EP2845215B1 - Elektromagnetisches relais mit verkürzter schaltdauer - Google Patents

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EP2845215B1
EP2845215B1 EP12732576.9A EP12732576A EP2845215B1 EP 2845215 B1 EP2845215 B1 EP 2845215B1 EP 12732576 A EP12732576 A EP 12732576A EP 2845215 B1 EP2845215 B1 EP 2845215B1
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EP
European Patent Office
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relay
voltage
switch
coil
current
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Kevin Clarke
Martin KRUSS
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP2845215B1 publication Critical patent/EP2845215B1/de
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    • 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
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    • H01H47/02—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
    • 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 switching arrangement with an electromagnetic relay, which has a relay coil and switching contacts, with a voltage source connected to the voltage source and with a drive circuit which is adapted to drive the relay coil by means of a voltage provided by the voltage source.
  • Electromagnetic relays In electrical devices, electromagnetic relays are often used to perform controlled switching operations. Electromagnetic relays usually consist of a relay coil and at least one pair of electrical switching contacts. If the relay coil flows through an electric current, a magnetic field is generated around the relay coil, whereby - in so-called self-opening relay - a closing of the relay contacts is effected, so that a current flow through the relay contacts is possible. If the current flowing through the relay coil current is interrupted again, the movable part of the relay contacts, for example by means of a spring device, moved back to its original position, causing an opening of the relay contacts and interrupts the flow of current through them. For self-closing relays, the contacts are closed in the de-energized state of the relay coil and opened in the current-carrying state.
  • Electromagnetic relays are usually used where by means of a comparatively small control current from a drive circuit, a comparatively larger current in a switching circuit should be switched on or off, and / or where between the drive circuit and the switching circuit galvanic isolation is to be achieved.
  • the electromagnetic relay in this case forms the galvanic decoupling of the drive circuit and the switching circuit.
  • Electromagnetic relays are used, for example, in electrical protective devices for monitoring electrical energy supply networks in order to trigger a tripping of an electrical circuit breaker in the event of a fault in the electrical energy supply network by closing the relay contacts of a so-called "command relay", thus interrupting the fault current.
  • Another use of electromagnetic relays in protective devices is given in so-called binary outputs, where by switching on and off of relays binary communication signals with high signal level (binary "1") or low signal level (binary "0”) can be generated.
  • the requirement is placed on an electromagnetic relay, that in the case of a current flow through the relay coil has the shortest possible response time, so very quickly a switching action of the switching contacts of the relay is triggered.
  • a fast turn-off can also be important.
  • these requirements are placed on relays used for binary outputs of electrical protection or control devices because such binary outputs are used to communicate information to other devices, e.g. additional protection or control devices are used, and the signal propagation time should be kept as short as possible. Therefore, the time from the activation of an electromagnetic relay to the final closing of its switching contacts must be as short as possible.
  • Typical switch-on and switch-off times of electromagnetic relays are currently between about 5 and 15 milliseconds.
  • in order to realize a short switching time of e.g. 7 to 8 milliseconds to relatively expensive relays with high-quality components are used.
  • a switching arrangement for switching an inductive load with movable parts, with an inductive load (2) having a coil with a voltage source connected to the coil and with a drive circuit (3, 4) for driving the coil by means of a Voltage source provided voltage is set up; wherein the drive circuit (3, 4) is adapted to apply an excessive turn-on voltage (Um) to the coil to turn on the inductive load (2), the turn-on voltage being greater than the nominal voltage (Un) of the inductive load; wherein the drive circuit (3, 4) is set up to apply a lower normal voltage (Uh) to the coil during the switch-on process of the inductive load instead of the switch-on voltage, compared to the switch-on voltage (Um), wherein to determine a switchover time, to which the switching to the normal voltage takes place, a coil current flowing through the coil is used; wherein in the current path of the coil, a current detecting means (1) is provided which is adapted to detect a coil current flowing through the coil and for outputting
  • the invention has for its object to provide a way with which a switching arrangement of the type mentioned in structurally simple structure with a shortest possible switching time can be operated.
  • the particular advantage of the invention is that a significantly shorter turn-on time can be achieved with the drive circuit described.
  • the Erdfindung makes use of the knowledge that the magnetic field of the relay coil is built much faster than by applying the bare nominal voltage by the application of a significantly excessive turn-on - and an associated faster rising coil current.
  • the switching contacts as a result of Relative armature moving moving magnetic field, not to damage by a too hard impact on its end position, the application of the turn-on voltage is limited in time.
  • a switching time is provided, to which instead of the increased turn-on voltage, the normal voltage is applied to the relay coil, which is determined by using the coil current.
  • the value of the normal voltage is chosen such that a proper operation of the relay can be ensured without destroying components of the relay or wear above average.
  • the normal voltage may correspond, for example, to the nominal voltage of the relay or be based thereon.
  • the coil current flowing through the relay coil is determined by measurement.
  • the drive circuit evaluates the current signal and can make depending on the current signal in a simple manner, the control of the relay coil with either the excessive turn-on voltage or a normal voltage. Since for the inventive switching arrangement except a voltage source with the ability to provide multiple output voltages, a simple current measurement and the appropriately designed drive circuit no structural elements must be provided, the switching arrangement is correspondingly easy to implement.
