DE4209747A1 - Strombegrenzungsschaltung, insbesondere für eine induktive Last - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strombegrenzungs­ schaltung für eine Last, insbesondere eine induktive Last, z. B. ein Relais, wobei die Last einerseits mit einer Versorgungsspannung und andererseits über eine Reihen­ schaltung von einem Schaltelement mit einem Steuereingang, z. B. einem Transistor, und einem Widerstand an ein Bezugs­ potential, z. B. Masse, angeschlossen ist und der Steuerein­ gang über eine Zenerdiode mit dem Bezugspotential verbunden ist.

Eine derartige Schaltung ist bekannt. Ferner ist aus der EP-O 252 638 B1 bekannt, den in der Last fließenden Strom zu messen und mit einem Sollstrom zu vergleichen. Aufgrund des Vergleichs wird dann das Schaltelement periodisch vollstän­ dig gesperrt oder vollständig durchgesteuert, um den ge­ wünschten Strom durch die Last einzuregeln.

Bei der aus der EP-O 252 638 B1 bekannten Schaltung ist nachteilig, daß der Strom durch die Last in aufwendiger Weise gemessen werden muß und nur aufgrund des Meßergeb­ nisses das Schaltelement angesteuert werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strombegren­ zungsschaltung anzugeben, bei der in besonders einfacher Weise der gewünschte Strom durch die Last genau eingestellt wird. Die Einstellung des gewünschten Stromes soll insbeson­ dere automatisch und ohne Nachregeln erfolgen und unabhängig von der Größe der Versorgungsspannung sein.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zenerdiode als Re­ ferenzdiode ausgebildet ist.

Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine Strombegren­ zungsschaltung für eine induktive Last.

Gemäß der Figur ist die Spule eines Relais 1 einerseits an eine Versorgungsspannung U und andererseits über einen Transistor 3 und einen Widerstand 4 mit einem Bezugspoten­ tial, hier der Masse M, verbunden. Die Basis 5 des Transi­ stors 3 ist über die Leuchtdiode 6 und die als Referenzdiode ausgebildete Zenerdiode 7 ebenfalls mit dem Bezugspotential M verbunden. Weiterhin ist die Basis 5 über den Optokoppler 8 an eine Steuerspannung von z. B. +5 V angeschlossen.

Wenn der Optokoppler 8 nicht angesteuert wird, wird selbst­ verständlich auch der Transistor 3 nicht angesteuert. In diesem Fall ist der durch das Relais 1 fließende Strom gleich Null. Wenn der Optokoppler 8 angesteuert wird, fällt über den Optokoppler 8, die Diode 6 und die Zenerdiode 7 die Steuerspannung ab.

Der durch das Relais 1 fließende Strom 1 ist im Prinzip durch die über den Transistor 3 abfallende Spannung U_T und die ohmschen Widerstände des Relais 1 und des Widerstands 4 gegeben. Wenn die Versorgungsspannung U vorbekannt und konstant wäre, wäre es auf sehr einfache Weise möglich, den Strom I durch das Relais 1 so einzustellen, daß das Relais 1 einerseits sicher anspricht, andererseits aber die Verlustleistung im Relais 1 minimiert ist. In diesem Fall müßte nämlich lediglich die Größe R des Widerstands 4 entsprechend bemessen und der Transistor 3 voll durchge­ steuert werden.

Die Versorgungsspannung U schwankt jedoch beträchtlich, z. B. zwischen 19,2 V und 30 V. Der Widerstand 4 muß dann selbst­ verständlich so bemessen sein, daß auch bei der minimalen Versorgungsspannung U von 19,2 V das Relais 1 sicher an­ spricht. Aufgrund dieser Dimensionierung fließt bei einer höheren Versorgungsspannung U von z. B. 28 V ein höherer Strom I als nötig. Die im Relais 1 entstehende Verlust­ leistung P steigt dann quadratisch mit dem Strom I an. Aufgrund der Verlustleistung geben sich, insbesondere bei Aneinanderreihung mehrerer Relais, Kühlungsprobleme. Das Minimieren der im Relais 1 anfallenden Verlustleistung P ist die eigentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Transistor 3 nicht einfach durchgeschalten wird, sondern nur soweit an- und damit auch ausgesteuert wird, daß der Strom I fließt, der zum sicheren Ansprechen des Relais 1 benötigt wird. Dies wird durch die Diode 6 in Verbindung mit der Referenzdiode 7 erreicht.

Die an der Basis 5 des Transistors 3 anliegende Spannung ist in diesem Fall durch den Spannungsabfall über die Diode 6 und die Zenerdiode 7 bestimmt. Um die an der Basis 5 des Transistors 3 anliegende Spannung möglichst konstant zu halten, ist die Zenerdiode 7 als Referenzdiode ausgebildet. Eine Referenzdiode ist eine Zenerdiode mit exakt bekannter Zenerspannung, d. h. die Spannung weist nur eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit auf und auch die Serienstreuung einzelner Zenerdioden einer Serie ist sehr gering. Die Zenerspannung U_Z beträgt beispielsweise 1,25 Volt und wird auf 1% genau eingehalten.

