DE4410819A1 - Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Relais in einer elektronischen Schaltung, das von einer Steuerschaltung gesteuert wird.

Relais gehören sehr oft zu den großen Stromverbrau­ chern und zugleich zu den großen Wärmeerzeugern. Häu­ fig besteht der Zwang, in elektronischen Schaltungen Strom zu sparen oder die Erzeugung von unnötiger Wär­ me zu vermeiden. Dies wird dadurch realisiert, daß ein sich in einer elektronischen Schaltung befinden­ des Relais mit dem Anzugsstrom erregt wird und an­ schließend dem Relais zum Zwecke des Haltens ein kleinerer Haltestrom geliefert wird. Der Haltestrom kann beispielsweise dem Relais durch einen getakteten Betrieb zur Verfügung gestellt werden, dies ist je­ doch ein kostenaufwendiges Verfahren, das nicht immer angewandt werden kann.

Bekannt ist eine Schaltungsanordnung, bei der in Rei­ he zum Relais eine Parallelschaltung aus einem Kon­ densator und einem Widerstand liegt, wobei die Parallelschaltung an einen Transistor angeschlossen ist, über dessen Basis der Betrieb des Relais gesteu­ ert wird. Der Kondensator dient zum Anziehen des Re­ lais und nach dem Anziehen fließt bei entsprechender Dimensionierung der Haltestrom über den Widerstand. Bei dieser Schaltungsanordnung ist zum Anziehen des Relais ein großer Kondensator, meist ein Elektrolyt­ kondensator erforderlich, der entsprechend dem An­ zugsstrom des Relais dimensioniert werden muß. Da der Kondensator am Relaiskreis liegt, tritt oft der Nach­ teil auf, daß er für eine große Betriebsspannung aus­ gelegt sein muß. Darüber hinaus wird bei dieser Schaltung die die Erregung bestimmende Größe, der Anzugsstrom des Relais nicht nur durch die Relaisspu­ le beeinflußt sondern auch durch die Parallelschal­ tung aus Widerstand und Kondensator.

Aus dem DE-GM 92 16 041 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Relais bekannt, bei der im Steuerstromkreis des Relais ein erster spannungsge­ steuerter Schalter für den Anzugsstrom und ein zwei­ ter Schalter für das Einschalten und den Haltestrom des Relais vorgesehen ist. Der Steuerelektrode des ersten Schalters ist ein Hochpaß vorgeschaltet, wobei der Eingang des Hochpasses und der Steueranschluß des zweiten Schalters an einen gemeinsamen Anschluß der das Relais steuernden Steuerspannung angeschlossen sind. Üblicherweise ist die Steuerspannung relativ niedrig, bei einem Mikroprozessor beispielsweise 5 V. Damit die bekannte Schaltung sinnvoll arbeitet, muß der erste Schalter ein MOS-FET sein. Die zu bildenden Anzugszeiten des Relais hängen von der Differenz der Kondensatorspannung, d. h. der Steuerspannung und der Gate-Source-Schwellenspannung des MOS-FETs ab, die sehr klein ist, so daß die Wahl der Anzugszeiten ein­ geschränkt ist. Darüber hinaus muß die Kapazität des Kondensators groß sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung für den Betrieb eines Relais zu schaf­ fen, bei der mit kostengünstigen Mitteln unter Ver­ wendung eines kleinen Kondensators ein Anzugs- und ein Haltestrom für das Relais geliefert wird, wobei das Anziehen des Relais bei vorher festlegbaren un­ terschiedlichen Anzugszeiten bei der vollen Betriebs­ spannung während des Anzugsvorgangs möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß der Anzugsstrom für das Relais über ei­ nen spannungsgesteuerten Schalter gesteuert wird, wobei die Steuerelektrode mit einem Integrierglied verbunden ist und der Haltestrom des Relais über ei­ nen Widerstand und einen weiteren Schalter fließt, wobei der Steuerausgang der Steuerschaltung mit dem weiteren Schalter zur Steuerung des Anzugs des Relais und des Haltestroms verbunden ist, kann der Kondensa­ tor des Integriergliedes klein gewählt werden, da der spannungsgesteuerte Schalter fast stromlos von dem gesperrten in den leitenden Zustand übergeht. Eine Realisierung langer Anzugszeiten mit kleinem Konden­ sator ist möglich. Da die erfindungsgemäße Schal­ tungsanordnung das Anziehen des Relais bei voller Betriebsspannung erlaubt, wird der Erregungsstrom ausschließlich durch die Relaisspule bestimmt.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß eine Konstantstromquelle verwendet wird, die den Relais­ haltestrom auch bei großen Schwankungen der Betriebs­ spannung in weiten Spannungsbereichen konstant hält.