  • Another advantage of this embodiment is that with a suitable definition of a maximum coil current damage to the relay coil can be excluded by a too high coil current.
  • a further advantageous embodiment of the second embodiment of the switching arrangement according to the invention is given by the fact that the drive circuit is adapted to apply after the switching time a voltage pulse with respect to the normal voltage reverse polarity to the relay coil and after the end of this voltage pulse, the application of the normal voltage to the relay coil continue.
  • the drive circuit is adapted to reduce after switching on the relay, the current flowing through the coil coil current to a minimum value, which is adapted to the relay contacts in the keep switched on position.
  • the power consumption of the relay can be reduced during the holding phase.
  • the reduced coil current is to be chosen so that a reliable hold in the closed position can be ensured.
  • a further advantageous embodiment of the second embodiment of the switching arrangement according to the invention also provides that the drive circuit is adapted to apply a counter voltage provided by the voltage source to the relay coil to turn off the relay, the reverse voltage with respect to the normal voltage in reverse Polarity is present and in terms of their amount is greater than the rated voltage of the relay.
  • the drive circuit is set up to terminate the application of the counter voltage after a predetermined switch-off period has elapsed, before the switch-off process has been completed.
  • the relay armature is not moved too violently in its rest position in the case of a polarity-reversed relay or unintentional reclosing is prevented in an unpoled relay.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the switching time selected in such a way is that a maximum coil current is not exceeded.
  • a counter-voltage is applied to the relay coil, wherein the counter-voltage relative to the normal voltage is in reverse polarity and greater in terms of their amount as the rated voltage of the relay.
  • FIG. 1 shows a diagram with measured waveforms of currents and voltages in unaccelerated switching on a relay over time t.
  • the voltage waveform 11a indicates the coil voltage applied to the relay coil
  • the current waveform 11b indicates the coil current flowing through the coil
  • the voltage waveform 11c indicates the load voltage applied to a load connected through the relay.
  • a coil voltage of the magnitude of a normal voltage U N which is oriented, for example, at the value of the nominal voltage indicated for the relay, is applied to the relay coil (coil voltage profile 11a).
  • This causes an increase of the coil current (current waveform 11b) during a first period T 1 , until after expiration of T 1, a maximum of the coil current is reached and the relay armature of the relay begins to move.
  • the movement of the relay armature during a second period T 2 leads to a closing of the relay contacts.
  • the movement process of the relay armature is completed; the relay armature is in its end position and the relay contacts in its closed position.
  • the switching arrangement 20 comprises an electromagnetic relay 21 having a relay coil 21a, a relay armature 21b and schematically indicated relay contacts 21c for closing and interrupting a switching current path 22, not further described below, to which any electrical load can be connected.
  • the switching arrangement further comprises a drive circuit 23, consisting of an energy storage device, which in the embodiment of the FIG. 2 only by way of example in the form of a capacitor device 24, as well as a switching device 25 comprising three individual switches 25a, 25b and 25c-in the present exemplary embodiment.
  • the drive device 23 is designed to supply to the relay coil 21a either one by one in FIG. 2 not explicitly shown voltage source provided normal voltage U N or a comparatively higher turn-on voltage U E apply.
  • FIG. 3 is a graph showing measured waveforms of currents and voltages when in accordance with the switching arrangement 20.
  • FIG FIG. 2 accelerated turning on a relay over time t. Specifically, the voltage waveform 31a indicates the coil voltage applied to the relay coil, the current waveform 31b indicates the coil current flowing through the coil, and the voltage waveform 31c indicates the load voltage applied to a load connected through the relay.
  • the switching device 25 is excited to switch to an active state.
  • the switch 25a is opened while the switches 25b and 25c are closed.
  • the starting voltage U E prevailing in the capacitor device 24 is applied to the relay coil 21 a.
  • Due to the higher in comparison to the normal voltage U N turn-on voltage U E a higher coil current is driven through the relay coil 21a in a relatively short time when it is at unaccelerated power (see. FIG. 1 ).
  • a faster structure of the magnetic field is effected, so that after a significantly shorter period of time T 1 already uses a movement of the coil armature 21b.
  • the switch-on is completed and the relay contacts 21c are in their closed position.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a second embodiment of a switching arrangement 40 is shown.
  • the switching arrangement 40 comprises an electromagnetic relay 41 with a relay coil 41a, a relay armature 41b and schematically indicated relay contacts 41c for closing and interrupting a switching-current path 42, not further described in the following, to which any electrical load can be connected.
  • the switching arrangement 40 has a voltage source 43, which is set up to provide various voltages on the output side, a drive circuit 44, which is set up to drive the relay coil 41a with different voltages provided by the voltage source 43, and a current measuring device 45, which is intended for detection of the coil current flowing through the relay coil 11a and for supplying a corresponding current signal to the drive circuit.
  • the switching arrangement may also have a current limiting device 46 connected to the drive circuit 44, for example a controlled constant current source, in the current path of the relay coil 41a.
