EP0650177B1 - Verfahren zur Ansteuerung von parallel angeordneten Relais - Google Patents

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EP0650177B1
EP0650177B1 EP94114740A EP94114740A EP0650177B1 EP 0650177 B1 EP0650177 B1 EP 0650177B1 EP 94114740 A EP94114740 A EP 94114740A EP 94114740 A EP94114740 A EP 94114740A EP 0650177 B1 EP0650177 B1 EP 0650177B1
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rel
relay
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switched
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Manfred Glehr
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Siemens AG
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Siemens AG
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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

  • the invention relates to a method for controlling relay excitation coils according to the preamble of claim 1. (EP-A- 0 392 058).
  • a relay has an armature through which switch contacts can be actuated.
  • the force required for actuation must be applied by the relay excitation coil.
  • a certain current through the excitation coil is required to attract the armature and to actuate the switch contacts. Since the losses in the magnetic circuit caused by the air gap become smaller after the armature has been tightened, a lower current is sufficient to hold the contacts than to tighten. The consequence of this is that in general the drive current of the relay can be reduced by half to a third in this case, as a result of which the power loss due to the lower holding current and thus the heating of the excitation coil is reduced.
  • a known method is that after reaching the response state, the holding current is reduced by switching to a voltage source with a lower supply voltage.
  • Another known method is that the relay is controlled with a clock ratio after reaching the response state, so that the holding current drops to a steady state.
  • Another known method is to initially supply the relay with a higher control voltage, which is possible with the aid of a voltage multiplier.
  • relays or relay groups are to be supplied by one voltage source, a separate circuit is required for each relay, for example for clocking. This requires a lot of circuitry and thus high manufacturing costs.
  • the flowchart shown in FIG. 1 shows the process sequence for switching on and switching off several relays.
  • the routine begins at step S1. In a subsequent step S2, all the desired relays are switched on. In a subsequent decision step S3, a decision is made as to whether the desired relays have picked up. If “No” is determined, the desired relays continue to be supplied with the starting current. If “yes” is determined, the routine proceeds to step S4, where the desired relays are driven with a clock ratio.
  • step S5 it is determined whether all or individual relays are to be switched off. If “No” is determined, this or these are further controlled at S4 with the clock ratio. If “yes” is decided, the relays that are to remain switched on are fixed via a switch at step S6, i.e. without a clock ratio, switched on. In a subsequent step S7, a common switch is operated simultaneously. With this switch, the relays to be switched off are quickly switched off. The routine ends at step S8.
  • FIG. 2 now shows a circuit arrangement with which a clocked control can be carried out.
  • two relay excitation coils Rel 1 and Rel 2 are connected in parallel to a voltage source Ub, each of which can be switched by a switch s1, s2 located in series.
  • a diode D1, D2 connected in the reverse direction is connected, to which a common Z-diode Z operated in the reverse direction is connected, the anode of which is connected to the voltage source Ub.
  • a common switch s0 is arranged parallel to the Zener diode Z, through which the Zener diode Z can be bridged.
  • the switches s1, s2 can be switched clocked by a clock generator, not shown, according to the method.
  • the time course of the current as a function of time is shown on the basis of a diagram which shows the current course through the relay excitation coil Rel 1 as an example.
  • the relay excitation coil Rel 1 is switched on by the switch s1 to the voltage source Ub, as a result of which the current in the relay excitation coil Rel 1 u. due to the occurring induction voltage, which counteracts the applied voltage Ub, increases with a delay.
  • the common switch s0 is closed.
  • the response state of relay Rel 1 should be reached, the small dip in the current curve, which occurs due to the changing inductance due to the attraction of the armature, not being shown.
  • the response state of the relay excitation coil Rel 1 is thus reached at the time t1, the time t1 being determined beforehand by measurement or calculation from the power supply voltage Ub, the ohmic resistance of the relay excitation coil, the inductance and the temperature which arises.
  • switch s1 now begins to clock due to the activation of the clock generator.
  • the switch s1 is thus opened at the time t1, so that the current i1 in the relay excitation coil Rel 1 drops.
  • the negative switch-off voltage peak occurring at time t1 breaks down due to the diode D1 to the value of its forward voltage drop, so that the switch-off peak is reduced.
  • the common switch s0 remains closed.
  • the switch s1 is now closed again by the clock generator, with the result that the current i1 in the relay excitation coil Rel 1 rises again.
  • the switch s1 is opened again, so that the current i1 in the relay excitation coil Rel 1 rises again.
