EP0865059B1 - Schaltung für den energiesparenden Betrieb eines Relais - Google Patents
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- H01H47/04—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current
- H01H47/043—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current making use of an energy accumulator
Definitions
- the invention relates to a circuit for the energy-saving operation of a relay referred to in the preamble of claim 1 Art.
- GB-A-1 047 524 discloses a circuit according to the preamble of claim 1.
- the invention has for its object to provide an electronic circuit that allows energy-saving operation of a relay and in which a component failure leads to shutdown of the relay.
- the relay For a relay to switch from its OFF position to the ON position, the relay must be energized with a current I greater than a minimum current I min . After switching, the relay can be fed with a holding current I H , which is smaller than the minimum current I min . According to the invention, the relay is therefore supplied with a current I (t) whose amplitude depends on the time t.
- the current through the relay is provided during a first time interval of a clock from a voltage source, the current charging a capacitor. In this case, the amplitude of the current decreases with increasing charging voltage across the capacitor.
- the capacitor Before the amplitude is smaller than the minimum necessary hold current I H, min , during a second time interval of the clock, the capacitor is partially discharged again, the discharge current flows through the relay.
- the clocked charging and discharging of the capacitor reduces the energy required to hold the relay in the ON position. As soon as the circuit that causes the clocking fails, the relay drops to the OFF position, which is required for safety
- Fig. 1 shows a first electronic circuit with a relay 1, which is fed from a voltage source 2.
- the voltage source 2 supplies a positive voltage with respect to the negative pole at the positive pole.
- the circuit further comprises a capacitor 3, two diodes 4 and 5, two switching transistors 6 and 7 and a circuit part 8 for driving the switching transistors 6 and 7.
- the wiring of the relay 1, the capacitor 3, the diodes 4, 5 and the switching transistors 6, 7 can be seen directly in FIG. If the relay 1 is in its OFF position, then the circuit part 8 controls the switching transistors 6 and 7 such that both switching transistors 6, 7 or at least the switching transistor 7 block.
- the circuit part 8 For switching the relay 1 from the OFF position to the ON position and for holding the relay 1 in the ON position, the circuit part 8 alternately switches the switching transistor 6 or the switching transistor 7 to the conducting state, that is, the switching transistor after a predetermined timing 6 blocks when the switching transistor 7 conducts, and vice versa.
- the circuit part 8 the Switching transistor 7 switches to the conductive state, then supplies the voltage source 2, a current I 1 , from the positive pole of the voltage source 2 to the positive pole of the capacitor 3 and the negative pole of the capacitor 3 via the diode 4, the relay 1 and the switching transistor 7 to the negative pole of Voltage source 2 flows.
- the capacitor 3 is partially charged, which in turn causes the amplitude of the current I 1 (t) decreases with time t.
- the circuit part 8 blocks the switching transistor 7 and switches the switching transistor 6 in the conductive state. Then, a current I 2 (t) flows from the positive pole of the capacitor 3 via the switching transistor 6, the relay 1 and the diode 5 to the negative pole of the capacitor 3. The current I 2 (t) discharges the capacitor 3 partially. Before now the amplitude of the current I 2 (t) is too small to hold the relay 1 in the ON position, the circuit part 8 blocks the switching transistor 6 and again switches the switching transistor 7 in the conducting state, whereupon the capacitor. 3 is charged again from the voltage source 2.
- FIG. 2 shows, over time, the magnitude of the current I (t) flowing in the ON position through the relay 1 (FIG. 1).
- the amount of current I (t) is always greater than the minimum necessary holding current I H, min.
- This current peak can be supplied by a buffer, in particular an additional capacitor, which has been charged in advance by the voltage source 2 over a comparatively long period of time. Subsequently, the voltage across the relay 1 is reduced by the voltage across the capacitor 3.
- the invention further has the advantage that the voltage source 2 is charged only during the charging, but not during the discharge of the capacitor 3. If a short circuit occurs in the switching transistor 7, then the capacitor 3 is charged and the current I 1 (t) decreases continuously.