  • the drive circuit 44 is designed to ensure a comparatively fast switching on and off of the relay 41.
  • the drive circuit 44 is applied to the relay coil 41a when switching briefly with an excessive turn-on voltage U E and when turned off briefly with a reversed reverse voltage U G.
  • a lower normal voltage U N is otherwise used.
  • the normal voltage U N , the turn-on voltage U E and the reverse voltage U G are provided on the output side by the voltage source 43.
  • the drive circuit 44 can switch between the individual voltages U N , U E and U G by means of a changeover switch 47, which is indicated only by way of example.
  • FIG. 5 a diagram in which voltage or current waveforms over the time t are shown schematically.
  • the voltage waveform 51a indicates the coil voltage applied to the relay coil 41a
  • the current waveform 51b indicates the coil current flowing through the coil
  • the voltage waveform 51c indicates the load voltage applied to a load connected through the relay 41.
  • the drive circuit 44 is supplied with a switch-on command;
  • a switch-on command may, for example, have been generated by a control device of an electrical protective device comprising the switching arrangement 40 for monitoring power supply networks, in order to cause the relay 41 to drive a circuit breaker connected to the protective device.
  • the turn-on voltage U E is an excessive voltage compared to the rated voltage for which the relay 41 is designed by the manufacturer.
  • the rated voltage is 5V; the value of the turn-on voltage U E is set to 20V in this embodiment.
  • the comparatively high turn-on voltage U E applied to the relay coil 41a drives a high inrush current through the coil 41a, so that the magnetic field of the relay coil 41a is faster than when the nominal voltage is applied builds.
  • the relatively rapidly increasing coil current can be recognized from the current profile 51b within a time period T 1 in which the field charging of the magnetic field takes place.
  • the relay armature 41b does not move, the switching contacts 41c remain in the open position.
  • the time period T 1 can be compared with the un-accelerated switch-on (cf. FIG. 1 ), because the charging of the magnetic field by the corresponding higher coil current takes place faster.
  • the relay armature 41 b moves during a subsequent period T 2 and actuates the switching contacts 41 c of the relay 41.
  • the excessive turn-on voltage U E must be taken back in time and the value of a normal voltage U N , their value, for example may correspond to the rated voltage of the relay or at least oriented to be reduced.
  • the switching time t U at which the switchover from the switch-on voltage U E to the normal voltage U N is to take place, is derived from the current profile 51b of the coil current.
  • the coil current with the current measuring device 45 for example a current sensor, is measured and a current signal is generated, which is supplied to the drive circuit 44 and evaluated by the latter for determining the switchover time t U.
  • the height of the current signal indicating the coil current can be selected.
  • the switching time t U is set as the time at which the current signal exceeds a specified threshold.
  • FIG. 5 it can be seen that when reaching of the maximum permissible current I max the switching time t U is set.
  • - can be selected as a criterion for determining the switching time t U and the value of the slope of the coil current indicating current signal.
  • the slope of the current profile 51b decreases continuously with greater formation of the magnetic field and finally reaches the value zero at maximum saturation; the relay armature now starts to move. Therefore, it can be set as the criterion that the switching time t U is set as the time at which the slope of the current signal falls below a predetermined threshold. This threshold should be set to detect the changeover timing in good time before reaching zero current slope.
  • the current signal can be stored repeatedly and the slope calculated from two successive values of the current signal.
  • the magnetic field is maintained by the normal voltage U N.
  • the drive circuit in the holding phase of the relay the current limiting device 46 corresponding to the reduction of the coil current (not in the diagram in FIG. 5 shown).
  • the reduced coil current must be selected so that a safe hold of the relay is ensured in the on state.
  • the time of power reduction must be sufficiently long after the start of the switch-on, so that the switching on of the relay 41 is not hindered.
  • the drive circuit for example, after expiry of a waiting time that is significantly longer than the usual switch-on, cause the current limiting device 46 to reduce power.
  • the waiting time can be selected, for example, at a value of about 50ms.
  • FIG. 6 shows a diagram in which voltage or current waveforms over the time t are shown schematically. Specifically, the voltage waveform 61a indicates the coil voltage applied to the relay coil 41a, the current waveform 61b indicates the coil current flowing through the coil, and the voltage waveform 61c indicates the load voltage applied to a load connected through the relay 41.
  • the negative voltage pulse 62 is delivered with. Time and magnitude of the negative voltage pulse must be chosen so that the movement of the relay armature 41b is not interrupted in order not to hinder the switch-on.
  • a counter voltage U G provided by the voltage source can be used for the voltage pulse.
  • the normal voltage U N is again applied to the relay coil 41a.
  • the switching contacts 41c of the relay 41 touch for the first time and briefly spring back, which is referred to as so-called "contact bounce".
  • the load voltage on the switching side of the relay 41 is constructed, which can be seen in the voltage curve 61c. Due to the contact bounce, on the one hand, the wear of the relay is increased and, on the other hand, the period T 2 is extended until the final closing of the switching contacts 41c. Therefore, the effect of contact bounce should be minimized.
