EP0190717B1 - Schaltungsanordnung für ein monostabiles Schaltverhalten aufweisendes bistabiles Relais - Google Patents
Schaltungsanordnung für ein monostabiles Schaltverhalten aufweisendes bistabiles Relais Download PDFInfo
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- EP0190717B1 EP0190717B1 EP19860101416 EP86101416A EP0190717B1 EP 0190717 B1 EP0190717 B1 EP 0190717B1 EP 19860101416 EP19860101416 EP 19860101416 EP 86101416 A EP86101416 A EP 86101416A EP 0190717 B1 EP0190717 B1 EP 0190717B1
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
- H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
- H01H47/226—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil for bistable relays
Definitions
- the invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1.
- Such a circuit arrangement is known from DE-A-3 119 515.
- a capacitor is provided in series with the relay as a differentiating circuit.
- This series connection of capacitor and relay is located between two oppositely controlled operational amplifiers, so that the voltage applied to this series connection can be reversed by changing the control.
- the differentiating capacitor also serves as a polarity reversal capacitor in series with the relay, because it discharges through the relay to switch it off.
- this series circuit does not operate with respect to a fixed reference potential, but lies between alternating potentials.
- a relay that does not work against a fixed reference potential is sensitive to interference from electrical interference, and troubleshooting is correspondingly more difficult in the event of malfunctions.
- US-A-4,271,450 also discloses a generic circuit arrangement with a series connection between the polarity reversal capacitor and the relay.
- the object of the invention is to design a circuit arrangement of the generic type in such a way that uncritical control and operating conditions lead to a more reliable operation of the relay.
- the aim is to ensure that the relay is switched back from a possibly just given working position to the rest position even if for some reason the power supply that is supplied by a supply circuit should fail.
- the relay is placed in a parallel branch of a bridge circuit, and its polarity reversal capacitor, to ensure the switch-off process, works independently of the differentiation stage for switching on the relay.
- the polarity reversal capacitor is charged, which is discharged by a switch-off control signal - or if the supply voltage ceases - against the switch-on current direction via the relay.
- the relay is inevitably electrically reset to its shutdown or rest position.
- the circuit arrangement enables the control of a bistable or so-called remanence relay by means of pulses of alternating polarity, which can have different energy contents.
- the pulse durations for switching on and switching off the relay can be optimized independently of one another depending on their operating parameters.
- a circuit arrangement according to the invention from discrete components with bipolar transistors as the electrically controllable switches. Because only a few components are required for the function of the control circuit, and these can be operated from the same supply circuit as the relay and its actual control signal generator, to which the control circuit can be electrically connected directly.
- the capacitor discharge for resetting the relay can take place via a switching transistor, which is self-conducting when the supply voltage fails and thus also ensures the transition to the rest position of the relay.
- a DC voltage supply circuit 8 becomes a bistable one, namely with magneti rule and / or mechanical devices for maintaining an electrically initiated switching position equipped, relay 9 operated via a control circuit 10 from a control signal generator 11 1 such that it shows monostable working behavior, i.e. from the working or switch-on position when a switch-on control signal 7 (or even the voltage of the supply circuit 8), despite its internally bistable function, switches back to the shutdown or rest position.
- control circuit 10 shown in the drawing as a preferred implementation example is as follows:
- the control signal generator 11 supplies, as switch-on information, a control signal 7 which (in the example shown) has H potential and thus switches through a switch 13 designed as a transistor and responsive to polarity to a differentiating stage 14.
- a control signal 7 which (in the example shown) has H potential and thus switches through a switch 13 designed as a transistor and responsive to polarity to a differentiating stage 14.
- the differential stage 14 is separated from the L potential via a transistor switch 15 which is in series with the aforementioned transistor but is complementary.
