DE4006838A1 - Verfahren und anordnung zum schalten eines elektromechanischen relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Schalten eines elektromechanichen Relais durch eine Gleich­ spannung.

Wird ein Relais durch eine Gleichspannung geschaltet, die höher als seine Nennspannung ist, so steigt der Relaisstrom auf unzulässige Werte an. Um ein Relais auch mit einer Gleichspannung schalten zu können, die höher als die Nenn­ spannung ist, ist es bekannt, die Gleichspannung über einen Spannungsregler an das Relais zu schalten, der die Gleich­ spannung auf die Nennspannung des Relais herabsetzt. Bei der relativ hohen Stromaufnahme des Relais weist der Spannungs­ regler eine relativ hohe Verlustleistung auf. Dies führt zu einer starken Erwärmung der Schaltungsanordnung und zu einem schlechten Wirkungsgrad des Relais.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Schalten eines elektromechanischen Relais durch eine Gleichspannung zu schaffen, die auch höher als die Relaisnennspannung sein kann, wobei die Verlustleistung möglichst wenig ansteigen soll und der Wirkungsgrad des Relais sich möglichst wenig verschlechtern soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfah­ ren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patent­ anspruchs 1 bzw. durch eine Anordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruchs 3.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird das Relais nicht ständig an die Gleich­ spannung geschaltet, die höher als die Relaisnennspannung ist, sondern nur periodisch in Impulsen. Nach dem jeweiligen Einschalten der Gleichspannung steigt der Relaisstrom be­ dingt durch Induktivität und Widerstand der Relaisspule exponentiell mit der Zeit an. Je höher die Gleichspannung ist, desto schneller steigt dabei der Relaisstrom an. Er­ reicht der Relaisstrom eine vorgegebene Stärke, so trennt die Steuer- und Regelschaltung die Gleichspannung über den elektronischen Schalter von dem Relais. Nach dem Abschalten der Gleichspannung fließt aufgrund der Induktivität der Relaisspule der Relaisstrom noch über einen parallel zur Relaisspule geschalteten Freilaufzweig mit exponentiell abnehmender Stärke weiter und hält das Relais in der Wirk­ stellung. Die Taktfrequenz, mit welcher die Gleichspannung periodisch angeschaltet wird, ist dabei so gewählt, daß ihre Periode kürzer ist als die Zeitkonstante, mit welcher der Relaisstrom nach dem Abschalten der Gleichspannung abfällt. Dadurch ist sichergestellt, daß die Gleichspannung wieder eingeschaltet wird, bevor der Relaisstrom unter die Halte­ stromstärke absinkt. Durch das Ein- und Ausschalten der Gleichspannung ergibt sich somit ein zeitlich gemittelter Relaisstrom, der nahezu unabhängig von der Höhe der Gleich­ spannung ist und im wesentlichen mit dem der Relaisnennspan­ nung entsprechenden Relaisstrom übereinstimmt.

Durch das getaktete Schalten der Gleichspannung nimmt das Relais auch bei einer Gleichspannung die höher als die Relaisnennspannung ist, im zeitlichen Mittel im wesentlichen nur dieselbe Stromstärke auf, die das Relais bei der Nenn­ spannung aufnimmt. Der Wirkungsgrad des Relais ist daher gegenüber einem Betrieb bei der Relaisnennspannung nicht wesentlich verschlechtert. Die Verlustleistung bleibt gering.

Um die Gleichspannung an die Relaisspule zu schalten, ist ein elektronischer Schalter in Reihe mit der Relaisspule geschaltet und wird durch eine Steuer- und Regelschaltung betätigt. Die Steuer- und Regelschaltung weist einen Oszil­ lator auf, um die Taktfrequenz zu erzeugen. Der Oszillator stößt einen Impulslängenmodulator an, dessen Ausgangsimpulse die Einschaltdauer des elektronischen Schalters bestimmen. Der Impulslängenmodulator ist vorzugsweise eine monostabile Kippstufe, deren Zeitkonstante durch den über den elektro­ nischen Schalter fließenden Relaisstrom bestimmt wird.

Die Versorgungsspannung für die Steuer- und Regelschaltung wird vorzugsweise von der an das Relais angelegten Gleich­ spannung abgeleitet. Hierzu dient ein Spannungsregler, der zweckmäßigerweise aus zwei in Kaskade geschalteten Linear­ spannungsreglern zusammengesetzt ist. Soll das Relais sowohl durch Gleichspannung als auch durch Wechselspannung geschal­ tet werden können, so ist eine Gleichrichterschaltung am Eingang der Anordnung vorgesehen, die eine evtl. angelegte Wechselspannung in die Gleichspannung zum Schalten des Relais umwandelt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in einem Blockschaltbild den prinzipiellen Aufbau der Anordnung und

Fig. 2 den Schaltplan eines Ausführungsbeispiels dieser Anordnung.