  • This also contributes to the negative voltage pulse 62, as this is the relay armature 41b and thus also the switching contacts 41c targeted the momentum of their movement is taken.
  • the voltage waveform 71a indicates the coil voltage applied to the relay coil 41a
  • the current waveform 71b indicates the coil current flowing through the coil
  • the voltage waveform 71c indicates the load voltage applied to the load connected through the relay 41.
  • a switch-off command is transmitted to the drive circuit 44.
  • the drive circuit 44 causes, instead of the normal voltage U N, a countervoltage U G provided by the voltage source to be applied to the relay coil 41 a.
  • This counter voltage accelerates the degradation of the magnetic field and thus reduces the time period T 4 used for this purpose.
  • the counter voltage can be selected in the present embodiment (rated voltage of the relay: 5V), for example, at a value of -12V.
  • the relay armature 41b can no longer be held in its switched-on position and begins to move in the direction of the rest position.
  • the period of movement of the relay armature 41b to its final OFF position is in FIG. 7 indicated as T 5 .
  • T 5 breaks through the opening of the switching contacts 41c and the load voltage, which can be seen on the voltage curve 71c.
  • a coil current is again induced in the relay coil, which degrades gradually again after reaching the rest position at the end of the period T 5 .
  • both the coil voltage and the load voltage are at a value of zero, the relay is in its off position.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung mit einem elektromagnetischen Relais, das eine Relaisspule und Schaltkontakte aufweist, mit einer mit der Relaisspule verbundenen Spannungsquelle und mit einer Ansteuerschaltung, die zur Ansteuerung der Relaisspule mittels einer durch die Spannungsquelle bereitgestellten Spannung eingerichtet ist.
  • In elektrischen Geräten werden zur Durchführung von gesteuerten Schalthandlungen häufig elektromagnetische Relais eingesetzt. Elektromagnetische Relais bestehen üblicherweise aus einer Relaisspule und zumindest einem Paar elektrischer Schaltkontakte. Wird die Relaisspule von einem elektrischen Strom durchflossen, so wird um die Relaisspule ein Magnetfeld erzeugt, wodurch - bei sogenannten selbstöffnenden Relais - ein Schließen der Relaiskontakte bewirkt wird, so dass ein Stromfluss über die Relaiskontakte möglich ist. Wird der durch die Relaisspule fließende Strom wieder unterbrochen, so wird der bewegliche Teil der Relaiskontakte, beispielsweise mittels einer Federeinrichtung, in seine Ausgangslage zurückbewegt, was ein Öffnen der Relaiskontakte bewirkt und den Stromfluss über diese unterbricht. Bei selbstschließenden Relais sind die Kontakte im stromlosen Zustand der Relaisspule geschlossen und im stromdurchflossenen Zustand geöffnet.
  • Elektromagnetische Relais werden üblicherweise dort eingesetzt, wo mittels eines vergleichsweise geringen Steuerstromes aus einem Ansteuerstromkreis ein vergleichsweise größerer Strom in einem Schaltstromkreis ein- oder ausgeschaltet werden soll, und/oder dort, wo zwischen dem Ansteuerstromkreis und dem Schaltstromkreis eine galvanische Trennung erreicht werden soll. Das elektromagnetische Relais bildet in diesem Fall die galvanische Entkopplung des Ansteuerstromkreises und des Schaltstromkreises.
  • Elektromagnetische Relais werden beispielsweise in elektrischen Schutzgeräten zur Überwachung elektrischer Energieversorgungsnetze eingesetzt, um im Falle eines Fehlers (z.B. eines Kurzschlusses) in dem elektrischen Energieversorgungsnetz durch Schließen der Relaiskontakte eines sogenannten "Kommandorelais" eine Auslösung eines elektrischen Leistungsschalters zu veranlassen und so den Fehlerstrom zu unterbrechen. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit elektromagnetischer Relais in Schutzgeräten ist bei sogenannten Binärausgängen gegeben, wo durch Ein- bzw. Ausschalten von Relais binäre Kommunikationssignale mit hohem Signalpegel (binäre "1") oder niedrigem Signalpegel (binäre "0") erzeugt werden können.
  • Bei einigen Anwendungsfällen wird an ein elektromagnetisches Relais die Anforderung gestellt, dass es im Falle eines Stromflusses durch die Relaisspule eine möglichst kurze Ansprechzeit aufweist, also sehr schnell eine Schalthandlung der Schaltkontakte des Relais ausgelöst wird. Neben einer möglichst kurzen Einschaltzeit kann auch ein schnelles Ausschalten von Bedeutung sein. Diese Anforderungen werden beispielsweise an solche Relais gestellt, die für Binärausgänge von elektrischen Schutz- oder Steuergeräten eingesetzt werden, weil solche Binärausgänge zur Übermittlung von Informationen an andere Geräte, z.B. weitere Schutz- oder Steuergeräte, eingesetzt werden und die Signallaufzeit hierbei möglichst kurz gehalten werden soll. Daher muss die Zeitdauer von der Ansteuerung eines elektromagnetischen Relais bis zum endgültigen Schließen seiner Schaltkontakte möglichst kurz sein. Typische Einschalt- und Ausschaltzeiten von elektromagnetischen Relais liegen bisher zwischen etwa 5 und 15 Millisekunden. Bisher musste zur Realisierung einer kurzen Schaltzeit von z.B. 7 bis 8 Millisekunden auf vergleichsweise teure Relais mit hochwertigen Bauteilen zurückgegriffen werden.
