EP0386300A1 - Integrierbare Schaltungsanordung zur Ansteuerung eines mit Gleichstrom betriebenen Relais - Google Patents

Integrierbare Schaltungsanordung zur Ansteuerung eines mit Gleichstrom betriebenen Relais Download PDF

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EP0386300A1
EP0386300A1 EP89104348A EP89104348A EP0386300A1 EP 0386300 A1 EP0386300 A1 EP 0386300A1 EP 89104348 A EP89104348 A EP 89104348A EP 89104348 A EP89104348 A EP 89104348A EP 0386300 A1 EP0386300 A1 EP 0386300A1
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EP
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relay
circuit
current
input
control circuit
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Withdrawn
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EP89104348A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oskar Dipl.-Ing. Starke
Alois Dipl.-Ing. Biebl
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator

Definitions

  • a self-monitoring circuit is known from DE-0S 33 39 271, in which the series resistor is connected upstream of the relay by means of an auxiliary contact arranged in addition to the normally open contact. If the relay drops out, it is then directly connected to the DC voltage again, thus enabling it to be re-energized. In addition, a holding current limitation only occurs when the relay has actually picked up.
  • the disadvantage here is that the relay requires an additional contact, which means a higher manufacturing effort for the relay.
  • the object of the invention is a self-monitoring Specify circuitry for controlling a relay operated with DC voltage with little effort.
  • the control circuit of the relay 2 is coupled to the output of a current control circuit 6.
  • An evaluation circuit 7, which has two inputs, is connected upstream of the current control circuit 6. The two inputs are each led to one of the two poles of the normally open contact of relay 2, one pole being connected to an operating potential 4 via a first load 5 and the other pole being connected to ground 1 via a further load 3.
  • the evaluation circuit monitors the switching state of relay 2 by means of a voltage measurement.
  • the evaluation circuit accordingly determines the switching state, for example, by comparing the potentials occurring at the two poles with one another or by measuring the voltage between the two poles.
  • the evaluation circuit 7 now adjusts the current control circuit 6 so that when the normally open contact is open it emits a mean output current which is sufficient to attract the relay, while when the normally open contact is tightened the mean output current is reduced to a value which is sufficient to hold the relay 2 .
  • the current flowing in the control circuit of relay 2 is also regulated during the starting phase. This allows relays with a low response threshold to be used, which has the advantage that the relay can still be pulled and held when the operating voltage drops, but no damage to the relay is to be expected if overvoltages occur due to the regulation.
  • the current control 6 is designed, for example, analogously as a controlled current source or as a switching regulator, as shown in FIG. 2.
  • the relay 2 can be switched on and off on the one hand by switching the supply voltage on and off, which can also be the same as the operating voltage, and / or on the other hand in a configuration of the invention by a control input 8.
  • the control input 8 is routed to the evaluation circuit 7, which then switches the relay 2 accordingly via the current control 6.
  • the operating potential 4 can accordingly be connected to the load 3 connected to ground 1 via the switching contact of the relay 2.
  • the relay coil is on the one hand also connected to ground 1 and on the other hand connected to a positive supply potential 10 via the collector-emitter path of a pnp transistor 11 and an emitter resistor 12 as a current measuring device.
  • the emitter of transistor 11 is also connected to an input of first comparator 14, the other input of which is led to positive supply potential 10 via a controllable voltage source 13.
  • the base of transistor 11 is coupled to an AND gate 15, one input of which is connected to the output of a window comparator 18 and the other input of which is connected to the output of an RS flip-flop 16.
  • the reset input R of the flip-flop 16 is connected to the output of the first comparator 14 and the set input 5 to the output of a pulse generator 17.
  • the window comparator 18 is acted upon on the input side by a voltage divider, consisting of three resistors 19, 20, 21, which leads from the supply potential 10 to ground 1, for setting the window area, and by a reference voltage source 27, to which an input of a further comparator 22 is connected.
  • the other input of the second comparator 22, the output of which is provided to control the controllable voltage source 13, is connected to the pole of the normally open contact assigned to the load 3.
  • This entrance is in progress staltung the invention with a grounding Zener diode 23 and with a series connection to the input connected in series from a resistor 24 and a diode 25 in the forward direction to protect against incorrect polarity and overvoltage.
  • the collector of the transistor 11 forming the output of the circuit arrangement has a freewheeling diode 26 leading to ground in the reverse direction for commutation of the induction voltages generated by the relay coil.
  • the current regulation takes place according to the principle of clocked current regulation, that is to say as a switching regulator.
  • a switching regulator that is to say as a switching regulator.
  • the mode of operation is as follows: the pulse generator 17 sets the flip-flop 16, as a result of which the transistor 11 is switched on.
  • the current through the relay coil now rises until the limit value specified by the controllable voltage source 13 in connection with the emitter resistor 12 is reached and the first comparator 14 resets the flip-flop 16 again.
  • the current in the relay coil via the freewheeling diode 26 is maintained until the next set pulse of the pulse generator 17.
  • the interposition of the AND gate 15 in connection with the window comparator 18 serves to switch off the relay 2 in a defined manner when undervoltage or overvoltage occurs.
  • the second comparator 22 in connection with the reference voltage source 27 determines when the operating potential 4 is connected to the load 3 and thereupon changes the voltage of the controlled voltage source 13. This results in a lower limit value, which results in a lower average output current.
  • FIG. 3 shows the course of the current I flowing through the relay coil over time t.
  • the current I initially rises depending on the ohmic resistances and inductances in the control circuit until the limit value specified when the work contact is open is reached.
  • the relay coil is then separated from the supply potential 10 by the transistor 11 and switched on again after the pulse of the pulse generator has been set, etc.
  • the relay 2 has been energized, the current is reduced by changing the limit value.
  • the dashed line in FIG. 3 also shows the current profile of a known circuit without starting current control, which has a pronounced contact bounce when switching over compared to the circuit arrangement according to the invention.