- the differentiating stage 14 (built up, for example, from the series circuit of a resistor 16 with a capacitor 17) supplies a decaying switch-on pulse 18 to an inverting amplifier 19 for switching through a power switch 20, which is in series with the relay 9 on the supply circuit 8 Circuit realization shown, the amplifier 19 is a transistor which interacts with the base of the transistor switch 20 via a series resistor 21 in the manner of a Darlington circuit.
- the capacitor 17 is further discharged via a resistor 22.
- the level can also be predetermined by influencing the operating point. under which the switch 20 opens again when the switch-on pulse 18 decays; thus the differentiating time constant of the RC stage 14 determines the length of the switch-on current pulse 23 triggered by the switch 20 for the control of the relay 9.
- the capacitor 12 is not yet charged as long as practically the same potential is present at both connections because both Switches 13/20 are (still) switched through.
- the switch-on (H) control signal 7 disappears in the control signal 7, i.e. in the example shown it assumes L potential (either because switch-off information is supplied from the control signal generator 11 or because the power supply from the supply circuit 8 fails) and therefore the relay 9 should switch back to the operationally safe shutdown position), the switch 13 is opened (high-resistance) and instead the complementary switch 15 is switched through.
- the polarity reversal capacitor 12, previously charged to its functional state, is connected in parallel to it while maintaining its direct connection to the relay 9, as a result of which the capacitor 12 discharges through polarity reversal of the current flow direction effective in the relay 9, i.e. the relay 9 into its bistable rest - or switches off the switch-off position.
- the relay 9 is always transferred to the switch-off position despite the internally bistable mode of operation, that is to say that Mode of operation of the relay 9 as a whole (namely, taking into account the mode of operation of the control circuit 10) is a monostable mode of operation with the switch-off switch position as the idle preferred switch position.
- the circuit arrangement enables the control of a bistable or remanence relay by pulses of alternating polarity, which can have different energy content, so that the pulse durations for switching on and for switching off can be optimized independently of one another depending on the given relay 9 are taken into account, as in the drawing by the control symbols for the threshold resistor 22, the capacitor 12 and the differentiating stage 14.
- the circuit arrangement has only a minimal current consumption, namely due to the leakage currents of the circuit components, which can, however, be kept very low due to the simple implementation in discrete circuit technology.
- a power relay can be operated reliably from a supply voltage in the order of magnitude of only 5 volts DC, without the automatic switch back to the rest position of the relay in the event of a supply voltage failure being called into question.
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- Relay Circuits (AREA)
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-A-3 119 515 bekannt. Dort ist als Differenzierschaltung ein Kondensator in Serie mit dem Relais vorgesehen. Diese Serienschaltung aus Kondensator und Relais liegt zwischen zwei gegensinnig angesteuerten Operationsverstärkern, so daß über einen Ansteuerungs-Wechsel die an dieser Serienschaltung liegende Spannung umgepolt werden kann. Das bedeutet, daß der Differenzierkondensator zugleich auch als Umpolungskondensator in Serie mit dem Relais dient, denn er entlädt sich über das Relais, um dieses abzuschalten. Schaltungstechnisch nachteilig ist, daß diese Serienschaltung nicht gegenüber einem festen Bezugspotential arbeitet, sondern zwischen alternierenden Potentialen liegt. Ein nicht gegen festes Bezugspotential arbeitendes Relais ist aber empfindlich gegen elektrische Störeinstreuungen, und bei Fehlfunktionen ist die Fehlersuche entsprechend erschwert.
- Aus der gattungsähnlichen EP-A-0 083 996 ist eine Schaltungsanordnung mit einer Differenzierstufe für die Ansteuerung eines monostabile Schaltcharakteristik aufweisenden bistabilen Relais bekannt, das ebenfalls in Arbeitsstellung in Serie mit einem Umpolungs-Kondensator liegt, der zum Abschalten über das Relais entladbar ist, so daß in der Schaltungspraxis etwa gleiche Probleme auftreten, wie oben geschildert.
- Die US-A-4 271 450 offenbart ebenfalls eine gattungsähnliche Schaltungsanordnung mit Serienschaltung zwischen Umpolungs-Kondensator und Relais.