- the relay 1 switches to the OFF position. If a short circuit occurs in the switching transistor 6, then the capacitor 3 is discharged and the current I 2 (t) decreases continuously. As soon as the current I 2 (t) is less than a holding current I H , the relay 1 switches to the OFF position.
- FIG. 3 shows a second electronic circuit in which a short circuit of both switching transistors 6 and 7 also causes the relay 1 to be switched off.
- the switching transistors 6 and 7 are connected directly in series.
- the circuit has a bridge rectifier formed from four diodes 9-12, in whose bridge branch the relay 1 is arranged.
- the wiring of the capacitor 3, the bridge rectifier and the relay 1 is shown in FIG. 3.
- the circuit part 8 controls the switching transistors 6 and 7 such that both or one of the switching transistors 6, 7 block.
- the circuit part 8 turns again after a predetermined clock alternately the switching transistor 6 or the switching transistor 7 in the conductive state.
- the switching transistor 7 permanently conducts because of a component error, then first the charging current I 1 (t) flows. Since the capacitor 3 charges, the amplitude of the charging current I 1 (t) decreases continuously. As soon as it is smaller than the minimum necessary holding current I H, min , the relay 1 drops and remains in its OFF position. If the switching transistor 6 permanently conducts because of a component failure then the capacitor 3 discharges until the relay 1 in turn drops because of too low current I 2 (t) and remains in its OFF position. If both switching transistors 6 and 7 are destroyed, for example as a result of overvoltage and permanently conduct, then the voltage source 2 is short-circuited and the relay 1 comes into its OFF position.
- Fig. 4 shows a circuit based on the circuit shown in Fig. 3 and in which a further relay 14 is arranged in a kind of cascade.
- the relay 14, a capacitor 15, a switching transistor 16 and diodes 17 - 19 assigned.
- the circuit is controlled by a microcontroller 20.
- the circuit part 8 has two transistors 21 and 22 and various resistors, a control input 23, two outputs for driving the switching transistors 6, 7 and a further output, which is connected via the diode 19 to the relay 14.
- the wiring is shown in FIG. 4.
- the microcontroller 20 controls the relay 1 via a connected to the control input 23 of the circuit part 8 output 24 dynamically: As long as the microcontroller 20 at the output 24 a negative, static potential leads, which is smaller than the potential of the negative pole of the voltage source 2, the locks Switching transistor 7 and the relay 1 is in its OFF position. Once the microcontroller 20 at the output 24, a square wave signal with the two voltage levels of 0V / -5V and the right one Clock frequency leads, alternately conduct the transistors 7, 21, 22 or 6 and and the relay 1 switches to the ON position.
- the microcontroller 20 controls the relay 14 statically. If a negative voltage of -5 V is present at the output 25 of the microcontroller 20, then the transistor 16 is turned off and the relay 14 remains in the OFF position. Leads the microcontroller 20 at the output 25, the potential of the ground of 0V, then conducts the transistor 16 whenever, even if the switching transistor 6 conducts and the relay 14 enters the ON position.
- the circuit has the peculiarity that the relay 14 is switched into its ON position only when the relay 1 is in its ON position. So as soon as a component error causes the relay 1 falls into its OFF position, the relay 14 also switches to the OFF position.
- relay 14 and ev. Further relay has the advantage that the circuit part 8 is also used for these additional relay, so that the power consumption for the control of the relay can be kept very small. Because of the power-saving control of the 'relay 1 can be used as a voltage source 2 in particular a simple power supply.
- Such circuits are suitable for use in automatic furnaces where, in normal operation, at least two safety relays are connected in series.
- the energy consumption during operation of the relay could also be minimized by switching on the relay in series with the voltage source for a short time a second voltage source is switched on. Then twice as high a current flows when switched on at doubled voltage, i. four times the power.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Schaltung für den energiesparenden Betrieb eines Relais der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
- Das Dokument "
GB-A-1 047 524 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltung vorzuschlagen, die einen energiesparenden Betrieb eines Relais ermöglicht und bei der ein Bauteilfehler zum Abschalten des Relais führt.
- Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- Damit ein Relais von seiner AUS-Stellung in die EIN-Stellung schaltet, muss das Relais mit einem Strom I gespeist werden, der grösser als ein Mindeststrom Imin ist. Nach dem Schalten kann das Relais mit einem Haltestrom IH gespeist werden, der kleiner als der Mindeststrom Imin ist. Gemäss der Erfindung wird das Relais deshalb mit einem Strom I(t) gespeist, dessen Amplitude von der Zeit t abhängt. Der Strom durch das Relais wird während eines ersten Zeitintervalles eines Taktes von einer Spannungsquelle geliefert, wobei der Strom einen Kondensator auflädt. Dabei nimmt die Amplitude des Stromes mit zunehmender Ladespannung über dem Kondensator ab. Bevor die Amplitude kleiner als der minimal nötige Haltestrom IH,min ist, wird während eines zweiten Zeitintervalles des Taktes der Kondensator wieder teilweise entladen, wobei der Entladestrom über das Relais fliesst. Durch das getaktete Laden und Entladen des Kondensators verkleinert sich der Energiebedarf zum Halten des Relais in der EIN-Stellung. Sobald die Schaltung ausfällt, die das Takten bewirkt, fällt das Relais in die AUS-Stellung, was z.B. bei sicherheitsrelevanten Anwendungen erforderlich ist.
- Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- eine erste stromsparende Schaltung zum Betrieb eines Relais,
- Fig. 2
- den zeitlichen Verlauf des durch das Relais fliessenden Stromes,
- Fig. 3
- eine zweite stromsparende Schaltung zum Betrieb des Relais, und
- Fig. 4
- eine stromsparende Schaltung zum Betrieb mehrerer Relais.
- Die Fig. 1 zeigt eine erste elektronische Schaltung mit einem Relais 1, die aus einer Spannungsquelle 2 gespeist ist. Die Spannungsquelle 2 liefert am Pluspol eine gegenüber dem Minuspol positive Spannung. Die Schaltung weist weiter einen Kondensator 3, zwei Dioden 4 und 5, zwei Schalttransistoren 6 und 7 und ein Schaltungsteil 8 zur Ansteuerung der Schalttransistoren 6 und 7 auf. Die Verdrahtung des Relais 1, des Kondensators 3, der Dioden 4, 5 und der Schalttransistoren 6, 7 ist direkt der Fig. 1 zu entnehmen. Befindet sich das Relais 1 in seiner AUS-Stellung, dann steuert das Schaltungsteil 8 die Schalttransistoren 6 und 7 derart an, dass beide Schalttransistoren 6, 7 oder wenigstens der Schalttransistor 7 sperren. Zum Schalten des Relais 1 von der AUS-Stellung in die EIN-Stellung und zum Halten des Relais 1 in der EIN-Stellung schaltet das Schaltungsteil 8 nach einem vorgegebenen Takt abwechslungsweise den Schalttransistor 6 oder den Schalttransistor 7 in den leitenden Zustand, d.h. der Schalttransistor 6 sperrt, wenn der Schalttransistor 7 leitet, und umgekehrt. Wenn das Schaltungsteil 8 den Schalttransistor 7 in den leitenden Zustand schaltet, dann liefert die Spannungsquelle 2 einen Strom I1, der vom Pluspol der Spannungsquelle 2 zum Pluspol des Kondensators 3 und vom Minuspol des Kondensators 3 über die Diode 4, das Relais 