Durch Verwendung einer Konstantstromquelle, die einen MOS-FET-Transistor am Ausgang eines Operationsver­ stärkers aufweist, ist es möglich, Bauteiltoleranzen fast vollständig zu eliminieren, so daß kein indivi­ dueller Abgleich der Konstantstromquelle nötig ist. Dadurch, daß der Konstantstrom durch das Relais zu­ sätzlich auf zwei Transistoren aufgeteilt wird und nicht nur durch den MOS-FET fließt, kann der MOS-FET so dimensioniert werden, daß er bei maximal vorkom­ mender Drain-Source-Spannung nicht überlastet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines dritten Ausführungsbeispiels mit Konstantstromquelle, und

Fig. 4 die Schaltung gemäß Fig. 3 mit zwei Relais.

In Fig. 1 ist eine Schaltung für die Erregung eines Relais K1 und zum Liefern eines Haltestroms darge­ stellt, die Bestandteil einer elektronischen Schal­ tung ist. Dabei liegt das Relais K1 an der Betriebs­ spannung U und es ist ein Steuereingang S vorgesehen, der den Ausgang einer Steuerschaltung für das Ein- und Ausschalten des Relais K1 darstellt, wobei die Steuerschaltung beispielsweise eine Logikschaltung mit Gattern oder ein Mikroprozessor sein kann.

Der Steuereingang S geht über einen Widerstand R2 an die Basis eines Transistorschalters T2, der als bipo­ larer Transistor oder als MOS-FET ausgebildet sein kann, wobei ein Widerstand R3 zwischen Basis und Mas­ se liegt. Der Kollektor des Transistors T2 ist über einen Widerstand R4 mit dem Relais K1 verbunden und der Emitter ist an Masse angeschlossen. Parallel zum Widerstand R4 liegt die Drain-Source-Strecke eines MOS-FETs T1, dessen Gate-Elektrode mit einem Inte­ grierglied R1, C1 verbunden ist. Der Widerstand R1 des Integriergliedes ist an den Verbindungspunkt zwi­ schen MOS-FET T1 und Transistor T2 angeschlossen.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Schal­ tung wird im folgenden beschrieben. Damit das Relais K1 mit der vollen Betriebsspannung anziehen kann, müssen die Transistoren T1 und T2 beide leitend sein. Der Transistor T2 wird jedesmal leitend, wenn der Steuereingang S ein High-Potential hat. Der MOS-FET T1 wird nur zum Anziehen des Relais K1 unmittelbar nach dem Durchschalten des Transistors T2 leitend.

Damit dies geschieht, muß vorher der Kondensator C1 aufgeladen sein.

Wenn der Transistor T2 gesperrt ist, lädt sich der Kondensator C1 über die Relaisspule, den Haltewider­ stand R4 und den Widerstand R1 auf die volle Be­ triebsspannung U auf. Der MOS-FET T1 bleibt aber ge­ sperrt, weil die Gate-Source-Spannung fast Null ist (die Gate- und source-Elektroden liegen auf dem glei­ chen Potential). Wenn der Transistor T2 leitend wird, sinkt das Potential an der Source-Elektrode des MOS- FETs T1 auf die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors T2 (ca. 0,3 V). Dadurch steigt die Gate-Source-Spannung des MOS-FETs T1 auf die Spannung des Kondensators C1, also fast auf die volle Be­ triebsspannung U. Der MOS-FET T1 hat einen sehr hohen Eingangswiderstand und schaltet daher fast stromlos, abhängig von der am Gate liegenden Spannung vom ge­ sperrten in den leitenden Zustand. Wenn der MOS-FET T1 leitet, fließt der Anzugsstrom des Relais über die Leitung mit der Betriebsspannung U, die Relaisspule, den MOS-FET T1, den Transistor T2 und Masse.