  • the process continues alternately over the times t4, t5, so that after a certain time the steady state shown in FIG. 4 is established, the current i1 forming the holding current at which the relay armature remains attracted.
  • the magnitude of the current i1 is determined by the ratio of the switch-on time Tx to the switch-off time Ty indicated in FIG. 3, which is referred to as the clock ratio.
  • the diagram shown in FIG. 5 shows the current profile i1 (t) in the relay excitation coil Rel 1, the current profile i2 (t) in the relay excitation coil Rel 2 and the switch positions s1, s2, s0, the thick lines of the switch positions showing the closed state to indicate this switch.
  • the time profile of the currents i1 and i2 at the time t0 to thousand corresponds to the current profile shown in FIGS. 3 and 4 for the steady state. Accordingly, the current i1 is controlled clocked by the relay excitation coil Rel 1, as is the current i2 by the relay excitation coil Rel 2.
  • the switches s1 and s2 are controlled clocked in accordance with the clock ratio. The switch s0 is always closed.
  • the switch S0 has a certain resistance in the "on" position (the switch can be designed as a transistor switch), whereas the resistance of the Z diode is extremely small in the region of the breakdown voltage, so that the relay excitation coil rel 1 is quickly discharged via the diode D1, which leads to a desired rapid drop in the relay armature of the excitation coil Rel 1.
  • the voltage between the diode D1 and the Zener diode rises briefly steeply, so that if the switch s2 were actuated in this state, that is, the switch s2 was also temporarily switched off, the relay Rel 2 would fall off.
  • the switch s2 (and possible other switches) is closed, which remains in a closed position in a non-clocked operation until the time t1 until the time t1 is reached , where, as already described in Figure 3, is switched back to clocked operation.
  • the power loss increases again somewhat, but the component expenditure is significantly lower.
  • FIG. 6 shows a subcircuit for generating the control signals for the switches s1 and s2, although this task can also be performed by a microprocessor.
  • the circuit consists of two inputs E1, E2, each of which is connected to an input of an AND gate, the signals for Si1, Si2 being removable at its output.
  • the inputs E1, E2 are also connected to a monostable, retriggerable flip-flop Q, which here has two negative edge-controlled inputs.
  • the exit of the Flip-flops are connected to an input of two OR gates, the other input of the two OR gates being connected to a clock generator.
  • the respective outputs of the two OR gates are connected to the respective second input of the AND gates.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Relaiserregerspulen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. (EP-A- 0 392 058).
  • Bekanntlich weist ein Relais einen Anker auf, durch den Schaltkontakte betätigt werden können. Die zur Betätigung erforderliche Kraft muß von der Relaiserregerspule aufgebracht werden. Bei gegebener Windungszahl der Erregerspule ist zum Anzug des Ankers und zur Betätigung der Schaltkontakte ein bestimmter Strom durch die Erregerspule erforderlich. Da nach dem Anzug des Ankers die durch den Luftspalt hervorgerufenen Verluste im magnetischen Kreis geringer werden, genügt zum Halten der Kontakte ein niedrigerer Strom als zum Anzug. Die Folge davon ist, daß im allgemeinen der Ansteuerstrom des Relais in diesem Fall auf die Hälfte bis auf ein Drittel verringert werden kann, wodurch sich die Verlustleistung aufgrund des niedrigeren Haltestroms und damit die Erwärmung der Erregerspule verringert.
  • Zur Verringerung des Haltestroms sind verschiedene Verfahren bekannt. Ein bekanntes Verfahren besteht darin, daß nach Erreichen des Ansprechzustandes der Haltestrom dadurch verringert wird, indem man auf eine Spannungsquelle mit einer niedrigeren Versorgungsspannung umschaltet. Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, daß man das Relais nach Erreichen des Ansprechzustandes mit einem Taktverhältnis ansteuert, so daß der Haltestrom bis auf einen eingeschwungenen Endzustand absinkt. Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, das Relais anfangs mit einer höheren Ansteuerspannung zu versorgen, was mit Hilfe eines Spannungsvervielfachers möglich ist.