1 und den Schalttransistor 7 zum Minuspol der Spannungsquelle 2 fliesst. Dabei wird der Kondensator 3 teilweise aufgeladen, was wiederum bewirkt, dass die Amplitude des Stromes I1(t) mit der Zeit t abnimmt. Bevor nun die Amplitude des Stromes I1(t) zu klein wird, um das Relais 1 in der EIN-Stellung halten zu können, sperrt das Schaltungsteil 8 den Schalttransistor 7 und schaltet den Schalttransistor 6 in den leitenden Zustand. Dann fliesst ein Strom I2(t) vom Pluspol des Kondensators 3 über den Schalttransistor 6, das Relais 1 und die Diode 5 zum Minuspol des Kondensators 3. Der Strom I2(t) entlädt den Kondensator 3 teilweise. Bevor nun die Amplitude der Stromes I2(t) zu klein wird, um das Relais 1 in der EIN-Stellung halten zu können, sperrt das Schaltungsteil 8 den Schalttransistor 6 und schaltet wieder den Schalttransistor 7 in den leitenden Zustand, worauf der Kondensator 3 wieder von der Spannungsquelle 2 aufgeladen wird. Dieses periodische Auf- und Entladen des Kondensators 3 erfolgt solange, wie das Relais 1 in der EIN-Stellung gehalten werden soll. Die Fig. 2 zeigt im zeitlichen Verlauf den Betrag des Stromes I(t), der in der EIN-Stellung durch das Relais 1 (Fig. 1) fliesst. Der Betrag des Stromes I(t) ist immer grösser als der minimal nötige Haltestrom IH,min. Beim Einschalten des Relais 1 wird kurzzeitig ein relativ grosser Strom benötigt, da der Kondensator 3 vollständig entladen ist und die ganze Versorgungsspannung am Relais 1 anliegt. Diese Stromspitze kann von einem Puffer, insbesondere einem zusätzlichen Kondensator, geliefert werden, der vorgängig von der Spannungsquelle 2 über einen vergleichsweise langen Zeitraum aufgeladen wurde. Anschliessend ist die Spannung über dem Relais 1 um die Spannung über dem Kondensator 3 vermindert. Man kann die Schaltung somit auch als sogenannte Stepdown-Schaltung ansehen. Sie bietet den Vorteil, dass als Spannungsquelle 2 ein Netzteil verwendet werden kann, das eine vergleichsweise hohe Spannung von z.B. 54 V, aber im zeitlichen Mittel nur wenig Strom liefern kann. Die Stepdown-Wandlung der Spannung bewirkt zudem, dass nur im Relais Verlustleistung entsteht. Die Leistung zum Betrieb des Relais 1 verringert sich typisch auf einen Viertel der Leistung bei herkömmlicher Beschaltung.
- Die Erfindung bietet weiter den Vorteil, dass die Spannungsquelle 2 nur während des Aufladens, nicht aber während des Entladens des Kondensators 3 belastet wird. Tritt beim Schalttransistor 7 ein Kurzschluss auf, dann wird der Kondensator 3 aufgeladen und der Strom I1(t) nimmt kontinuierlich ab.
- Sobald der Strom I1(t) kleiner als ein Haltestrom IH ist, schaltet das Relais 1 in die AUS-Stellung. Tritt beim Schalttransistor 6 ein Kurzschluss auf, dann wird der Kondensator 3 entladen und der Strom I2(t) nimmt kontinuierlich ab. Sobald der Strom I2(t) kleiner als ein Haltestrom IH ist, schaltet das Relais 1 in die AUS-Stellung.