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Abstract

Selbstüberwachende Ansteuerschaltung für ein mit Gleichspannung betriebenes Relais mit einer Stromregelschaltung (6), deren mittlerer Ausgangsstrom von einer Auswerteschaltung (7), welche den Schaltzustand des Relais (2) am Arbeitskontakt über eine Spannungsmessung ermittelt, eingestellt wird.

Description

  • Beim Betrieb eines Relais mit einer gegebenen Gleichspannung, wie dieses vielfach insbersondere in Kraftfahrzeugen der Fall ist, ergeben sich eine Reihe von Problemen, die u.a. darin begründet liegen, daß zum Anziehen des Relais ein höherer Strom erforderlich ist als zum Halten nach dem Anziehen. Da­durch ergibt sich in der Haltephase ein unnötig hoher Halte­strom, der eine große Verlustleistung und daraus resultie­rend eine starke Eigenerwärmung des Relais zur Folge hat. Es ist daher üblich, den Haltestrom zu begrenzen. Dies ge­schieht beispielsweise dadurch, daß nach Ablauf eines vorge­gebenen Zeitraums, in dem das Relais direkt mit der gegebe­nen Gleichspannung beaufschlagt ist und der für ein Anziehen ausreichend lange ist, dem Relais ein Vorwiderstand zur Strombegrenzung vorgeschaltet wird. Nachteilig ist dabei je­doch, daß bei einem Abfall des Relais etwa infolge einer me­chanischen Einwirkung ein selbständiges, erneutes Anziehen nicht möglich ist.
  • Aus der DE-0S 33 39 271 ist ein sich selbst überwachender Schaltkreis bekannt, bei dem der Vorwiderstand durch einen neben dem Arbeitskontakt zusätzlich angeordneten Hilfskon­takt dem Relais vorgeschaltet wird. Bei einem Abfall des Re­lais wird dieses dann wieder direkt an die Gleichspannung gelegt und somit ein erneutes Anziehen ermöglicht. Darüber hinaus tritt eine Haltestrombegrenzung erst dann ein, wenn das Relais tatsächlich angezogen hat. Nachteilig ist dabei jedoch, daß das Relais einen weiteren Kontakt benötigt, was einen höheren Herstellungsaufwand beim Relais bedeutet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine sich selbst überwachende Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines mit Gleichspannung betriebenen Relais mit geringem Aufwand anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltungsan­ordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­spruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Vorteil der Erfindung ist es, daß übliche, auch nur einen Kontakt aufweisende Relais verwendet werden können. Darüber hinaus ergibt sich durch die Strombegrenzung auch in der Anzugsphase eine weitgehende Unabhängigkeit von Versorgungs­spannungsschwankungen bei geringem Energieverbrauch und ge­ringer Eigenerwärmung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­läutert, wobei gleiche Elemente mit gleichem Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt
    • FIG 1 das Blockschaltbild einer grundsätzlichen Ausführungs­form einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
    • FIG 2 das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
    • FIG 3 den Verlauf des Ausgangsstromes über der Zeit bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach FIG 2.
  • Gemäß FIG 1 ist der Steuerkreis des Relais 2 mit dem Ausgang einer Stromregelschaltung 6 gekoppelt. Der Stromregelschal­tung 6 wiederum ist eine Auswerteschaltung 7 vorgeschaltet, die zwei Eingänge aufweist. Die beiden Eingänge sind jeweils an einen der beiden Pole des Arbeitskontaktes des Relais 2 geführt, wobei ein Pol über eine erste Last 5 an ein Betriebs­potential 4 und der andere Pol über eine weitere Last 3 auf Masse 1 gelegt ist. Die Auswerteschaltung überwacht den Schaltzustand des Relais 2 mittels einer Spannungsmessung.
