Spannungsfußpunkte bei den Transistoren mit "Ein"- und "Aus"-Stromimpulsen im Eingang übereinstimmend auf Null-Niveau liegen. Hierfür dient die geänderte Version mit den Serien-Schaltungen von Transistor-Paaren T1, T3 bzw. eines weiteren Transistors T4. In gleicher Weise wie im vorbeschriebenen Fall der Fig. 2 ist die Basiselektrode 6 des Transistors T1 mit dem "Ein"-Stromimpuls-Signal 5 von kurzer Dauer beaufschlagt, wobei während der kurzen Einschalt-Signaldauer TE das Relais anzieht, die Ansprechspannung des Relais überschritten wird und nach der Beendigung des "Ein"-Stromimpulses 5 das Relais in den Haltespannungs-Betrieb übergeht.

Das Relais mit der Spule K1 betätigt den zugehörigen Schalter K1′, der in diesem Beispiel der Fig. 3 den Kanal A bedient. Durch einen "Aus"-Stromimpuls 9 an der Basiselektrode 22 mit Vorwiderstand 23 eines zugehörigen NPN-Transistors T4, dessen Kollektor-Elektrode über den Widerstand R5 mit der Basiselektrode 21 des PNP-Transi­ stors T3 verbunden ist, wird die Leitfähigkeit der Emitter-Kollek­ torstrecke 16 dieses Transistors T3 erhöht, so daß das Relais K1 abfällt.

In dem Beispiel der Fig. 4 ist stellvertretend für eine Mehrzahl von Relais mit Spulen K2 usw. und entsprechend dem zugehörigen Schalter K2′ der Kanal B angeschlossen. Im übrigen ist dieser Schaltungsteil identisch mit demjenigen, der in der linken Hälfte der Fig. 3 eingezeichnet und gleichbestückt ist, wie der linke Schaltungsteil in Fig. 4. Es bedarf wohl keiner besonderen Erläuterung, daß die Schaltung des zweiten Ausführungsbeispiels in der rechten Hälfte der Fig. 4 genau gleich bzw. entsprechend bestückt ist, wie diejenige der linken Hälfte in Fig. 4 und mit Ausnahme des Schaltungszweigs mit dem PNP-Transistor T3 auch mit der Schaltung der Fig. 2.

Da die Ansteuerschaltung mit den Transistoren T1, T2, T3 und dem Widerstandskreis R3′ nur eine geringere Verlustleistung als üblich verbraucht, ist es leicht möglich, mehrere Relaiskreise durch Kurz-Stromimpulse anzuregen und so für eine größere mehrkanalige Einrichtung zu verwenden. Wenn man dann noch betreffende Transistoren T1 und T2 bzw. T3 gleichzeitig mit "Ein"- und "Aus"- Schaltimpulsen beaufschlagt, dann wird der leistungsverbrauchende Teil des Stromkreises kurzgeschlossen und lediglich ein Blindstrom-Kreis aufrechterhalten.

Claims (10)

1. Ansteuerschaltung zum "Ein"- und "Aus"-Schalten mindestens eines monostabilen Relais einer aus einem Kondensator-Netzteil, gegebenenfalls mit einem parallel geschalteten Glättungs- Kondensator, versorgten Steuer- und Regeleinrichtung mit impulsförmigen Steuersignalen dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Serienschaltung (1-) von Relais-Spule (K1) und Serien-Widerstand (R3) mit einer zweiten Serienschaltung (2-) der Kollektor-Emitter-Strecken zweier NPN-Transistoren (T1, T2) parallel geschaltet ist,

• wobei der Knotenpunkt (3) zwischen dem ersten Transistor (T1) und dem zweiten Transistor (T2) mit dem Knotenpunkt der ersten Serienschaltung (1) verbunden ist,

und bei gesperrten Transistoren (T1, T2) der Innenwiderstand (R1) des Kondensator-Netzteils (4), der Relaisspulen-Widerstand (RR) und der Serienwiderstand (R3) so bemessen sind, daß die Bedingung

• JH kleiner/gleich als JR kleiner als JE
• (JR = Relais-Strom, JH = Haltestrom, JE = Ansprechstrom)

erfüllt ist,

• daß ferner durch einen "Ein"-Stromimpuls (5) über die Basis-Elektrode (6) mit Vorwiderstand (7) des zugehörigen ersten Transistors (T1) die Leitfähigkeit der zugehörigen Kollektor-Emitter-Strecke (8) erhöht wird - JR größer als JE -,
  d. h., daß das Relais anzieht,
• und durch einen "Aus"-Stromimpuls (9) an der Basiselektrode (10) mit Vorwiderstand (11) dieses zugehörigen zweiten Transistors (T2) die Leitfähigkeit der zugehörigen Kollektor-Emitter-Strecke (12) erhöht wird - JR kleiner als JH -,
  d. h., daß das Relais abfällt.