- In Erkenntnis der eingangs geschilderten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung gattungsgemäßer Art derart auszubilden, daß unkritische Ansteuerungs-und Betriebsverhältnisse zu einer sichereren Arbeitsweise des Relais führen. Dabei ist insbesondere aus Sicherheitsaspekten angestrebt, daß die Rückschaltung des Relais aus einer möglicherweise gerade gegebenen Arbeitsstellung in die Ruhestellung auch dann sichergestellt ist, wenn aus irgendeinem Grunde die Leistungsversorgung, die von einer Versorgungsschaltung geliefert wird, einmal ausfallen sollte.
- Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.
- Nach dieser Lösung ist das Relais in einen Parallelzweig einer Brückenschaltung gelegt, und sein Umpolungs-Kondensator, für die Sicherstellung des Abschaltvorganges, arbeitet unabhängig von der Differenzierstufe für das Einschalten des Relais. So wird bei in die Arbeitsstellung geschaltetem Relais der Umpolungs-Kondensator aufgeladen, der von einem Abschalt-Steuersignal - oder aber bei Fortfall der Versorgungsspannung - entgegen seiner Einschalt-Stromrichtung über das Relais wieder entladen wird. Dadurch wird also das Relais zwangsläufig elektrisch in seine Abschalt- oder Ruhestellung zurückgesetzt.
- Durch die getrennten Funktionen ist es ohne weiteres schaltungstechnisch realisierbar, den in der Brücken-Diagonalen liegenden Umpolungs-Kondensator erst dann aufzuladen, wenn die Belastung der Versorgungsschaltung durch das Setzen des Relais in seiner Arbeitsstellung abgeklungen ist; wenn also das Relais aufgrund seiner magnetischmechanischen Konstruktion seine einmal erreichte Einschalt-Stellung stabil beibehält, bis es durch elektrisch gegenpolige Ansteuerung aus dem Umpolungs-Kondensator wieder stabil abgeschaltet wird.
- Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Lösung auch von praktischem Vorteil, daß die Schaltungsanordnung die Ansteuerung eines bistabilen oder sogenannten Remanenz-Relais durch Impulse wechselnder Polarität ermöglicht, die unterschiedliche Energieinhalte aufweisen können. So sind die lmpulsdauern einerseits für das Einschalten und andererseits für das Abschalten des Relais je nach dessen Betriebs-Kennwerten unabhängig voneinander optimierbar.
- Besonders zweckmässig ist es, eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung aus diskreten Bauelementen mit bipolaren Transistoren als den elektrisch ansteuerbaren Schaltern zu realisieren. Denn für die Funktion der Ansteuerschaltung sind dann nur wenige Bauelemente erforderlich, und diese können aus der gleichen Versorgungsschaltung betrieben werden, wie das Relais und dessen eigentlicher Steuersignalgeber, dem die Ansteuerungsschaltung unmittelbar elektrisch nachgeschaltet werden kann. Die Kondensator-Entladung zum Rücksetzen des Relais kann über einen Schalt-Transistor erfolgen, der bei Ausfall der Versorgungsspannung selbstleitend ist und so auch dann den Übergang in die Ruhestellung des Relais sicherstellt.
- Damit erübrigt es sich, auf eine kostspieligere Realisierung in integrierter Schaltungstechnik zurückzugreifen und die dafür erforderlichen, von der Betriebsspannung des Relais in aller Regel abweichenden Betriebsspannungen gesondert zur Verfügung zu stellen sowie zusätzliche Anpaßschaltungen zwischen einer integrierten Ansteuerschaltung und dem Steuersignalgeber einerseits sowie dem Relais andererseits vorzusehen. Außerdem ist der Ruhestrombedarf einer aus diskreten Bauelementen optimiert aufgebauten Ansteuerungsschaltung der hier erforderlichen Art deutlich niedriger als im Falle der Realisierung mit integrierten Bausteinen, zumal wenn man berücksichtigt, daß diese wie erwähnt einer eigenen Versorgung zur Bereitstellung angepaßter Betriebsspannungen bedürfen.