  • Zur Realisierung eines elektromagnetischen Relais mit einer möglichst kurzen Ansprechzeit ist es außerdem beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 03 682 A1 bekannt, parallel zu den Schaltkontakten des elektromagnetischen Relais einen Halbleiterschalter einzusetzen, der aufgrund des Fehlens mechanisch bewegter Teile eine sehr schnelle Ansprechzeit aufweist und bis zum endgültigen Schließen der Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais die Herstellung eines Stromflusses gewährleisten kann. Ein solcher Halbleiterschalter muss in diesem Fall dazu ausgebildet sein, einen vergleichsweise hohen Strom führen zu können, da der gesamte Strom des Schaltstromkreises bis zum Schließen der Schaltkontakte des Relais über den Halbleiterschalter fließen muss.
  • Ferner offenbart DE 100 03 531 A1 eine Schaltanordnung zum Schalten einer induktiven Last mit bewegbaren Teilen, mit einer induktiven Last (2), die eine Spule aufweist, mit einer mit der Spule verbundenen Spannungsquelle und mit einer Ansteuerschaltung (3, 4), die zur Ansteuerung der Spule mittels einer durch die Spannungsquelle bereitgestellten Spannung eingerichtet ist; wobei die Ansteuerschaltung (3, 4) dazu eingerichtet ist, zum Einschalten der induktiven Last (2) eine überhöhte Einschaltspannung (Um) an die Spule anzulegen, wobei die Einschaltspannung größer ist als die Nennspannung (Un) der induktiven Last ist; wobei die Ansteuerschaltung (3, 4) dazu eingerichtet ist, während des Einschaltvorgangs der induktiven Last anstelle der Einschaltspannung eine von der Spannungsquelle bereitgestellte, im Vergleich zur Einschaltspannung (Um) geringere Normalspannung (Uh) an die Spule anzulegen, wobei zur Bestimmung eines Umschaltzeitpunktes, zu dem die Umschaltung auf die Normalspannung erfolgt, ein durch die Spule fließender Spulenstrom herangezogen wird; wobei im Strompfad der Spule eine Stromerfassungseinrichtung (1) vorgesehen ist, die zur Erfassung eines durch die Spule fließenden Spulenstroms und zur Abgabe eines den Spulenstrom angebenden Stromsignals (6) an die Ansteuerschaltung (3, 4) eingerichtet ist; und wobei die Ansteuerschaltung (3, 4) zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes (T1), zu dem die Umschaltung von der Einschaltspannung (Um) auf die Normalspannung (Uh) erfolgt, das Stromsignal (6) heranzieht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, mit der eine Schaltanordnung der eingangs genannten Art bei konstruktiv einfachem Aufbau mit einer möglichst kurzen Schaltzeit betrieben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass mit der beschriebenen Ansteuerschaltung eine deutlich kürzere Einschaltzeit erreicht werden kann. Hierzu macht sich die Erdfindung die Erkenntnis zunutze, dass durch das Anlegen einer deutlich überhöhten Einschaltspannung - und einem damit verbundenen schneller ansteigenden Spulenstrom - das Magnetfeld der Relaisspule wesentlich schneller aufgebaut wird als es bei einem Anlegen der bloßen Nennspannung der Fall wäre. Um das Relais, insbesondere den die Schaltkontakte in Folge des einwirkenden Magnetfeldes bewegenden Relaisanker, nicht durch einen zu harten Aufprall auf seine Endlage zu beschädigen, wird das Anlegen der Einschaltspannung zeitlich begrenzt. Hierzu wird ein Umschaltzeitpunkt vorgesehen, zu dem anstelle der erhöhten Einschaltspannung die Normalspannung an die Relaisspule angelegt wird, der unter Heranziehung des Spulenstroms bestimmt wird.
  • Der Wert der Normalspannung ist dabei derart gewählt, dass ein ordnungsgemäßer Betrieb des Relais gewährleistet werden kann, ohne Bauteile des Relais zu zerstören oder überdurchschnittlich zu verschleißen. Die Normalspannung kann beispielsweise der Nennspannung des Relais entsprechen oder sich daran orientieren.
  • Bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist vorgesehen, dass im Strompfad der Relaisspule eine Stromerfassungseinrichtung vorgesehen ist, die zur Erfassung eines durch die Relaisspule fließenden Spulenstroms und zur Abgabe eines den Spulenstrom angebenden Stromsignals an die Ansteuereinrichtung eingerichtet ist, und die Ansteuerschaltung zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes, zu dem die Umschaltung von der Einschaltspannung auf die Normalspannung erfolgt, das Stromsignal heranzieht.
  • Bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung wird der durch die Relaisspule fließende Spulenstrom durch Messung bestimmt. Die Ansteuerschaltung wertet das Stromsignal aus und kann abhängig vom Stromsignal in einfacher Weise die Ansteuerung der Relaisspule mit entweder der überhöhten Einschaltspannung oder einer Normalspannung vornehmen. Da für die erfindungsgemäße Schaltanordnung außer einer Spannungsquelle mit der Möglichkeit, mehrere Ausgangsspannungen bereitzustellen, einer einfachen Strommessung und der entsprechend ausgestalteten Ansteuerschaltung keine konstruktiven Elemente vorgesehen sein müssen, ist die Schaltanordnung entsprechend einfach zu realisieren.
  • Bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes den Wert des Spulenstroms heranzuziehen und den Umschaltzeitpunkt auf denjenigen Zeitpunkt festzulegen, zu dem der Wert des Spulenstromes einen ersten Stromschwellenwert überschreitet.
  • Hierdurch kann unter Verwendung eines relativ einfach zu überwachenden Kriteriums, nämlich dem Wert des Spulenstromes im Vergleich zu einem ersten Schwellenwert, eine Festlegung des Umschaltzeitpunktes durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass bei geeigneter Festlegung eines maximalen Spulenstromes eine Beschädigung der Relaisspule durch einen zu hohen Spulenstrom ausgeschlossen werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist dadurch gegeben, dass die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, nach dem Umschaltzeitpunkt einen Spannungsimpuls mit bezogen auf die Normalspannung umgekehrter Polung an die Relaisspule anzulegen und nach dem Ende dieses Spannungsimpulses das Anlegen der Normalspannung an die Relaisspule fortzusetzen. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, dass zum Einschalten des Relais ein höherer Einschaltstrom gewählt werden kann, ohne dass der Relaisanker zu heftig gegen seine Endlage bewegt wird, weil durch den negativen Spannungsimpuls ein gezielter Abbau des Magnetfeldes stattfinden kann und damit ein Ende der Beschleunigung oder - im Falle eines gepolten Relais - sogar ein Abbremsen des Relaisankers bewirkt werden kann. Durch die Wahl einer höheren Einschaltspannung kann die Bewegungsphase des Relaisankers verkürzt werden, da hierdurch insgesamt ein stärkeres Magnetfeld durch die Relaisspule erzeugt wird, das den Relaisanker antreibt. Zusätzlich kann durch die gezielte Abgabe des negativen Spannungsimpulses auch eine Verringerung des Kontaktprellens der Relaiskontakte erreicht werden, da die Kontakte sanfter aufeinandertreffen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist zudem vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, nach dem Einschalten des Relais, den durch die Relaisspule fließenden Spulenstrom auf einen minimalen Wert zu reduzieren, der dazu geeignet ist, die Relaiskontakte in der eingeschalteten Stellung zu halten.
  • Hierdurch kann die Leistungsaufnahme des Relais während der Haltephase verringert werden. Der reduzierte Spulenstrom ist hierbei so zu wählen, dass ein zuverlässiges Halten in der Einschaltstellung gewährleistet werden kann.
  • Konkret kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, die Reduzierung des Spulenstroms nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit nach dem Beginn des Einschaltens des Relais vorzunehmen.
  • Durch die Vorgabe der Wartezeit soll gewährleistet werden, dass der Einschaltvorgang auf jeden Fall abgeschlossen ist, bevor der Spulenstrom zur Leistungsverringerung reduziert wird. Die Wartezeit kann z.B. bei etwa 50 ms gewählt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltanordnung sieht zudem vor, dass die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, zum Ausschalten des Relais eine von der Spannungsquelle bereitgestellte Gegenspannung an die Relaisspule anzulegen, wobei die Gegenspannung bezogen auf die Normalspannung in umgekehrter Polung vorliegt und hinsichtlich ihres Betrags größer ist als die Nennspannung des Relais.
  • Durch das Anlegen der Gegenspannung kann ein schnellerer Abbau des Magnetfeldes erreicht werden, so dass der Relaisanker in seine Ruhelage zurückgeführt werden kann. Als besonders vorteilhaft wird die Kombination des Anlegens der Gegenspannung mit einem reduzierten Spulenstrom in der Haltephase angesehen, da durch den reduzierten Spulenstrom, das Magnetfeld bereits vor dem eigentlichen Ausschaltvorgang schwächer ausgebildet ist, als es bei einem hohen fließenden Spulenstrom wäre.
  • In diesem Zusammenhang kann konkret vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung dazu eingerichtet ist, nach Ablauf einer vorgegebenen Ausschaltzeitdauer das Anlegen der Gegenspannung zu beenden, bevor der Ausschaltvorgang abgeschlossen ist. Hierdurch kann wiederum erreicht werden, dass der Relaisanker im Falle eines gepolten Relais nicht zu heftig in seine Ruhelage bewegt wird bzw. bei einem ungepolten Relais ein ungewolltes Wiedereinschalten verhindert wird.
  • Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Umschaltzeitpunkt derart gewählt wird, dass ein maximaler Spulenstrom nicht überschritten wird.