Fig. 1 erläutert prinzipiell das Verfahren zum Schalten eines elektromechanischen Relais anhand eines Blockschalt­ bildes.

Eine Wechselspannung oder Gleichspannung im Bereich von 20 bis 265 V wird einer Gleichrichterschaltung 10 zugeführt, die mit einer Entstörung und einer Überspannungs- und Über­ stromschutzschaltung versehen ist. Die durch die Gleichrich­ terschaltung 10 erzeugte Gleichspannung U wird an eine Reihenschaltung aus einem Relais 12, einem elektronischen Schalter 14 und einer Strommeßeinrichtung 16 gelegt. Der elektronische Schalter 14 wird von einer Steuer- und Regel­ schaltung angesteuert, die aus einem Oszillator 18 und einem von diesem angestoßenen Impulslängenmodulator 20 besteht. Die Länge der den elektronischen Schalter 14 ansteuernden Ausgangsimpulse des Impulslängenmodulators 20 werden durch eine Zeitkonstante festgelegt, die durch eine Kapazität C und eine Parallelschaltung eines ohmschen Widerstands R und eines Stromregelgliedes 22 bestimmt ist. Die Strommeßein­ richtung 16 steuert das Stromregelglied 22 und damit die Zeitkonstante des Impulslängenmodulators 20. Die Steuer- und Regelschaltung wird mit einem Versorgungsspannung von z. B. 8,5 V gespeist, die aus der Gleichspannung U über zwei in Reihe hintereinander geschaltete Linearspannungsregler 24 und 26 erzeugt wird. Die Spule des Relais 12 ist durch einen parallel geschalteten Freilaufzweig 28 überbrückt. An der Reihenschaltung aus Relais 12, elektronischem Schalter 14 und Strommeßeinrichtung 16 liegt die Gleichspannung U an. Der Impulslängenmodulator 20 steuert den elektronischen Schalter 14 in dem von dem Oszillator 18 vorgegebenen Takt periodisch auf. Sobald der elektronische Schalter 14 leitend geschaltet ist, steigt der Relaisstrom an, wobei der Anstieg einerseits durch die konstante Induktivität der Spule des Relais 12 und andererseits durch die Höhe der Gleichspannung U bestimmt ist. Der Relaisstrom wird durch die Strommeßein­ richtung 16 gemessen, die über das Stromregelglied 22 die Zeitkonstante des Impulslängenmodulators 20 und damit die Länge der Ausgangsimpulse des Impulslängenmoulators 20 in der Weise bestimmt, daß der elektronische Schalter 14 wieder sperrt, sobald der Relaisstrom eine vorbestimmte Stärke erreicht hat. Sobald der elektronische Schalter 14 sperrt, fließt der Relaisstrom aufgrund der in der Induktivität der Relaisspule gespeicherten Energie über den Freilaufzweig 28 weiter, so daß das Relais 12 angezogen bleibt. Der Relais­ strom, über den Freilaufzweig 28, nimmt entsprechend der Zeitkonstanten aus Spuleninduktivität und -widerstand ab, die größer ist als die Taktperiode des Oszillators 18. Der elektronische Schalter 14 wird somit im Takt des Oszillators 18 periodisch leitend geschaltet. Solange der Relaisstrom beim Aufsteuern des elektronischen Schalters 14 noch ausrei­ chend über dem Haltestrom des Relais 12 liegt, wird die Länge der Ausgangsimpulse des Impulslängenmodulators 20 über die Strommeßeinrichtung 16 so verkürzt daß der elektronische Schalter 14 sofort wieder sperrt. Je stärker der Relaisstrom absinkt und sich dem Haltestrom des Relais 12 nähert, um so länger werden gesteuert durch die Strommeßeinrichtung 16 die Ausgangsimpulse des Impulslängenmodulators 20 und damit die Einschaltdauer des elektronischen Schalters 14. Auf diese Weise wird der Strom durch das Relais 12 mit einer Wellig­ keit, die durch das Verhältnis der Periodendauer der Takt­ frequenz und der Zeitkonstanten der Relaisspule bestimmt ist, auf einer Stärke gehalten, die im zeitlichen Mittel der der Relaisnennspannung zugeordneten Relaisstromstärke ent­ spricht.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 im Detail eine Schal­ tungsanordnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung erläu­ tert. Zum Schalten des Relais 12 wird an die Anschlüsse A1 und A2 eine Gleichspannung oder Wechselspannung im Bereich von 20 bis 265 V angelegt. Über eine Graetz-Brückenschaltung aus den Dioden D1 bis D4 wird eine evtl. Wechselspannung gleichgerichtet. Ein in Reihe geschalteter Kaltleiter R1 begrenzt die Stromaufnahme der Anordnung auf max. 60 mA. Die Gleichrichter-Brückenschaltung D1-D4 wird durch einen paral­ lel geschalteten Varistor R2 überbrückt, der die gesamte Anordnung vor Überspannung schützt. Der Kaltleiter R1 be­ grenzt bei einer Überspannung auch den Strom durch den Varistor R2. Hinter der Gleichrichter-Brückenschaltung ist ein Kondensator C1 zur Entstörung vorgesehen.

