DE4327665A1 - Elektronisches Relais mit geringer Leistungsaufnahme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Relais, dessen Durchschaltstrom von einem Feldeffekttransistor (FET) ge­ steuert wird.

Generell gesprochen sind Relais Schalter, bei denen mit Hilfe eines Steuerstroms ein Durchschaltstrom, der einem zweiten Stromkreis angehört, ein- oder ausgeschaltet wer­ den kann. Grundsätzlich ergibt sich bei Relais die Forde­ rung, den Steuerstrom aus ökonomischen Gründen so gering wie möglich zu halten. Soll ein Relais beispielsweise netzunabhängig, d. h. mit Hilfe eine Batterie, betrieben werden, so ist die Lebensdauer der Batterie umgekehrt proportional zur Höhe des Steuerstroms, mit dem das Re­ lais betrieben wird.

Um den Steuerstrom und damit die Leistungsaufnahme zu verringern, sind im Stand der Technik elektromechanische Relais bekannt, die zwei stabile Zustände des Durch­ schaltstromkreises aufweisen, nämlich Durchschaltstrom­ kreis "offen" und Durchschaltstromkreis "geschlossen". Bei derartigen "bistabilen" Relais wird nur für den Vor­ gang des Umschaltens von einem Zustand in den anderen, also in der Regel für wenige Millisekunden, Leistung auf­ genommen. Derartige elektromechanische Relais weisen je­ doch den Nachteil auf, daß sie bewegliche und somit ver­ schleißanfällige Bauteile enthalten. Außerdem ändern sich im Lauf der Zeit die Kontakteigenschaften der beweglichen Elektroden durch Abbrand, Korrosion oder Verschmutzung.

Des weiteren sind derartige Relais erschütterungsempfind­ lich.