- Zusätzliche.Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche als Blockschaltbild dargestellten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemässen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine aus diskreten Bauelementen aufgebaute erfindungsgemässe Ansteuerungsschaltung.
- Aus einer Gleichspannungs-Versorgungsschaltung 8 wird ein bistabiles, nämlich mit magnetischen und/oder mechanischen Einrichtungen zur Aufrechterhaltung einer elektrisch initiierten Schaltstellung ausgestattetes, Relais 9 über eine Ansteuerungsschaltung 10 aus einem Steuersignalgeber 11 1 derart betrieben, daß es monostabiles Arbeitsverhalten zeigt, also aus der Arbeits- oder Einschaltstellung bei Fortfall eines Einschalt-Steuersignals 7 (oder gar der Spannung der Versorgungsschaltung 8) trotz seiner intern bistabilen Funktion in die Abschalt- oder Ruhestellung zurückschaltet.
- Dafür ist vorgesehen, während des Anstehens der Einschaltstellung des Relais 9 über dieses einen damit über eine Brücken-Diagonale in Serie liegenden Umpolungs-Kondensator 12 aufzuladen, der bei Beendigung des Einschalt-Steuersignals 7 dem Relais 9 parallelgeschaltet wird, sich also unter Umkehrung der am Relais 9 anstehenden Polaritäten über dieses entlädt und damit das Relais 9 zwangsläufig in die monostabil-stationäre Abschalt- oder Ruhestellung zurückschaltet.
- Im einzelnen ist die Arbeitsweise der in der Zeichnung als bevorzugtes Realisierungsbeispiel dargestellten Ansteuerungsschaltung 10 die folgende:
- Der Steuersignalgeber 11 liefert als Einschalt-Information ein Steuersignal 7, das (im dargestellten Beispielsfalle) H-Potential aufweist und damit einen als Transistor ausgebildeten, polaritätsabhängig ansprechenden Schalter 13 zu einer Differenzierstufe 14 durchschaltet. Gleichzeitig wird über einen mit dem vorerwähnten Transistor in Serie liegenden, aber komplementären Transistor-Schalter 15 die Differenzstufe 14 vom L-Potential getrennt.
- Die (beispielsweise aus der Serienschaltung eines Widerstandes 16 mit einem Kondensator 17 aufgebaute) Differenzierstufe 14 liefert einen abklingenden Einschaltimpuls 18 an einen invertierenden Verstärker 19 zum Durchschalten eines, mit dem Relais 9 an der Versorgungsschaltung 8 in Serie liegenden, Leistungs-Schalters 20. In der dargestellten Schaltungsrealisierung ist der Verstärker 19 ein Transistor, der mit der Basis des Transistor-Schalters 20 über einen Vorwiderstand 21 nach Art einer Darlington-Schaltung zusammenwirkt.
- Bei abgeschaltetem Transistor-Verstärker 19 erfolgt die weitere Entladung des Kondensators 17 über einen Widerstand 22. Mittels dieses Widerstandes 22 am Eingang des Verstärkers 19, also im dargestellten einfachsten Beispielsfalle an der Basis eines Transistors, ist ferner über die Arbeitspunkt-Beeinflussung der Pegel vorgebbar, unter dem bei abklingendem Einschaltimpuls 18 der Schalter 20 wieder öffnet; somit bestimmt die Differenzier-Zeitkonstante der RC-Stufe 14 die Länge des über den Schalter 20 ausgelösten Einschalt-Stromimpulses 23 für die Ansteuerung des Relais 9. Der Kondensator 12 erfährt noch keine Aufladung, solange an seinen beiden Anschlüssen praktisch gleiches Potential ansteht, weil beide Schalter 13/20 (noch) durchgeschaltet sind. Wenn dann aber der Stromimpuls 23 beendet ist, weil der Schalter 20 wieder öffnet, während wegen noch anstehenden Einschalt-Steuersignals 7 der Schalter 13 noch geschlossen (auf Durchgang geschaltet) ist, wird der Kondensator 12 über den Schalter 13, einen damit in Serie liegenden Schutzwiderstand 24 zur Begrenzung des Einschaltstromes und das Relais 9 auf die von der Versorgungsschaltung 8 gelieferte Potentialdifferenz aufgeladen. Da sich dabei die Stromfluß-Polarität über das Relais 9 nicht ändert, erfährt die zuvor vom Stromimpuls 23 hervorgerufene und nun konstruktiv-bistabil beibehaltene Einschaltstellung des Relais 9 keine Änderung.