Aus der durch die Gleichrichter-Brückenschaltung D1-D4 erzeugten Gleichspannung U wird die Versorgungsspannung von +8,5 V für die später beschriebene Steuer- und Regelschal­ tung 18, 20 durch zwei in Kaskade hintereinander geschaltete Linearspannungsregler 24 und 26 erzeugt. Weil ein Linear­ spannungsregler bei großer Differenz von Eingangs- und Ausgangsspannung einen schlechten Wirkungsgrad hat, muß die Stromaufnahme möglichst niedrig sein, um die Verlustleistung der gesamten Anordnung niedrig zu halten. Damit die Schal­ tungsanordnung bis zu einer Eingangswechselspannung von 265 V (Scheitelwert 375 V) verwendbar ist, sollte die Spannungs­ festigkeit der Reglertransistoren mindestens 400 V betragen. Durch die Hintereinanderschaltung der zwei Linearspannungs­ regler 24 und 26 können kostengünstige Hochvolttransistoren verwendet werden und eine günstige Verteilung der Verlust­ leistung wird erreicht.

Der erste Linearspannungsregler 24 weist Regeltransistoren T1 und T2 sowie eine Zener-Diode D7 auf. Dieser Linearspan­ nungsregler ist nur für Spannungen über 180 V wirksam. Der Transistor T1 liefert den Basisstrom für den Transistor T2, wodurch hochohmige Basiswiderstände R4 und R5 verwendet werden können. Dadurch wird die Verlustleistung der Zener- Diode D7 bei hohen Spannungen niedrig gehalten. Der zweite Linearspannungsregler 26 weist einen Regeltransistor T3 und eine Zener-Diode D8 auf und stabilisiert die Spannung weiter auf den Wert von 8,5 V herunter. Der Transistor T1 übernimmt auch den Strom durch die Zener-Diode D8 und den Basisstrom des Transitors T3, so daß dieser nicht zusätzlich zum Last­ strom über den Transistor T2 fließen muß, was eine große Verlustleistung zur Folge hätte.

Um sperrige Hochvoltkondensatoren zu vermeiden, ist hinter der Gleichrichterschaltung 10 (Dioden D1-D4) keine Siebung vorgesehen. Deshalb kann beim Betrieb mit kleinen Wechsel­ spannungen die Spannung am Gleichrichter für einige Millise­ kunden kleiner als die zu stabilisierende Spannung am Aus­ gang des Linearspannungsreglers 26 werden. In diesem Zeit­ raum liefert ein Kondensator C2 den erforderlichen Strom für die nachfolgend beschriebene Steuer- und Regelschaltung. Die verbleibende Restwelligkeit beträgt bei einem Laststrom von 1,2 mA weniger als 0,5 V.

Die Linearspannungsregler 24 und 26 werden hinter der Gleichrichterschaltung 10 zusätzlich durch Zener-Dioden D5 und D6 sowie einen Widerstand R3 geschützt, die in Reihe zu der Zener-Diode D7 geschaltet sind. Die Reihenschaltung der Zener-Dioden D5 bis D7 begrenzt die Spannung U auf ca. 430 V. Bei Überspannung wird der Strom durch die Zener-Dioden D5-D7 durch den Widerstand R3 begrenzt.