- Die Fig. 3 zeigt eine zweite elektronische Schaltung, bei der auch ein Kurzschluss beider Schalttransistoren 6 und 7 ein Abschalten des Relais 1 bewirkt. Die Schalttransistoren 6 und 7 sind direkt in Reihe geschaltet. Die Schaltung weist einen aus vier Dioden 9-12 gebildeten Brückengleichrichter auf, in dessen Brückenzweig das Relais 1 angeordnet ist. Die Verdrahtung des Kondensators 3, des Brückengleichrichters und des Relais 1 ist der Fig. 3 zu entnehmen. Zum Halten des Relais 1 in seiner AUS-Stellung steuert das Schaltungsteil 8 die Schalttransistoren 6 und 7 derart an, dass beide oder einer der Schalttransistoren 6, 7 sperren. Zum Schalten des Relais 1 von der AUS-Stellung in die EIN-Stellung und zum Halten des Relais 1 in der EIN-Stellung schaltet das Schaltungsteil 8 wiederum nach einem vorgegebenen Takt abwechslungsweise den Schalttransistor 6 oder den Schalttransistor 7 in den leitenden Zustand. Wenn der Schalttransistor 6 leitet, dann fliesst der Ladestrom I1(t) vom Pluspol der Spannungsquelle 2 über den Schalttransistor 6 zum Pluspol des Kondensators 3 und vom Minuspol des Kondensators 3 über die Diode 9, das Relais 1 und die Diode 10 zum Minuspol der Spannungsquelle 2. Wenn der Schalttransistor 7 leitet, dann fliesst der Entladestrom I2(t) vom Pluspol des Kondensators 3 über den Schalttransistor 7, die Diode 11, das Relais 1 und die Diode 12 zum Minuspol des Kondensators 3.
- Wenn der Schalttransistor 7 wegen eines Bauteilfehlers permanent leitet, dann fliesst zunächst der Ladestrom I1(t). Da sich dabei der Kondensator 3 auflädt, nimmt die Amplitude des Ladestroms I1(t) kontinuierlich ab. Sobald sie kleiner ist als der minimal nötige Haltestrom IH,min, fällt das Relais 1 ab und bleibt in seiner AUS-Stellung. Wenn der Schalttransistor 6 wegen eines Bauteilfehlers permanent leitet dann entlädt sich der Kondensator 3, bis das Relais 1 wiederum wegen zu geringem Strom I2(t) abfällt und in seiner AUS-Stellung bleibt. Wenn beide Schalttransistoren 6 und 7 beispielsweise infolge Überspannung zerstört werden und permanent leiten, dann ist die Spannungsquelle 2 kurzgeschlossen und das Relais 1 gelangt in seine AUS-Stellung.
- In anderer Betrachtungsweise könnte man auch sagen, dass in der EIN-Stellung des Relais im Verbindungspunkt 13 der beiden Schalttransistoren 6 und 7 ein Wechselstrom erzeugt wird, welcher über den Kondensator 3 entkoppelt, über den durch die Dioden 9 - 12 gebildeten Brückengleichrichter gleichgerichtet und dem Relais 1 zugeführt wird. In der AUS-Stellung des Relais 1 liegt am Verbindungspunkt 13 hingegen eine Gleichspannung und der Kondensator 3 verhindert, dass ein Strom durch das Relais 1 fliessen kann.
- Die Fig. 4 zeigt eine Schaltung, die auf der in der Fig. 3 dargestellten Schaltung basiert und bei der ein weiteres Relais 14 in einer Art Kaskade angeordnet ist. Dem Relais 14 sind ein Kondensator 15, ein Schalttransistor 16 und Dioden 17 - 19 zugeordnet. Die Schaltung wird von einem Mikrocontroller 20 gesteuert. Das Schaltungsteil 8 weist zwei Transistoren 21 und 22 und diverse Widerstände, einen Steuereingang 23, zwei Ausgänge zum Ansteuern der Schalttransistoren 6, 7 und einen weiteren Ausgang auf, der über die Diode 19 mit dem Relais 14 verbunden ist. Die Verdrahtung ist der Fig. 4 zu entnehmen.
- Der Mikrocontroller 20 steuert das Relais 1 über einen mit dem Steuereingang 23 des Schaltungsteils 8 verbundenen Ausgang 24 dynamisch an: Solange der Mikrocontroller 20 am Ausgang 24 ein negatives, statisches Potential führt, das kleiner als das Potential des Minuspols der Spannungsquelle 2 ist, sperrt der Schalttransistor 7 und das Relais 1 befindet sich in seiner AUS-Stellung. Sobald der Mikrocontroller 20 am Ausgang 24 ein Rechtecksignal mit den beiden Spannungsniveaus von 0V/-5V und der richtigen Taktfrequenz führt, leiten abwechslungsweise die Transistoren 7, 21, 22 oder 6 und und das Relais 1 schaltet in die EIN-Stellung.