Solange die Kondensatorspannung über der Gate-Source- Schwellenspannung des MOS-FETs T1 liegt, bleibt die­ ser leitend. Gleichzeitig mit dem Schalten des Tran­ sistors T2 aufgrund des am Steuereingang S liegenden Steuersignals fängt der Kondensator C1 an, sich über den Widerstand R1 zu entladen. Wenn die Spannung des Kondensators C1 die Gate-Source-Schwellenspannung unterschreitet, so sperrt der MOS-FET T1. Der Anzugs­ vorgang des Relais K1 ist damit beendet. Solange der Transistor T2 leitend bleibt, fließt über die Relais­ spule, den Haltewiderstand R4 und den Transistor T2 der Haltestrom des Relais und das Relais K1 bleibt angezogen.

Der Kondensator C1 und der Widerstand R1 bilden ein Zeitglied, das die Anzugszeit des Relais K1 bestimmt. Da der MOS-FET T1 ein spannungsgesteuerter Schalter ist, dessen Gate-Source-Strom im Nanoamperebereich liegt, wird die Entladezeit des Kondensators C1 und somit die Anzugszeit des Relais K1 fast ausschließ­ lich durch den Widerstand R1 bestimmt.

Bekanntlich beträgt die Gate-Source-Schwellenspannung von MOS-FETs einige Volt. Da sich der Kondensator C1 auf die volle Betriebsspannung U auf lädt, ist die Differenz der Kondensatorspannung zur Gate-Source- Schwellenspannung groß. Dadurch ist die Zeit zum Ent­ laden des Kondensators von der hohen Spannung bis auf die Gate-Source-Schwellenspannung, d. h. bis zum Span­ nungswert, bei dem der MOS-FET T1 sperrt, sehr groß. Diese Zeit entspricht der Anzugszeit des Relais K1, die dadurch auch groß ist. Zur Realisierung großer Anzugszeiten des Relais können kleine Kapazitäten gewählt werden, was aus Platz- und Preisgründen wün­ schenswert ist.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge­ stellt, bei dem zum Schutz des MOS-FETs T1 eine Z- Diode V1 verwendet wird, die parallel zur Gate- Source-Strecke liegt. Die Spannung der Z-Diode V1 wird im Interesse langer Anzugszeiten des Relais K1 bzw. kleiner Kapazitäten des Kondensators C1 möglichst hoch gewählt, jedoch kleiner als die höchstzulässige Gate-Source-Spannung des MOS-FETs. Gleichzeitig wird zwischen Z-Diode V1 und dem Konden­ sator C1 als Vorwiderstand für die Z-Diode V1 der Widerstand R_L geschaltet. Durch diese beiden Bautei­ le, die primär dem Schutz des MOS-FETs T1 dienen, ergeben sich weitere Vorteile, nämlich eine kürzere Aufladezeit des Kondensators und Bestimmen der An­ zugszeit nur über den Widerstand R_L. Der Widerstand R1 ist fast ausschließlich allein für das Entladen des Kondensators C1 verantwortlich. Er kann nun frei gewählt werden, wodurch eine leichte Anpassung an die erforderlichen Anzugszeiten der Relais K1 möglich ist.

Wenn der Transistor T2 gesperrt ist, d. h. das Relais ausgeschaltet ist, lädt sich der Kondensator C1 über die Leitung mit der Betriebsspannung U, die Relais­ spule, den Haltewiderstand R4, die Schutzdiode V1 und den Widerstand R_L auf. Dieser Vorgang findet jedesmal statt, wenn über den Steuerausgang das Ausschalten des Relais Kl, d. h. das Sperren des Transistors T2 veranlaßt wird. Die Z-Diode V1 wird dabei wie eine normale Diode in Flußrichtung betrieben. Da der Wi­ derstand R_L niederohmig gewählt werden kann, wird die Aufladezeit des Kondensators C1 sehr klein, was den Vorteil der höheren Schaltfrequenz des Relais mit sich bringt, eine Tatsache, die sehr oft erwünscht ist.