Die Gleichspannung U hinter der Gleichrichterschaltung 10 wird an eine Reihenschaltung aus der Spule des Relais 12, einem als elektronischer Schalter wirkenden Schaltransistor T5 und einem Meßwiderstand R13 gelegt. Der Schalttransistor T5 schaltet die gleichgerichtete Spannung U periodisch mit der Taktfrequenz des Oszillators 18 ein. Während der Ein­ schaltphase des Schalttransistors T5 steigt der Strom durch das Relais 12 zeitlich an. In der Ausschaltphase des Schalt­ transistors T5 bleibt der Stromfluß durch das Relais 12 aufgrund der Eigeninduktivität der Relaisspule erhalten und fließt über einen Freilaufzweig 28, der parallel zu dem Relais 12 und einem in Reihe zu dem Relais 12 geschalteten Widerstand R11 geschaltet ist. Der Freilaufzweig 28 besteht aus einer Reihenschaltung von zwei Dioden D11 und D12 sowie einer Leuchtdiode D13. Die Dioden D11, D12 und die Leucht­ diode D13 sind so gepolt, daß sie für die Spannung U sper­ ren. Der zeitliche Abfall des Relaisstroms nach dem Aus­ schalten des Schalttransistors T5 wird durch die in der Relaisspule gespeicherte Energie und die Serienschaltung aus Spulenwiderstand und Widerstand R11 bestimmt.

Der während der Ausschaltphase des Schalttransistors T5 über den Freilaufzweig 28 fließende Relaisstrom betreibt die Leuchtdiode D13, die anzeigt, daß das Relais 12 in seiner Wirkstellung ist.

Der Oszillator 18 besteht aus einer astabilen Kippschaltung mit den integrierten Schaltelementen IC1A, IC1B, dem Konden­ sator C3 und dem Widerstand R8. Der Oszillator 18 erzeugt ein symmetrisches Rechteck-Taktsignal mit einer Frequenz von ca. 18 kHz. Dieses Rechtecksignal wird über einen Kondensa­ tor C4 und einen Widerstand R9 differenziert. Der bei der Differenzierung durch die abfallende Flanke des Rechteck­ signals erzeugte negative Nadelimpuls stößt den Impulslän­ genmodulator 20 an. Der Impulslängenmodulator 20 besteht aus einer monostabilen Kippstufe, die durch die integrierten Schaltelemente IC1C, IC1D, IC1F, die Widerstände R9 und R10 sowie den Kondensator C6 gebildet ist. Dioden D9 und D10 bewirken, daß nur die negativen Nadelimpulse des differen­ zierten Rechtecksignals den Impulslängenmodulator 20 trig­ gern.

Zu dem Widerstand R10, der zusammen mit dem Kondensator C6 die Zeitkonstante der monostabilen Kippstufe und damit die Pulslänge des Impulslängenmodulators 20 bestimmt, ist paral­ lel als Stromregelglied 22 ein Stromregeltransistor T4 geschaltet. Durch Steuerung des Stromes durch den Stromre­ geltransistor T4 wird der Entladewiderstand für den Konden­ sator C6 geändert, wodurch die Impulslänge der Ausgangsim­ pulse des Impulslängenmodulators 20 bestimmt werden kann. Diese Ausgangsimpulse des Impulslängenmodulators 20 schalten den Schalttransistor T5 leitend.

In der Einschaltphase des Schalttransistors T5 fließt der Relaisstrom des Relais 12 durch den Meßwiderstand R 13. Die am Meßwiderstand R13 abfallende, dem Relaistrom proportio­ nale Spannung liegt an der Basis des Stromregeltransistors T4 an und steuert somit die Impulslänge der Einschaltimpulse des Schalttransistors T5. Ein aus einem Widerstand R12 und einem Kondensator C7 gebildeter Tiefpaß unterdrückt dabei beim Schalten des Schaltransistors T5 evtl. auftretende Schaltimpulse, die zu einer fehlerhaften Regelung führen können.

Eine zu dem Meßwiderstand R13 parallel liegende Reihenschal­ tung aus einem Heißleiter R14 und einem Widerstand R15 kompensiert die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter­ schwellspannung des Stromregeltransistors T4.