- Über einen Ausgang 25 steuert der Mikrocontroller 20 das Relais 14 statisch an. Liegt am Ausgang 25 des Mikrocontrollers 20 eine negative Spannung von -5V, dann sperrt der Transistor 16 und das Relais 14 bleibt in der AUS-Stellung. Führt der Mikrocontroller 20 am Ausgang 25 das Potential der Masse von 0V, dann leitet der Transistor 16 immer dann, wenn auch der Schalttransistor 6 leitet und das Relais 14 gelangt in die EIN-Stellung.
- Die Schaltung weist die Besonderheit auf, dass das Relais 14 erst dann in seine EIN-Stellung schaltbar ist, wenn das Relais 1 in seiner EIN-Stellung ist. Sobald also ein Bauteilfehler dazu führt, dass das Relais 1 in seine AUS-Stellung fällt, schaltet auch das Relais 14 in die AUS-Stellung.
- Die Möglichkeit der Kaskadierung des Relais 14 und ev. weiterer Relais bietet den Vorteil, dass das Schaltungsteil 8 für diese zusätzlichen Relais mitverwendet wird, so dass der Energieverbrauch für die Ansteuerung der Relais sehr klein gehalten werden kann. Wegen der stromsparenden Ansteuerung der ' Relais 1 kann als Spannungsquelle 2 insbesondere ein einfaches Netzteil verwendet werden.
- Solche Schaltungen eignen sich zur Verwendung in Feuerungsautomaten, wo im ordnungsgemässen Betrieb wenigstens zwei Sicherheitsrelais in Reihe geschaltet sind.
- Der Energieverbrauch beim Betrieb des Relais könnte auch dadurch minimiert werden, dass zum Einschalten des Relais in Reihe zur Spannungsquelle kurzzeitig eine zweite Spannungsquelle zugeschaltet wird. Dann fliesst beim Einschalten bei verdoppelter Spannung ein doppelt so grosser Strom, d.h. die vierfache Leistung.
Claims (3)
- Schaltung zum Betrieb eines Relais (1; 14) mit einer AUS-Stellung und einer EIN-Stellung, wobei das Relais (1; 14) bei einem Bauteilfehler eines beliebigen Elementes der Schaltung die AUS-Stellung einnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass und zwei Dioden (4,5) oder einen aus vier Dioden gebildeten Brückengleichrichter (8,9,10,11) dem Relais ein Kondensator (3; 15) zugeordnet sind und dass Mittel (4, 5, 8; 9, 10, 11, 12, 8) vorhanden sind, die in der EIN-Stellung des Relais (1; 14) den zugeordneten Kondensator (3; 15), das Relais (1; 14) und eine Spannungsquelle (2) in einem vorgegebenen Takt derart beschalten, dass in einem ersten Zeitintervall des Taktes die Spannungsquelle (2) einen Strom liefert, der durch das Relais (1;14) fliesst und den zugeordneten Kondensator (3; 15) teilweise auflädt und dass in einem zweiten Zeitintervall des Taktes der zugeordnete Kondensator (3; 15) den Strom liefert, der durch das Relais (1; 14) fliesst, wobei sich der zugeordnete Kondensator (3; 15) wieder teilweise entlädt, wobei durch das getaktete Laden und Entladen des Kondensators sich der Energie bedarf zum Halten des Relais in der EIN-Stellung verringert.
- Schaltung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Relais (1, 14) vorhanden ist und dass das zweite Relais (14) nur dann die EIN-Stellung einnehmen kann, wenn sich das erste Relais (1) in der EIN-Stellung befindet.
- Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (2) mit einem Puffer, insbesondere einem Kondensator, versehen ist, so dass sie kurzzeitig einen Strom zu liefern vermag, der ausreicht, um das Relais (1; 14) von seiner AUS-Stellung in seine EIN-Stellung zu schalten.
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