Viele der Nachteile elektromechanischer Relais können durch die Verwendung elektronischer Relais vermieden wer­ den. Bei einem bekannten Relais der eingangs genannten Art wie es in "Micro Electronics Relais, Designer′s Ma­ nual" 2. Auflage, 1989, Seiten F-15 bei F-20 der Firma International Rectifier beschrieben ist, wird das Gate eines MOSFETs von einem Photovoltaikgenerator (PVG) gesteuert. Die Spannung des PVG ist dabei die Steuerspan­ nung des Relais, und der über Source und Drain des MOS- FETs fließende Strom ist der Durchschaltstrom dieses Re­ lais. Das Licht für die Erzeugung der in dem PVG erzeug­ ten Steuerspannung dieses Relais wird von einer licht­ emittierenden Diode (LED) geliefert. Fließt durch die LED ein Strom, so sendet sie Photonen aus, und es wird über den PVG eine Steuerspannung erzeugt, der bewirkt, daß das Relais durchschaltet. Fließt demgegenüber kein Strom durch die LED, so sendet diese keine Photonen aus, und es wird dementsprechend in dem PVG keine Steuerspannung er­ zeugt, so daß das Relais offen bleibt. Dementsprechend hat dieses bekannte Relais den Nachteil, daß zur Aufrechterhaltung eines Durchlaßstroms ein ständiger Strom durch die LED benötigt wird, was zu einer er­ heblichen Leistungsaufnahme dieses Relais führt.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Relais der ein­ gangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die Leistungs­ aufnahme verringert ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Steu­ erspannung des Feldeffekttransistors die an einem Konden­ sator anliegende Spannung ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Relais wird erreicht, daß der einmal geladene Kondensator sich aufgrund des im Mega - Ohm - Bereich liegenden Widerstands zwischen dem Gafeanschluß und dem Sourceanschluß des Feldeffekttransistors nur sehr langsam entlädt, und das Relais so über lange Zeiträume hinweg, bis sich der Kondensator bis zu einem bestimmten Grad entladen hat, unabhängig von der Steuer­ spannungsquelle durchgeschaltet bleibt. Die dem Konden­ sator parallelgeschaltete Diode bewirkt, daß der Kon­ densator nur "in einer Richtung" aufgeladen werden kann, d. h. eine Seite des Kondensators wird immer nur positiv und die andere Seite des Kondensators immer nur negativ aufgeladen. Bei jedem Versuch, den Kondensator mit umge­ kehrter Polarität auf zuladen, schließt die Diode jede an­ dersherum gepolte Spannungsquelle kurz. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß an den Gatteranschlüssen des Feldeffekttransistors immer entweder eine vorbestimmte Spannung oder keine Spannung anliegt. Im ersten Fall ist der Feldeffekttransistor leitend und das Relais somit durchgeschaltet, und im zweiten Fall ist der Feld­ effekttransistor nicht leitend, und das Relais somit of­ fen.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Relais dem Kondensator eine Diode, vorzugsweise eine Zenerdiode parallel geschaltet. Die ab einer bestimmten Höhe der Sperrspannung leitend werdende Zenerdiode dient zur Begrenzung der am Gate des Feldeffekttransistors an­ liegenden Spannung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Relais sind der Kondensator und die Di­ ode über die zweite Spule eines Transformators, die in Reihe mit einer zweiten Diode geschaltet ist, mit einer Steuerstromquelle verbunden. Dies hat den Vorteil, daß der Kondensator und die Diode von der Steuerstromquelle entkoppelt sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß mögliche Änderungen des inneren Widerstandes der Steuer­ stromquelle sich auf die Funktion des erfindungsgemäßen elektronischen Relais nicht auswirken können. Dadurch wird erreicht, daß das erfindungsgemäße elektronische Re­ lais weitgehend unabhängig von Änderungen äußerer Ein­ flüsse, insbesondere der Temperatur, arbeitet. Die mit der zweiten Spule der Induktivkopplung in Reihe geschal­ tete zweite Diode bewirkt, daß sich der Kondensator nicht über diese zweite Spule entladen kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Relais ist die mit der zweiten Spule des Transformators in Reihe geschaltete zweite Diode eine Zenerdiode. Dies hat den Vorteil, daß der Kondensator auf sehr einfache Weise, nämlich durch Induktion einer Spannungsspitze, die das umgekehrte Vor­ zeichen der induzierten Spannungsspitze trägt, mit der der Kondensator aufgeladen wird, entladen werden kann. Weil die als zweite Diode verwendete Zenerdiode ab einer bestimmten Höhe der Sperrspannung leitend wird, bewirkt ein Spannungsstoß, dessen Höhe groß genug ist, um einen Sperrstrom durch diese Zenerdiode fließen zu lassen, daß sich der Kondensator über die zweite Diode und die zweite Spule entlädt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Relais wird die erste Spule des Transformators von einer Doppelgegentaktend­ stufe betrieben. Derartige Endstufen besitzen die Eigen­ schaft, daß die Richtung des Stromflusses zwischen den Anschlußpunkten des Transformator mittels Steuerung der entsprechenden Transistoren umgekehrt, und der Strom un­ terbrochen werden kann. Auf diese Weise wird das Umpolen der Anschlüsse der ersten Spule der Induktivkopplung ein­ fach und effizient erreicht, ohne daß verschleißende me­ chanische Umpolungseinrichtungen verwendet werden müssen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert, die in den Figuren der Zeich­ nung dargestellt ist. Es zeigt:

Fig. 1 den Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Relais,

Fig. 2 den Schaltplan einer Doppelgegentaktendstufe zum Betreiben der ersten Spule der Induktivkopplung eines erfindungsgemäßen elektronischen Relais.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung einer bevorzug­ ten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Relais ist der positive Pol einer Steuerspannungsquelle an den Anschluß 1 gelegt. Anschluß 1 ist über eine Widerstand R1 mit dem einen Anschluß einer ersten Spule eines Transformators verbunden, und der zweite Anschluß dieser Spule ist mit dem Anschluß 2 verbunden, an dem der negative Pol der Steuerstromquelle anliegt. Der Anschluß 3 der zweiten Spule des Transformators ist mit der Anode einer zweiten Zenerdiode D2 verbunden, und die Kathode dieser Diode D2 ist mit dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors T1 verbunden. Der andere Anschluß 4 der zweiten Spule L2 des Transformators ist mit dem Sourceanschluß des Feld­ effekttransistors T1 verbunden. Zwischen dem Gate- und Sourceanschluß des Feldeffekttransistors T1 sind ein Kon­ densator C1 und eine erste Zenerdiode D1 geschaltet. Die Zenerdiode D1 ist dabei derart gepolt geschaltet, daß ihre Kathode mit der Kathode der zweiten Zenerdiode D2 verbunden ist.