  • Um auch ein beschleunigtes Ausschalten erreichen zu können, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, dass zum Ausschalten des Relais eine Gegenspannung an die Relaisspule angelegt wird, wobei die Gegenspannung bezogen auf die Normalspannung in umgekehrter Polung vorliegt und hinsichtlich ihres Betrags größer ist als die Nennspannung des Relais.
  • In diesem Zusammenhang kann zudem vorgesehen sein, dass nach Ablauf einer vorgegebenen Ausschaltzeitdauer das Anlegen der Gegenspannung beendet wird, bevor der Ausschaltvorgang abgeschlossen ist.
  • Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausführungsformen wird auf die obigen Erläuterungen bzgl. der erfindungsgemäßen Schaltanordnung verwiesen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierzu zeigen
    • Figur 1
    ein Diagramm zur Erläuterung der Verläufe von Strömen und Spannungen während des nicht beschleunigten Einschaltens eines Relais;
    Figur 2
    ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Schaltanordnung mit einem elektromagnetischen Relais;
    Figur 3
    ein Diagramm zur Erläuterung der Verläufe von Strömen und Spannungen während des beschleunigten Einschaltens des Relais gemäß der ersten Ausführungsform der Schaltanordnung;
    Figur 4
    ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Schaltanordnung mit einem elektromagnetischen Relais;
    Figur 5
    ein erstes Diagramm zur Erläuterung der Verläufe von Strömen und Spannungen während des Einschaltens des Relais gemäß der zweiten Ausführungsform der Schaltanordnung;
    Figur 6
    ein zweites Diagramm zur Erläuterung der Verläufe von Strömen und Spannungen während des Einschaltens des Relais gemäß der zweiten Ausführungsform der Schaltanordnung; und
    Figur 7
    ein Diagramm zur Erläuterung der Verläufe von Strömen und Spannungen während des Ausschaltens des Relais gemäß der zweiten Ausführungsform der Schaltanordnung.
  • Figur 1 zeigt ein Diagramm mit gemessenen Verläufen von Strömen und Spannungen beim unbeschleunigten Einschalten eines Relais über der Zeit t. Konkret gibt der Spannungsverlauf 11a die an die Relaisspule angelegte Spulenspannung, der Stromverlauf 11b den durch die Spule fließenden Spulenstrom und der Spannungsverlauf 11c die an einer durch das Relais geschalteten Last anliegende Lastspannung an.
  • Die folgenden Ausführungen werden lediglich beispielhaft für ein Relais des Typs "Schließer" gemacht, also einem Relais, das bei Anregung der Relaisspule ausgangsseitig seine Kontakte schließt. Die beschriebene Vorgehensweise kann ohne weiteres auch auf Relais des Typs "Öffner" oder Umschaltrelais angewandt werden.
  • Zum Zeitpunkt t=0 wird eine Spulenspannung von der Größe einer Normalspannung UN, die sich z.B. am Wert der für das Relais angegebenen Nennspannung orientiert, an die Relaisspule angelegt (Spulenspannungsverlauf 11a). Dies bewirkt einen Anstieg des Spulenstromes (Stromverlauf 11b) während eines ersten Zeitraums T1, bis nach Ablauf von T1 ein Maximum des Spulenstromes erreicht ist und der Relaisanker des Relais sich zu bewegen beginnt. Die während eines zweiten Zeitraums T2 erfolgende Bewegung des Relaisankers führt, wie am Spannungsverlauf 11c der Lastspannung ersichtlich ist, zu einem Schließen der Relaiskontakte. Schließlich ist nach Ablauf des Zeitraums T2 der Bewegungsvorgang des Relaisankers abgeschlossen; der Relaisanker befindet sich in seiner Endlage und die Relaiskontakte in ihrer geschlossenen Stellung.
  • Um den die gesamte Zeitdauer T1+T2 benötigenden Einschaltvorgang des Relais zu beschleunigen, wird nunmehr zum Einschalten anstelle der Normalspannung eine vergleichsweise höhere Einschaltspannung an die Relaisspule angelegt. Um das Relais dabei nicht zu beschädigen oder eine erhöhte Abnutzung zu bewirken, wird zu einem Umschaltzeitpunkt anstelle der überhöhten Einschaltspannung wieder die Normalspannung an die Relaisspule angelegt.
  • Im Folgenden sollen zwei beispielhafte Ausführungsformen erläutert werden, mit denen ein beschleunigter Schaltvorgang eines Relais erreicht werden kann.
  • Hierzu ist in Figur 2 in höchstschematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltanordnung 20 gezeigt. Die Schaltanordnung 20 umfasst ein elektromagnetisches Relais 21 mit einer Relaisspule 21a, einem Relaisanker 21b und schematisch angedeuteten Relaiskontakten 21c zum Schließen und Unterbrechen eines im Weiteren nicht näher dargestellten Schaltstrompfades 22, an den eine beliebige elektrische Last angeschlossen sein kann. Die Schaltanordnung umfasst außerdem eine Ansteuerschaltung 23, bestehend aus einer Energiespeichereinrichtung, die im Ausführungsbeispiel der Figur 2 lediglich beispielhaft in Form einer Kondensatoreinrichtung 24 ausgeführt ist, sowie einer - im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft - drei einzelne Schalter 25a, 25b und 25c umfassenden Schalteinrichtung 25. Die Ansteuereinrichtung 23 ist dazu eingerichtet, an die Relaisspule 21a entweder eine durch eine in Figur 2 nicht explizit gezeigte Spannungsquelle bereitgestellte Normalspannung UN oder eine vergleichsweise höhere Einschaltspannung UE anzulegen.