2. Ansteuerschaltung zum "Ein"- und "Aus"-Schalten mindestens eines monostabilen Relais einer aus einem Kondensator-Netzteil, gegebenenfalls mit einem parallel geschalteten Glättungskonden­ sator, versorgten Steuer- und Regeleinrichtung mit impulsförmigen Steuersignalen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Serienschaltung (13) von Relais-Spule (K1) und Serien-Widerstand (R3) mit einer zweiten Serienschaltung (14) der zugehörigen Kollektor-Emitter-Strecke (8) eines NPN-Transistors (T1) und der zugehörigen Emitter-Kollektor-Strecke (16) eines PNP-Transistors (T3) und einer dritten Serienschaltung (17-) aus zwei Widerständen (R4) und (R5) und einen NPN-Transistor (T4) parallel geschaltet sind

• wobei der Knotenpunkt (18) zwischen NPN-Transistor (T1) und PNP-Transistor (T3) mit dem Knotenpunkt (19) der ersten Serienschaltung (13) sowie der Knotenpunkt (20) zwischen den Widerständen (R4) und (R5) mit der Basiselektrode (21) des PNP-Transistors (T3) verbunden sind,

und bei gesperrten Transistoren (T1, T3) der Innenwiderstand (R1) des Kondensator-Netzteils (4), der Relaisspulen-Widerstand (RR) und der Serienwiderstand (R3) so bemessen sind, daß die Bedingung

• JH kleiner/gleich als JR kleiner als JE
• (JR = Relais-Strom, JH = Haltestrom, JE = Ansprechstrom)

erfüllt ist,

• das ferner durch einen "Ein"-Stromimpuls (5) über die Basis-Elektrode (6) mit Vorwiderstand (7) des zugehörigen ersten Transistors (T1) die Leitfähigkeit seiner Kollektor-Emitter-Strecke (8) erhöht wird - JR größer als JE -,
  d. h., daß das Relais anzieht,
• und durch einen "Aus"-Stromimpuls (9) an der Basiselektrode (22) mit Vorwiderstand (23) eines zugehörigen NPN-Transistors (T4), dessen Kollektor-Elektrode über den Widerstand (R5) mit der Basiselektrode (21) des PNP-Transistors (T3) verbunden ist, die Leitfähigkeit seiner Emitter- Kollektorstrecke (16) dieses Transistors (T3) erhöht wird - JR kleiner als JH -
  d. h., daß das Relais abfällt.

3. Ansteuerschaltung zum "Ein"- und "Aus"-Schalten mindestens eines monostabilen Relais einer aus einem Kondensator-Netzteil, gegebenenfalls mit einem parallel-geschalteten Glättungs­ kondensator, versorgten Steuer- und Regeleinrichtung mit impulsförmigen Steuersignalen nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dritten Betriebsfall mit "Ein"- (5) und "Aus"- (9) Strom-Impulsen gleichzeitig betreffende Transistoren (T1) und (T2 bzw. T3) beaufschlagt sind.

4. Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom JR durch die Relaisspule (K1) in den statischen "Ein"- und "Aus"-Schaltzuständen, wenn beide Transistoren (T1) und (T2 bzw. T3) der zugehörigen "Ein"- (5) und "Aus"- (9) Strom-Impulse gesperrt sind, gleich groß ist.

5. Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltsignaldauer TE größer oder gleich der Mindest­ ansprechzeit des Relais,
und die Ausschaltsignaldauer größer oder gleich der Mindest­ abfallzeit des Relais bemessen ist.

6. Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R3) durch eine Zener-Diode oder eine Strom­ senke mit Konstant-Strom in Form einer elektronischen Schaltung ersetzt ist.