Zum Einschalten des in Fig. 1 dargestellten erfindungsge­ mäßen elektronischen Relais steigt nach Anlegen einer po­ sitiven Spannung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 der durch den Widerstand R1 und die erste Spule L1 der Induk­ tivkopplung fließende Strom aufgrund der Induktivität von L1 langsam an und wird dann durch Unterbrechung des Steu­ erstromkreises plötzlich unterbrochen. Aufgrund der mit dieser Unterbrechung verbundenen plötzlichen Änderung des Stroms wird in der zweiten Spule L2 eine relativ hohe po­ sitive Spannung an den Anschluß 3 bei entsprechender ne­ gativer Spannung an Anschluß 4 induziert. Die an Anschluß 3 anliegende positive Spannung gelangt über die in Durch­ laßrichtung geschaltete zweite Zenerdiode D2 an den Gate­ anschluß des Transistors T1 und lädt die obere Seite des Kondensators C1 positiv auf. Der Kondensator C1 kann sich danach weder über die ihm parallelgeschaltete erste Zenerdiode D1, deren Kathode an seiner nunmehr positiv geladenen oberen Fläche anliegt, entladen, noch kann er sich über die der zweiten Spule L2 des Transformators in Reihe geschalteten zweiten Zenerdiode D2 entladen, deren Kathode nunmehr ebenfalls an seiner nunmehr positiv ge­ ladenen oberen Platte anliegt. Die Spannung des Kondensa­ tors C1 wirkt insofern ausschließlich auf das Gate des Feldeffekttransistors T1 und öffnet dadurch dessen Drain- Source-Stromkreis, wodurch das Relais durchgeschaltet wird. Da sich der Kondensator C1 trotz der erheblichen Sperrstromwiderstände der Zenerdioden und auch aufgrund des Restwiderstandes zwischen Gate-und Sourceanschluß des Feldeffekttransistors nach einer gewissen Zeit entlädt, muß er in regelmäßigen Zeitabständen über entsprechende Impulse über den Transformator nachgeladen werden, was insbesondere in mit Mikroprozessoren gesteuerten Schal­ tungen kein Problem darstellt. Zum Öffnen des Relais wird der Anschluß 1 kurzzeitig an eine negative Spannung ange­ schlossen. Dadurch wird bei Anschluß 3 der zweiten Spule L2 des Transformators eine negative Spannung erzeugt.

Diese Spannung ist hoch genug, um einen Sperrstrom durch die nunmehr in Sperrichtung geschaltete zweite Zenerdiode D2 und durch den Kondensator C1 fließen zu lassen, so daß der Kondensator C1 entladen wird. Dadurch liegt am Gate­ anschluß des Feldeffekttransistors T1 keine Spannung mehr an, und der Stromkreis des über die Source- und Drain-An­ schlüsse fließenden Durchlaßstromes ist unterbrochen. Das Relais ist somit offen.

Die in Fig. 2 dargestellte Doppelgegentaktendstufe dient zum Anlegen von Spannungen unterschiedlichen Vorzeichens an die Anschlüsse 1 und 2 der in Fig. 1 dargestellten Schaltung einer bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen elektronischen Relais. Die Transistoren T1 und T2 sind beispielsweise bipolare npn-Transistoren, und die Transistoren T3 und T4 sind beispielsweise bipolare pnp-Transistoren. Die Kollektoren der Transistoren T1 und T3 sind mit dem Anschluß 1 der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, und die Kollektoren der Transistoren T2 und T4 sind mit dem Anschluß 2 der in Fig. 1 dargestellten Schaltung verbunden. Werden die Transistoren T1 und T4 aufgrund entsprechender Basisströme leitend geschaltet, so fließt ein Strom von dem Anschluß 1 zum Anschluß 2. Werden die Transistoren T2 und T3 aufgrund entsprechender Basisströme leitend geschaltet, so fließt ein Strom von Anschluß 2 nach Anschluß 1. Auf diese Weise wird eine Um­ schaltung der an den Anschlüssen 1 und 2 vorliegenden Po­ larität unter Umgehung eines mechanischen Umschalters er­ reicht.

Claims (5)

1. Elektronisches Relais, dessen Durchschaltstrom von einem Feldeffekttransistor gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung des Feldef­ fekttransistors (T1) die an einem Kondensator (C1) anliegende Spannung ist.

2. Elektronisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (C1) eine Zener­ diode (D1) parallel geschaltet ist.

3. Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C1) und die Diode (D1) über eine zweite Spule (L2) eines Transformators, die in Reihe mit einer zweiten Diode (D2) geschaltet ist, mit einer Steuerstrom­ quelle des Relais verbunden sind.

4. Elektronisches Relais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode (D2) eine Zenerdiode ist.

5. Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule (L1) des Transformators von einer Doppelgegentakt­ endstufe betrieben ist.