  • Bei geschlossenem Schaltkontakt sind nämlich die an dessen beiden Polen anliegenden Potentiale annähernd gleich bzw. die am Arbeitskontakt abfallende Spannung ist in etwa gleich Null. Bei geöffnetem Arbeitskontakt sind die an den beiden Polen anliegenden Potentiale unterschiedlich, nämlich einer­seits im wesentlichen gleich dem Betriebspotential 4 und an­dererseits ungefähr gleich Masse 1 bzw. die am Arbeitskon­takt abfallende Spannung ist ungefähr gleich der Betriebs­spannung. Die Auswerteschaltung ermittelt demgemäß den Schaltzustand beispielsweise durch Vergleich der an den bei­den Polen auftretenden Potentiale miteinander bzw. durch Spannungsmessung zwischen den beiden Polen.
  • Die Auswerteschaltung 7 stellt die Stromregelschaltung 6 nun so ein, daß diese bei geöffnetem Arbeitskontakt einen mittle­ren Ausgangsstrom abgibt, der zum Anziehen des Relais aus­reichend ist, während bei angezogenem Arbeitskontakt der mittlere Ausgangsstrom auf einen Wert reduziert ist, der zum Halten des Relais 2 ausreichend ist. Gegenüber bekannten Schaltungen ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung der in dem Steuerkreis des Relais 2 fließende Strom auch während der Anzugsphase geregelt. Dadurch können Relais mit niedri­ger Ansprechschwelle verwendet werden, was den Vorteil mit sich bringt, daß bei einem Absinken der Betriebsspannung das Relais dennoch angezogen und gehalten werden kann, jedoch beim Auftreten von Überspannungen aufgrund der Regelung keine Beschädigungen des Relais zu erwarten sind. Die Stromrege­lung 6 ist dabei beispielsweise analog als gesteuerte Strom­quelle oder als Schaltregler, wie in FIG 2 dargestellt, aus­gebildet. Das Ein- und Ausschalten des Relais 2 kann zum einen über Zu- und Abschalten der Versorgungsspannung, die auch gleich der Betriebsspannung sein kann, und/oder zum an­deren in Ausgestaltung der Erfindung durch einen Steuerein­gang 8 erfolgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Steuereingang 8 auf die Auswerteschaltung 7 geführt, die dann über die Stromregelung 6 das Relais 2 entsprechend schaltet.
  • FIG 1 zeigt eine grundsätzliche Ausführungsform mit zwei Lasten 3, 5, wobei eine Last 3 gegen Masse 1 und die andere Last 5 gegen das Betriebspotential 4 geführt ist. In der Praxis treten aber überwiegend Anwendungen mit entweder an Masse 1 oder an Betriebspotential 4 liegenden Lasten auf. Bei dem genannten Ausführungsbeispiel ist daher je nach dem eine der beiden Lasten 3, 5 durch einen Kurzschluß zu erset­zen.
  • In dem Ausführungsbeispiel nach FIG 2 ist demgemäß das Be­triebspotential 4 über den Schaltkontakt des Relais 2 auf die an Masse 1 liegende Last 3 aufschaltbar. Die Relais­spule ist einerseits ebenfalls auf Masse 1 gelegt und ande­rerseits über die Kollektor-Emitter-Strecke eines pnp-Tran­sistors 11 und einen Emitterwiderstand 12 als Strommeßein­richtung an ein positives Versorgungspotential 10 angeschlos­sen. Der Emitter des Transistors 11 ist zudem mit einem Ein­gang des ersten Komparators 14 verbunden, dessen anderer Eingang über eine steuerbare Spannungsquelle 13 auf das po­sitive Versorgungspotential 10 geführt ist. Die Basis des Transistors 11 ist mit einem UND-Gatter 15 gekoppelt, dessen einer Eingang mit dem Ausgang eines Fensterkomparators 18 und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines RS-Flip-­Flops 16 verschaltet ist. Der Rücksetzeingang R des Flip-­Flops 16 ist dabei mit dem Ausgang des