Nachdem der Kondensator C1 aufgeladen ist, ist die Schaltung für den nächsten Anzugsvorgang des Relais K1 vorbereitet. Wenn das Steuersignal den Transistor T2 leitend schaltet, sinkt das Potential an der Source-Elektrode des MOS-FETs T1, wodurch dieser lei­ tend wird. Der Anzugsstrom des Relais K1 fließt nun über die Relaisspule, den MOS-FET T1, den Transistor T2 nach Masse. Gleichzeitig mit dem Sinken des Poten­ tials an der Source-Elektrode des MOS-FETs T1 wirkt die Schutzdiode V1 wie eine Zenerdiode und die Kon­ densatorspannung sinkt aufgrund der Niederohmigkeit des Widerstandes R_L (wirkt als Vorwiderstand für V1) sehr schnell auf die Zenerspannung der Schutzdiode V1. Anschließend, ab dieser Spannung, entlädt sich der Kondensator C1 über den Widerstand R1 bis auf die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors T2. Unterschreitet die Kondensatorspannung die Gate- Source-Schwellenspannung des MOS-FETs T1, so sperrt dieser und der Anzugsvorgang des Relais wird beendet. Der Haltestrom fließt dann über die Relaisspule, den Haltewiderstand R4, den Transistor T2 und Masse.

Wird anstelle von T2 ein MOS-FET verwendet, so wird der Steuerausgang S kaum belastet. Somit kann der Steuerausgang S zur Ansteuerung anderer Gatter pro­ blemlos benutzt werden.

Vielfach wird das Halten eines Relais bei großen Schwankungen der Betriebsspannung und in weiten Gren­ zen der Umgebungstemperatur gefordert. Dabei muß das Relais besonders stromsparend betrieben werden, da die Kapazität eines Speicherkondensators, der das Absinken der Versorgungsspannung auffangen könnte, aus Platz- und Kostengründen möglichst gering zu hal­ ten ist.

Hierzu bietet sich die Verwendung einer Konstant­ stromquelle an, da der Relaishaltestrom dann in wei­ ten Spannungsbereichen konstant zu halten ist.

Eine solche Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt, die so gewählt wird, wenn besonders hohe Anforderungen an die Höhe und die Konstanz des Haltestroms gestellt sind. Es wird eine Konstantstromquelle verwendet, die sich aus einem Operationsverstärker N1, einem am Aus­ gang des Operationsverstärkers liegenden MOS-FET T4, einem am positiven Eingang des Operationsverstärkers N1 liegenden Spannungsteiler R7, R8, wobei R8 gegen Masse geschaltet ist und die Referenzspannung vor­ gibt, und einem am negativen Eingang des Operations­ verstärkers N1 gegen Masse liegenden Meßwiderstand R6 zusammensetzt. Der Emitter des Transistors T2 und die Source-Elektrode des MOS-FETs T4 liegen zusammen mit dem Widerstand R6 am negativen Eingang des Opera­ tionsverstärkers N1. Der Kollektor des Transistors T2 ist über den Spannungsteiler R9, R10 mit dem Relais K1 verbunden und zur Aufteilung des Haltestroms ist ein weiterer Transistor T3 vorgesehen, dessen Basis am Verbindungspunkt zwischen dem Spannungsteiler R9, R10, dessen Emitter am Relais K1 und dessen Kollekto­ ren der Drain-Elektrode des MOS-FETs T4 liegt. Der Erregungs- und Haltekreis entspricht denjenigen nach Fig. 2, wobei jedoch der "Haltewiderstand" durch den Spannungsteiler R9, R10 und den Transistoren T3 und T4 gebildet wird. Eine Freilaufdiode ist parallel zum Relais K1 geschaltet.