Die Durchlaßspannung U_D der Diode 6 ist zwar temperaturab­ hängig, das stört im vorliegenden Fall jedoch nicht. Im Gegenteil, durch die Temperaturabhängigkeit der Durchlaß­ spannung U_D wird die Temperaturabhängigkeit der Durchlaß­ spannung U_T des Transistors 3 zumindest teilweise kompen­ siert. Wenn beispielsweise die Zenerspannung Uz 1,25 V beträgt und die Durchlaßspannungen U_D und U_BE der Diode 6 und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 3 0,7 V, so berechnet sich der durch den Widerstand 4 fließende Strom zu

wobei R der Widerstandswert des Widerstands 4 ist. Wenn der Widerstand 4 beispielsweise einen Wert von R = 160 Ohm auf­ weist, fließt durch den Widerstand 4 und damit auch durch das Relais 1 ein Strom I von 7,8 mA.

Die Zenerspannung U_Z der Referenzdiode 7 und der Widerstands­ wert R des Widerstands 4 dabei selbstverständlich derart ge­ wählt, daß die im Relais 1 auftretende Verlustleistung P minimiert wird und dennoch ein sicheres Ansprechen des Relais 1 auch dann gewährleistet, wenn die Versorgungsspan­ nung U relativ niedrig ist.

Um die Verlustleistung P im Relais 1 noch weiter zu mini­ mieren, ist parallel zum Relais 1 eine Zenerdiode 9 geschal­ tet. Diese Zenerdiode 9 kann auch die Funktion der Freilauf­ diode übernehmen, die sowieso vorhanden sein muß, um Induktionsspannungen abzubauen, die beim Abschalten des Relais 1 entstehen.

Die Durchlaßspannung U₉ der Zenerdiode 9 ist derart gewählt, daß der aufgrund dieser Zenerspannung U₉ durch das Relais 1 fließende Strom 11 die Verlustleistung P im Relais 1 noch weiter minimiert und dennoch das sichere Ansprechen des Relais 1 gewährleistet bleibt. In diesem Fall ist die Verlustleistung P im Relais 1 nämlich nicht nur auf den Wert

P = I² · R₁ (Gl. 2)

reduziert, sondern noch weiter auf den Wert

P = U₉²/R₁ (Gl. 3)

R₁ ist dabei der ohmsche Widerstand der Spule des Relais 1.

Die Differenzverlustleistung wird von der Zenerdiode 9 auf­ genommen.

Vorzugsweise werden mehrere der vorstehend beschriebenen Strombegrenzungsschaltungen parallel angeordnet, wobei die Schaltungen eine gemeinsame Referenzdiode 7 aufweisen. Da­ durch wird erreicht, daß nur eine Referenzdiode 7 benötigt wird. Dies führt wegen des relativ hohen Preises von Refe­ renzdioden zu einer beträchtlichen Kosteneinsparung. Die Entkopplung der einzelnen Strombegrenzungsschaltungen wird dabei durch die Dioden 6 gewährleistet, die jeweils nur an einen Transistor 3 angeschlossen sind.

Vorteilhafterweise wird die Strombegrenzungsschaltung in einer Digital-Ausgabeschaltung für speicherprogrammierbare Steuerungen verwendet, z. B. in einer Digital-Ausgabebau­ gruppe einer modular aufgebauten speicherprogrammierbaren Steuerung. Bei speicherprogrammierbaren Steuerungen müssen nämlich viele Signale ausgegeben werden, so daß viele Relais dicht nebeneinander angeordnet sind, so daß es dringend notwendig ist, die entstehende Verlustleistung zu minimieren.

Abschließend sei noch erwähnt, daß die Leuchtdiode zur An­ zeige des Schaltzustands des Schaltelements 3 selbstver­ ständlich auch im Lastkreis des Transistors 3 angeordnet sein könnte, und zwar sowohl parallel zum Relais 1 als auch in Reihe zum Relais 1. Die Anordnung der Leuchtdiode 6 zwi­ schen Referenzdiode 7 und Basis 5 ist jedoch besonders vor­ teilhaft, da die Leuchtdiode 6 in diesem Fall eine Dreifach­ funktion wahrnimmt, nämlich einerseits die Temperaturkompen­ sation der Durchlaßspannung U_T des Transistors 3, anderer­ seits die Potentialtrennung der einzelnen Strombegrenzungs­ schaltungen und zudem noch die Anzeige des Schaltzustands des Transistors 3. Es wird also eine Diode eingespart.

Claims (5)

1. Strombegrenzungsschaltung für eine Last, insbesondere eine induktive Last, z. B. ein Relais, wobei die Last einer­ seits mit einer Versorgungsspannung und andererseits über eine Reihenschaltung von einem Schaltelement mit einem Steuereingang, z. B. einem Transistor, und einem Widerstand an ein Bezugspotential, z. B. Masse, angeschlossen ist und der Steuereingang über eine Zenerdiode mit dem Bezugspoten­ tial verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zenerdiode (7) als Referenzdio­ de (7) ausgebildet ist.

2. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zenerdiode (7) und dem Steuereingang (5) mindestens eine Diode (6) an­ geordnet ist.

3. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (6) als Leucht­ diode (6) ausgebildet ist.

4. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß paral­ lel zur Last (1) eine Zenerdiode (9) geschaltet ist.

5. Strombegrenzungsschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Digital-Ausgabeschaltung für speicherprogrammierbare Steuerungen verwendet wird.