ersten Komparators 14 und der Setzeingang 5 mit dem Ausgang eines Impulsgenerators 17 verbunden. Der Fensterkomparator 18 ist eingangsseitig mit einem von dem Versorgungspotential 10 auf Masse 1 führen­den, aus drei Widerständen 19, 20, 21 bestehenden Spannungs­teiler zur Einstellung des Fensterbereiches sowie mit einer Referenzspannungsquelle 27, an der auch ein Eingang eines weiteren Komparators 22 angeschlossen ist, beaufschlagt. Der andere Eingang des zweiten Komparators 22, dessen Ausgang zur Ansteuerung der steuerbaren Spannungsquelle 13 vorgese­hen ist, steht mit dem der Last 3 zugeordneten Pol des Ar­beitskontaktes in Verbindung. Dieser Eingang ist in Ausge­ staltung der Erfindung mit einer auf Masse führenden Zener­diode 23 sowie mit einer zum Eingang in Reihe liegenden Se­rienschaltung aus einem Widerstand 24 und einer Diode 25 in Durchlaßrichtung zum Schutze vor Falschpolung und Überspan­nung beschaltet. Darüber hinaus weist der den Ausgang der Schaltungsanordnung bildende Kollektor des Transistors 11 eine auf Masse führende Freilaufdiode 26 in Sperrichtung auf zur Abkommutierung der durch die Relaisspule erzeugten In­duktionsspannungen.
  • Die Stromregelung erfolgt in dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 nach dem Prinzip der getakteten Stromregelung, also als Schaltregler. Dies ist vorteilhaft, da derartige Regler einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Hinzukommt, daß keine Speicherdrosseln, benötigt werden, da die Induktivität der Relaisspule als Energiespeicher verwendet werden kann. Die Wirkungsweise ist dabei wie folgt: Der Impulsgenerator 17 setzt das Flip-Flop 16, wodurch der Transistor 11 eingeschal­tet wird. Der Strom durch die Relaisspule steigt nun solange an, bis der durch die steuerbare Spannungsquelle 13 in Ver­bindung mit dem Emitter-Widerstand 12 vorgegebene Grenzwert erreicht wird und der erste Komparator 14 das Flip-Flop 16 wieder rücksetzt. Bis zum nächsten Setzimpuls des Impulsgene­rators 17 hält sich der Strom in der Relaisspule über die Freilaufdiode 26 aufrecht. Die Zwischenschaltung des UND-­Gatters 15 in Verbindung mit dem Fensterkomparator 18 dient zum definierten Abschalten des Relais 2 beim Auftreten von Unter- bzw. Überspannungen. Der zweite Komparator 22 in Ver­bindung mit der Referenzspannungsquelle 27 ermittelt, wann des Betriebspontential 4 auf die Last 3 aufgeschaltet ist und verändert daraufhin die Spannung der gesteuerten Spannungsquelle 13. Damit ergibt sich ein geringerer Grenz­wert, der einen geringeren mittleren Ausgangsstrom zur Folge hat. Alternativ hierzu ist natürlich auch eine Veränderung des Emitterwiderstandes 12 zur Grenzwerteinstellung möglich.
  • FIG 3 zeigt den Verlauf des durch die Relaisspule fließenden Stromes I über der Zeit t. Nach dem Zuschalten der Versor­gungsspannung 10 steigt der Strom I zunächst abhängig von dem sich im Steuerkreis befindlichen ohmschen Widerständen und Induktivitäten an, bis der bei geöffnetem Arbeitskontakt vorgegebene Grenzwert erreicht ist. Die Relaisspule wird da­raufhin durch den Transistor 11 von dem Versorgungspotential 10 abgetrennt und nach dem Setzimpuls des Impulsgenerators wieder zugeschaltet usw. Nach dem Anziehen des Relais 2 wird der Strom durch Ändern des Grenzwertes heruntergeregelt. Strichpunktiert ist zusätzlich in FIG 3 der Stromverlauf eines bekannten Schaltkreises ohne Anzugsstromregelung ein­getragen, der ein ausgeprägtes Kontaktprellen beim Umschalten gegenüber der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aufweist.