Wenn der Transistor T2 schaltet, fließt ein Strom über das Relais K1, die Emitter-Basis-Strecke von T3 und R9, wodurch der Transistor T3 schaltet. Der Kon­ stantstrom durch das Relais fließt aufgrund der Schaltungsanordnung nicht ausschließlich durch den MOS-FET T4, sondern ein Teil fließt durch die Emit­ ter-Basis-Strecke des Transistors T3 sowie durch den Transistor T2, wobei dieser Teilstrom so bemessen werden kann, daß der MOS-FET T4 bei der maximal vor­ kommenden Drain-Source-Spannung nicht überlastet wird. Daher kann auf den Einsatz eines Leistungs-MOS- FETs verzichtet werden. Als Stellglied, über das die Spannungsschwankungen ausgeregelt werden, wird in der Schaltung nach Fig. 3 des MOS-FETs T4 verwendet. Er ist deshalb notwendig, weil nach dem Abschalten des Relais durch die Steuerschaltung über die Transisto­ ren T2, T3 der Operationsverstärker im Falle der Ver­ wendung eines bipolaren Transistors anstelle des MOS- FETs T4 weiterhin den Konstantstrom aus der eigenen Stromversorgung treiben würde. Dies hätte zur Folge, daß der operationsverstärker N1 sowie die Spannungs­ quelle V_cc der Widerstand R6 überlastet würden. Die Konstantstromquelle nach Fig. 3 bleibt ständig in Betrieb und wird durch die Transistoren T2, T3 ein- und ausgeschaltet.

In Fig. 4 ist eine Schaltung dargestellt, bei der zwei Relais K1, K2 gesteuert werden und von einer Konstantstromquelle versorgt werden. Die Funktions­ weise entspricht ansonsten derjenigen nach Fig. 3.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung für den Betrieb eines Relais in einer elektronischen Schaltung, das von einer Steuerschaltung gesteuert wird, wobei der An­ zugsstrom für das Relais von einem ersten span­ nungsgesteuerten Schalter gesteuert und der Hal­ testrom über einen zweiten von der Steuerschal­ tung gesteuerten Schalter und einen Haltewider­ stand geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Schalter (T1, T2) eine Reihenschal­ tung bilden und die Steuerelektrode (G) des er­ sten Schalters (T1) mit einem Integrierglied (R1, C1) verbunden ist, das an den Verbindungs­ punkt der zwei Schalter (T1, T2) angeschlossen ist, wobei der Kondensator (C1) des Integrier­ gliedes (R1, C1) sich im ausgeschalteten Zustand der zwei Schalter (T1, T2) über die Relaisspule und den Haltewiderstand (R4) auflädt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C1) sich über den Widerstand (R1) des Integriergliedes und den zweiten Schalter (T2) entlädt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Verbindungs­ punkt der zwei Schalter (T1, T2) und Steuerelek­ trode (G) des ersten Schalters (T1) eine Z-Diode (V1) liegt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Schalter (T1) ein MOS-FET ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kon­ stantstromquelle vorgesehen ist, die den Halte­ strom des Relais (K1) konstant hält.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstant­ stromquelle einen weiteren, im Haltestromkreis des Relais (K1) liegenden spannungsgesteuerten Schalter (T4), einen Operationsverstärker (N1), dessen Ausgang mit der Steuerelektrode des wei­ teren spannungsgesteuerten Schalters (T4) ver­ bunden ist und einen mit dem Eingang des Opera­ tionsverstärkers (N1) und dem spannungsgesteuer­ ten Schalter (T4) verbundenen Meßwiderstand (R6) aufweist, wobei an dem anderen Eingang des Ope­ rationsverstärkers (N1) eine Referenzspannung liegt.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem wei­ teren spannungsgesteuerten Schalter (T4) ein Transistor (T3) in Reihe liegt, der mit dem Re­ lais (K1) verbunden ist und dessen Steuerelek­ trode über einen Spannungsteiler (R9, R10) einer­ seits mit dem Relais (K1) und andererseits mit dem zweiten Schalter (T2) verbunden ist.