  • Wenn mehrere Relais oder Relaisgruppen durch eine Spannungsquelle versorgt werden sollen, so ist beispielsweise für das Takten für jedes Relais eine eigene Schaltung erforderlich. Das bedingt einen hohen Schaltungsaufwand und damit hohe Herstellungskosten.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem mehrere Relais bauteilesparend und verlustarm betrieben werden können.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nun anhand von sieben Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 ein Flußdiagramm zur Erklärung des Verfahrensablaufs nach der Erfindung;
    • Figur 2 eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von zwei Relais;
    • Figur 3 einen Stromverlauf zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung von Figur 2;
    • Figur 4 einen Stromverlauf zur Erklarung des eingeschwungenen Zustandes der Anordnung nach Figur 2;
    • Figur 5 einen Stromverlauf zur Erklärung des Aussschaltvorganges der Anordnung nach Figur 2;
    • Figur 6 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Ansteuersignale der Anordnung nach Figur 2; und
    • Figur 7 die Schalterstellungen von drei Relais sowie das entsprechende Ausgangssignal eines monostabilen, wiedertriggerbaren Flip-Flops.
  • Das in Figur 1 gezeigte Flußdiagramm zeigt den Verfahrensablauf zum Einschalten und Ausschalten von mehreren Relais. Bei Schritt S1 beginnt die Routine. In einem darauf folgenden Schritt S2 werden alle gewünschten Relais eingeschaltet. In einem sich daran anschließenden Entscheidungsschritt S3 wird entschieden, ob die gewünschten Relais angezogen haben. Wenn "Nein" festgestellt wird, werden die gewünschten Relais weiter mit dem Anzugsstrom versorgt. Wenn "Ja" festgestellt wird, schreitet die Routine zu Schritt S4, wo die gewünschten Relais mit einem Taktverhältnis angesteuert werden.
  • In einem weiteren Schritt S5 wird festgestellt, ob alle oder einzelne Relais abgeschaltet werden sollen. Wenn "Nein" festgestellt wird, werden dieses oder diese bei S4 weiter mit dem Taktverhältnis angesteuert. Wenn "Ja" entschieden wird, werden bei Schritt S6 die Relais, die eingeschaltet bleiben sollen, über einen Schalter fest, d.h. ohne ein Taktverhältnis, eingeschaltet. In einem sich anschließenden Schritt S7 wird gleichzeitig ein gemeinsamer Ausschalter betätigt. Durch diesen Ausschalter werden die auszuschaltenden Relais schnell ausgeschaltet. Bei Schritt S8 endet die Routine.
  • Figur 2 zeigt nun eine Schaltungsanordnung, mit der eine getaktete Ansteuerung durchgeführt werden kann. Als Beispiel sind zwei Relaiserregerspulen Rel 1 und Rel 2 parallel an eine Spannungsquelle Ub angeschaltet, die jeweils durch einen in Reihe liegenden Schalter s1, s2 geschaltet werden können. Parallel zur jeweiligen Relaiserregerspule Rel 1, Rel 2 ist jeweils eine in Sperrichtung geschaltete Diode D1, D2 angeschlossenen, an die sich eine gemeinsame in Sperrichtung betriebene Z-Diode Z anschließt, deren Anode mit der Spannungsquelle Ub verbunden ist. Parallel zur Z-Diode Z ist ein gemeinsamer Ausschalter s0 angeordnet, durch den die Z-Diode Z überbrückbar ist. Die Schalter s1, s2 können gemäß dem Verfahren von einem nicht dargestellten Taktgenerator getaktet geschaltet werden.
  • In Figur 3 ist nun der zeitliche Verlauf des Stroms in Abhängigkeit von der Zeit anhand eines Diagramms dargestellt, das als Beispiel den Stromverlauf durch die Relaiserregerspule Rel 1 zeigt. Im Zeitpunkt t0 wird die Relaiserregerspule Rel 1 durch den Schalter s1 an die Spannungsquelle Ub angeschaltet, wodurch der Strom in der Relaiserregerspule Rel 1 u.a. aufgrund der auftretenden Induktionsspannung, die der angelegten Spannung Ub entgegenwirkt, verzögert ansteigt. Der gemeinsame Ausschalter s0 ist geschlossen. Im Zeitpunkt t1 soll der Ansprechzustand des Relais Rel 1 erreicht sein, wobei der kleine Einbruch in der Stromkurve, der durch die sich dabei ändernde Induktivität durch das Anziehen des Ankers auftritt, nicht dargestellt ist. Im Zeitpunkt t1 wird also der Ansprechzustand der Relaiserregerspule Rel 1 erreicht, wobei der Zeitpunkt t1 vorher durch Messung oder Berechnung aus der Stromversorgungsspannung Ub, dem ohmschen Widerstand der Relaiserregerspule, der Induktivitat und der sich einstellenden Temperatur bestimmt wird.