- Wenn allerdings beim Steuersignal 7 das Einschalt-(H-) Steuersignal 7 verschwindet, im dargestellten Beispielsfalle also L-Potential annimmt (sei es, weil aus dem Steuersignalgeber 11 eine Abschaltinformation geliefert wird; oder sei es, weil die Leistungszufuhr aus der Versorgungsschaltung 8 ausfällt und deshalb das Relais 9 in die betriebstechnisch sichere Abschaltstellung zurückschalten soll), dann wird der Schalter 13 geöffnet (hochohmig) und stattdessen nun der komplementär wirkende Schalter 15 durchgeschaltet.
- Dadurch wird der zuvor in seinen funktionsbereiten Zustand aufgeladene Umpolungs-Kondensator 12 unter Beibehaltung seines direkten Anschlusses an das Relais 9 diesem parallelgeschaltet, wodurch der Kondensator 12 sich unter Umpolung der im Relais 9 wirksamen Stromflußrichtung über dieses entlädt, also das Relais 9 in seine bistabile Ruhe- oder Abschaltstellung zurückschaltet.
- So ist durch die Ansteuerschaltung 10 mit dem Umpolungs-Kondensator 12 sichergestellt, daß sowohl allgemein bei Ausfall der Versorgungsspannung, wie auch speziell bei Beendigung des Einschalt-Steuersignals 7, das Relais 9 trotz intern bistabiler Wirkungsweise stets in die Abschaltstellung überführt ist, daß also die Arbeitsweise des Relais 9 insgesamt (nämlich unter Berücksichtigung der Wirkungsweise der Ansteuerschaltung 10) eine monostabile Arbeitsweise mit der Abschalt-Schaltstellung als der Ruhe-Vorzugsschaltstellung ist. Insbesondere ist dabei von praktischem Vorteil, daß die Schaltungsanordnung die Ansteuerung eines bistabilen oder Remanenz-Relais durch Impulse wechselnder Polarität ermöglicht, die unterschiedlichen Energieinhalt aufweisen können, so daß die lmpulsdauern für das Einschalten und für das Abschalten je nach dem gegebenen Relais 9 unabhängig voneinander optimierbar sind, wie in der Zeichnung durch die Stellsymbole beim Schwellen-Widerstand 22, beim Kondensator 12 und bei der Differenzierstufe 14 berücksichtigt. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umschaltvorgängen weist die Schaltungsanordnung nur eine minimale Stromaufnahme auf, nämlich bedingt durch die Leckströme der Schaltungs-Bauelemente, die aber wegen einfacher Realisierbarkeit in diskreter Schaltungstechnik sehr niedrig gehalten werden können. Durch die wenig aufwendige diskrete Schaltungstechnik ist auch eine praktisch beliebige Anpassung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung an gegebene Spannungsverhältnisse ermöglicht; insbesondere kann ein Starkstromrelais aus einer Versorgungsspannung in der Grössenordnung von nur 5 Volt Gleichspannung funktionssicher betrieben werden, ohne daß die automatische Rückschaltung in die Ruhestellung des Relais bei Ausfall der Versorgungsspannung in Frage gestellt ist.
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