Claims (6)

1. Integrierbare Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines mit Gleichspannung betriebenen Relais (2),
gekennzeichnet,
durch eine mit dem Steuerkreis des Relais (2) gekoppelte Stromregelschaltung (6), deren mittlerer Ausgangsstrom durch ein Eingangssignal einstellbar ist, und
durch eine ausgangsseitig mit dem Eingang der Stromregel­schaltung (6) verbundene und eingangsseitig dem Arbeitskon­takt des Relais (2) parallel geschaltete Auswerteschaltung (7), welche den Schaltzustand des Relais mittels Spannungs­messung am Arbeitskontakt ermittelt und welche bei geöffne­tem Arbeitskontakt den mittleren Ausgangsstrom der Stromre­gelschaltung (6) auf einen zum Schalten des Relais (2) aus­reichenden Wert sowie bei geschlossenem Arbeitskontakt den mittleren Ausgangsstrom auf einen niedrigeren, zum Halten des Relais (2) ausreichenden Wert einstellt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet
durch einen Steuereingang (8) zum An- und Abschalten des Aus­gangsstroms der Stromregelschaltung (6).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet
durch einen impulsartig getakteten elektronischen Schalter (11) als Stromregelschaltung (6), bei dem Frequenz und/oder Dauer der Impulse in Abhängigkeit von Ausgangsstrom und Eingangssi­gnal geregelt sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Relaisspule eine Freilaufdiode (26) parallelgeschal­tet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4,
gekennzeichnet
durch eigen Komparator (14), dem durch die Auswerteschaltung (7) ein Grenzwert vorgegeben ist,
durch ein RS-Flip-Flop (16), dessen Rücksetzeingang (R) mit dem Ausgang des Komparators (14) und dessen Setzeingang mit dem Ausgang des Impulsgenerators (17) verbunden ist,
durch einen sich im Steuerkreis des Relais (2) befindlichen Transistor (11) als elektronischen Schalter, der mit dem RS-­Flip-Flop (16) gekoppelt ist und
durch eine sich im Steuerkreis des Relais (2) befindliche Strommeßeinrichtung (12), die mit einem Eingang des Kompara­tors (14) verbunden ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem Eingang der Auswerteschaltung Dioden und/oder Zener­dioden parallel und/oder seriell vorgeschaltet sind.
EP89104348A 1989-03-10 1989-03-10 Integrierbare Schaltungsanordung zur Ansteuerung eines mit Gleichstrom betriebenen Relais Withdrawn EP0386300A1 (de)

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