  • Im Zeitpunkt t1 beginnt nun der Schalter s1 aufgrund der Ansteuerung des Taktgenerators zu takten. Somit wird der Schalter s1 im Zeitpunkt t1 geöffnet, so daß der Strom i1 in der Relaiserregerspule Rel 1 absinkt. Die im Zeitpunkt t1 auftretenden negative Ausschaltspannungsspitze bricht aufgrund der Diode D1 auf den Wert ihres Vorwärtsspannungsabfalls zusammen, so daß die Abschaltspitze abgebaut wird. Der gemeinsame Ausschalter s0 bleibt weiterhin geschlossen.
  • Im Zeitpunkt t2 wird nun der Schalter s1 durch den Taktgenerator wieder geschlossen, was zur Folge hat, daß der Strom i1 in der Relaiserregerspule Rel 1 wieder ansteigt. Im Zeitpunkt t3 wird der Schalter s1 wieder geöffnet, so daß der Strom i1 in der Relaiserregerspule Rel 1 wieder ansteigt. Dieser Vorgang setzt sich über die Zeitpunkte t4, t5 abwechselnd fort, so daß sich nach einer gewissen Zeit der in Figur 4 gezeigte eingeschwungene Endzustand einstellt, wobei der Strom i1 den Haltestrom bildet, bei dem der Relaisanker angezogen bleibt. Die Höhe des Stroms i1 wird durch das in Figur 3 angedeutete Verhaltnis der Einschaltdauer Tx zur Ausschaltdauer Ty bestimmt, was als Taktverhältnis bezeichnet wird.
  • In Figur 5 wird nun der Ausschaltvorgang erläutert und zwar unter der Annahme, daß die Relaiserregerspule Rel 1 ausgeschaltet werden soll und die Relaiserregerspule Rel 2 weiter eingeschaltet bleiben soll.
  • Bei dem in Figur 5 dargestellten Diagramm sind der Stromverlauf i1(t) in der Relaiserregerspule Rel 1, der Stromverlauf i2(t) in der Relaiserregerspule Rel 2 und die Schalterstellungen s1, s2, s0 dargestellt, wobei die dicken Linien der Schalterstellungen den geschlossenen Zustand dieser Schalter andeuten sollen.
  • Der zeitliche Verlauf der Ströme i1 und i2 im Zeitpunkt t0 bis taus entspricht dem in Figur 3 und 4 gezeigten Stromverlauf für den eingeschwungenen Zustand. Demnach wird der Strom i1 durch die Relaiserregerspule Rel 1 getaktet gesteuert, ebenso der Strom i2 durch die Relaiserregerspule Rel 2. Die Schalter s1 und s2 werden gemäß dem Taktverhältnis getaktet gesteuert. Der Schalter s0 ist dabei immer geschlossen.
  • Im Zeitpunkt taus wird entschieden, daß die Relaiserregerspule Rel 1 abschalten soll. Somit wird der Schalter s1 geöffnet, wodurch der Strom i1 entsprechend der in Figur 5 dargestellten Abschaltkurve absinkt. Im gleichen Zeitpunkt öffnet der gemeinsame Ausschalter s0, so daß die Abschaltspannungsspitze der Relaiserregerspule Rel 1 über die Diode D1 und die gemeinsame Z-Diode begrenzt wird. Damit der Abschaltvorgang für die Relaiserregerspule Rel 1 schnell vor sich geht, sollen alle Relais mit möglichst hoher Abschaltspannung betrieben werden. Deshalb wird im Zeitpunkt taus auch der Schalter s0 , der als gemeinsamer Ausschalter dient, geöffnet. Der Grund dafür ist, daß der Schalter S0 in der "Ein"-Stellung einen gewissen Widerstand aufweist (der Schalter kann als Transistorschalter ausgebildet sein), wogegen der Widerstand der Z-Diode im Bereich der Durchbruchspannung äußerst klein ist, so daß die Relaiserregerspule Rel 1 schnell über die Diode D1 entladen wird, was zu einem gewünschten schnellen Abfall des Relaisankers der Erregerspule Rel 1 führt. Während des Entladens steigt die Spannung zwischen der Diode D1 und der Z-Diode kurzzeitig steil an, so daß, wenn der Schalter s2 weiter getaktet in diesem Zustand angesteuert werden würde, d.h., der Schalter s2 auch zeitweise ausgeschaltet werden wurde, auch das Relais Rel 2 abfallen würde. Damit jedoch die Relaiserregerspule Rel 2 (und mögliche andere Relaiserregerspulen) nicht ebenfalls ausschalten, wird der Schalter s2 (und mögliche andere Schalter) geschlossen, wobei dieser in einem nichtgetakteten Betrieb bis zum Zeitpunkt t1 in einer geschlossenen Stellung verbleibt, bis der Zeitpunkt t1 erreicht ist, wo, wie bereits in Figur 3 beschrieben, wieder auf getakteten Betrieb umgeschaltet wird. Wahrend dieser Phase wird zwar die Verlustleistung wieder etwas größer, der Bauteileaufwand ist aber wesentlich geringer.