Wird der Schalttransistor T5 durch den Ausgangsimpuls des Impulslängenmodulators 20 eingeschaltet, so steigt der Relaisstrom zunächst exponentiell an. Solange dabei die über den Meßwiderstand R13 abfallende Basis-Emitterspannung des Stromregeltransistors T4 kleiner als etwa 0,4 V ist, fließt durch den Stromregeltransistor T4 kein Kollektorstrom. Die Ausgangsimpulse des Impulslängenmodulators 20 haben daher die volle Länge, die durch die Zeitkonstante R10, C6 be­ stimmt ist. Nach einer von der Höhe der Gleichspannung U abhängigen Zeitspanne ist der Relaisstrom so stark angestie­ gen, daß die über den Meßwiderstand R13 abfallende Basis- Emitterspannung des Stromregeltransistors T4 den Schwellwert von 0,4 V überschreitet. Es fließt dann über den Stromregel­ transistor T4 ein Kollektorstrom, der von der Spannung am Meßwiderstand R13 und damit von dem Relaisstrom abhängt. Der Kollektorstrom des Stromregeltransistors T4 bewirkt eine zusätzliche beschleunigte Entladung des Kondensators C6 und somit eine Verkleinerung der Impulslänge des Impulslängenmo­ dulators 20. Je höher der Relaisstrom ist, umso kürzer werden die Ausgangsimpulse des Impulslängenmodulators 20 und damit die Einschaltdauer des Schalttransistors T5. Der mit der Taktfrequenz des Oszillators 18 periodisch eingeschalte­ te Schaltransistor T5 bewirkt somit eine Regelung des Re­ laistroms auf einen zeitlichen Mittelwert, der nahezu unab­ hängig von der Gleichspannung U über dem Haltestrom liegt und im wesentlichen dem Wert beim Betrieb mit der Relais­ nennspannung entspricht.

Claims (14)

1. Verfahren zum Schalten eines elektromechanischen Relais durch eine Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung in periodischen Impulsen an das Relais geschaltet wird, wobei die Länge der Impulse in Abhängigkeit des Relaisstromes so moduliert wird, daß der Relaisstrom nicht über einen vorgegebenen Wert ansteigt, und daß in den Impulspausen der Relaisstrom mit einer Zeitkonstanten abfällt, die größer ist als die Periode des Impulstaktes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung über einen in Reihe mit der Relais­ spule angeordneten elektronischen Schalter geschaltet wird, daß der elektronische Schalter in dem vorgegebenen Impulstakt leitend geschaltet wird, daß der über den elektronischen Schalter fließende Relaisstrom gemessen wird, daß der elektronische Schalter sperrend geschaltet wird, sobald der gemessene Relaisstrom einen vorgebenen Wert überschreitet, und daß bei sperrendem elektroni­ schem Schalter der Relaisstrom über einen zur Relaisspu­ le parallelen Freilaufzweig geleitet wird.

3. Anordnung zum Schalten eines elektromechanischen Relais durch eine Gleichspannung, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung der Spule des Relais (12) und eines elektronischen Schalters (14), an der die Gleichspannung (U) anliegt, durch eine Steuer- und Regelschaltung, die den elektronischen Schalter (14) in einem vorgegebenen Takt leitend schaltet und eine Strommeßeinrichtung (16) zum Messen des über den elektronischen Schalter (14) fließenden Relaistromes sowie eine Einrichtung zum Modulieren der Einschaltdauer des elektronischen Schal­ ters (14) in Abhängigkeit von dem gemessenen Relaisstrom aufweist, und durch einen zu der Spule des Relais (12) parallel liegenden Freilaufzweig (28).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelschaltung einen Oszillator (18) und einen diesem nachgeschalteten Impulslängenmodulator (20) aufweist, wobei die Ausgangsimpulse des Impulslängenmo­ dulators (20) den elektronischen Schalter (14) steuern und die Strommeßeinrichtung (16) den Impulslängenmodula­ tor (20) steuert.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulslängenmodulator (20) eine monostabile Kippstu­ fe aufweist, die durch den Oszillator (18) angestoßen wird und deren Zeitkonstante durch die Strommeßeinrich­ tung (16) steuerbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtung (16) ein Stromregelglied (22) steuert, über das ein Teil des die Zeitkonstante der monostabilen Kippstufe bestimmenden Entladestroms fließt.

7. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtung (16) einen in Reihe zu dem elektronischen Schalter (14) liegenden von dem Relaisstrom durchflossenen ohmschen Meßwiderstand (R13) aufweist.

8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (14) ein Schalttransistor (T5) ist.

9. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (18) ein Rechteckimpulsoszillator ist, dessen differenzierte Ausgangssignale den Impulslängen­ modulator (20) steuern.

10. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilaufzweig (28) wenigstens eine Freilaufdiode (D11, D12) aufweist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilaufzweig (28) eine zu der wenigstens einen Freilaufdiode (D11, D12) in Reihe geschaltete gleichge­ polte Leuchtdiode (D13) aufweist.

12. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung (U) über einen Spannungsregler die Versorgungsspannung für die Steuer-Regelschaltung liefert.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler zwei hintereinander geschaltete Linearspannungsregler (24, 26) aufweist.

14. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb mit Gleich- oder Wechselspannung eine Gleichrichterschaltung (10) am Eingang der Anordnung vorgesehen ist, deren Ausgangsan­ schlüsse die Gleichspannung (U) liefern.