  • In Figur 6 ist eine Teilschaltung zur Erzeugung der Ansteuersignale für die Schalter s1 und s2 dargestellt, wobei jedoch diese Aufgabe auch durch einen Mikroprozessor wahrgenommen werden kann.
  • Die Schaltung besteht aus zwei Eingängen E1, E2, die jeweils mit einem Eingang eines UND-Gliedes verbunden sind, wobei jeweils an dessen Ausgang die Signale für Si1, Si2 abnehmbar sind. Die Eingänge E1, E2 sind weiterhin mit einem monostabilen, wiedertriggerbaren Flip-Flop Q verbunden, das hier zwei negativ flankengesteuerte Eingänge aufweist. Der Ausgang des Flip-Flops steht mit jeweils einem Eingang von zwei ODER-Gliedern in Verbindung, wobei der jeweilige andere Eingang der zwei ODER-Glieder an einem Taktgenerator angeschlossen ist. Die jeweiligen Ausgänge der beiden ODER-Glieder sind an den jeweiligen zweiten Eingang der UND-Glieder angeschlossen.
  • In Figur 7 sind als Beispiel drei Relaissignale gezeigt. An jeder abfallenden Flanke des Eingangssignals. d.h., wenn die Ansteuerung des Relais aufhört, soll jedesmal ein AUS_allg Impuls entstehen. Überlappen sich zwei Impulse gegenseitig, so soll der letzte maßgebend sein, d.h., das Monoflop muß wiedertriggerbar sein. Das Ansteuersignal für den Schalter s0 ist logisch mit dem AUS_allg identisch, nur daß eine Potentialverschiebung durchgeführt werden muß.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Ansteuerung von mehreren parallel an einer gemeinsamen Spannungsquelle angeschalteten Relaiserregerspulen, die jeweils durch ihnen zugeordnete Relaisschaltungsmittel ein- und ausschaltbar sind, wobei die jeweils einzuschaltenden Relaiserregerspulen (Rel 1, Rel 2) nach Erreichen ihres Ansprechzustandes (t1) derart über Relaisschaltungsmittel von einem gemeinsamen Taktgenerator (TG) mit einem Taktverhältnis (Tx/Ty) angesteuert werden, daß sich ein gegenüber dem Ansprechzustand verringerter, eingeschwungener Zustand eines Haltestroms einstellt,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Relaiserregerspulen (Rel 1, Rel 2) durch gemeinsame Ausschaltemittel (s0) ausschaltbar sind, wobei für diejenigen Relaiserregerspulen, die weiterhin in einem eingeschwungenen Zustand des Haltestroms betrieben werden sollen, das jeweilige Relaiserregerspulenschaltungsmittel geschlossen bleibt (Fig. 5), so daß sich ein kurzzeitig ansteigender Ansprechstrom (i2(t)) in der zugeordneten Relaiserregerspule (Rel 2) einstellt, die nach einer vorbestimmten Zeit (t1) wieder vom Taktgenerator (TG) mit einem Taktverhältnis (Tx/Ty) angesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit durch die Zeitdauer bestimmt ist, bis zu der die jeweilige Relaiserregerspule den Ansprechzustand erreicht hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Relaiserregerspulen typengleich sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn nur eine Teilgruppe von Relaiserregerspulen typengleich sind, das Verfahren auf diese Typengruppe angewendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeitdauer durch einen Mikroprozessor berechnet und eingestellt wird.
  6. Verwendung einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei parallel zur jeweiligen Relaiserregerspule (Rel 1, Rel 2) jeweils eine Diode (D1,D2) geschaltet ist, wobei jede Diode in Sperrrichtung Sperrichtung an der Spannungsquelle (Ub) über eine in Sperrichtung in Reihe liegende gemeinsame Z-Diode (Z) angeschaltet ist, wobei parallel zur Z-Diode gemeinsame Ausschaltemittel (s0) geschaltet sind.
EP94114740A 1993-09-28 1994-09-19 Verfahren zur Ansteuerung von parallel angeordneten Relais Expired - Lifetime EP0650177B1 (de)

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