  • Die Funktionsweise der in Figur 2 gezeigten Schaltanordnung 20 beim Einschalten des Relais 21 soll anhand von Figur 3 näher erläutert werden. Figur 3 zeigt ein Diagramm mit gemessenen Verläufen von Strömen und Spannungen beim mit der Schaltanordnung 20 gemäß Figur 2 beschleunigten Einschalten eines Relais über der Zeit t. Konkret gibt der Spannungsverlauf 31a die an die Relaisspule angelegte Spulenspannung, der Stromverlauf 31b den durch die Spule fließenden Spulenstrom und der Spannungsverlauf 31c die an einer durch das Relais geschalteten Last anliegende Lastspannung an.
  • Vor dem Einschalten des Relais zum Zeitpunkt t=0 befindet sich die Schalteinrichtung 25 in einer Ruhestellung, bei der der Schalter 25a geschlossen ist, während die Schalter 25b und 25c geöffnet sind. Durch den Schalter 25a wird die Kondensatoreinrichtung 24 mit der überhöhten Einschaltspannung UE aufgeladen. Da die Schalter 25b und 25c geöffnet sind, liegt an der Relaisspule 21 keine Spannung an, so dass kein Spulenstrom fließt und das Relais in seiner geöffneten Stellung verharrt.
  • Zum Zeitpunkt t=0 wird die Schalteinrichtung 25 zur Umschaltung in einen Aktivzustand angeregt. Hierbei wird der Schalter 25a geöffnet, während die Schalter 25b und 25c geschlossen werden. Hierdurch wird an die Relaisspule 21a die in der Kondensatoreinrichtung 24 vorherrschende Einschaltspannung UE angelegt. Aufgrund der im Vergleich zur Normalspannung UN höheren Einschaltspannung UE wird in vergleichsweise kurzer Zeit ein höherer Spulenstrom durch die Relaisspule 21a getrieben als es beim unbeschleunigten Einschalten (vgl. Figur 1) erfolgte. Hierdurch wird ein schnellerer Aufbau des Magnetfeldes bewirkt, so dass nach einem deutlich kürzeren Zeitraum T1 bereits eine Bewegung des Spulenankers 21b einsetzt. Nach Ablauf des Zeitraums T2 ist der Einschaltvorgang abgeschlossen und die Relaiskontakte 21c befinden sich in ihrer geschlossenen Stellung.
  • Da sich die Kondensatoreinrichtung 24 während des Zeitraums T1 über die Relaisspule 21a entlädt und dabei einen vergleichsweise hohen Einschaltstrom bewirkt, nimmt die Spulenspannung wie am Spannungsverlauf 31a zu erkennen kontinuierlich ab, bis zum Umschaltzeitpunkt t=tU anstelle der Einschaltspannung UE schließlich die durch den Schalter 25c an die Relaisspule 21a angelegte Normalspannung UN zum Tragen kommt.
  • Bei der Schaltanordnung gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel kann allein durch eine geeignete Wahl der Werte für die Einschaltspannung UE und die Kapazität der Kondensatoreinrichtung 24 ein Verlauf des Spulenstroms beim Einschalten erreicht werden, der einen maximal erlaubten Wert nicht überschreitet. Durch Bestimmung der während des unbeschleunigten Einschaltvorgangs über die Relaisspule 21a fließenden Ladungsmenge, die während des beschleunigten Einschaltens von der Kondensatoreinrichtung 24 zur Verfügung gestellt werden muss, lassen sich unter der Randbedingung des gegebenen maximalen Spulenstroms, der beispielsweise vom Relaishersteller im Datenblatt des Relais 21 angegeben wird, die gesuchten Werte für Einschaltspannung UE und Kapazität der Kondensatoreinrichtung berechnen. Die Schaltanordnung 20 gemäß Figur 2 besitzt folglich den Vorteil, dass allein durch ihre Auslegung unter Berücksichtigung des maximal erlaubten Spulenstroms ein beschleunigtes Einschalten des Relais 21 ermöglicht wird. Beispielsweise kann für ein Relais mit einer Nennspannung von 5V durch Wahl einer Einschaltspannung von etwa 24,5 V und einer Kapazität der Kondensatoreinrichtung 24 von etwa 2,2µF eine deutliche Reduzierung der benötigten Schaltzeit erreicht werden.
  • In Figur 4 ist in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltanordnung 40 gezeigt. Die Schaltanordnung 40 umfasst ein elektromagnetisches Relais 41 mit einer Relaisspule 41a, einem Relaisanker 41b und schematisch angedeuteten Relaiskontakten 41c zum Schließen und Unterbrechen eines im Weiteren nicht näher dargestellten Schaltstrompfades 42, an den eine beliebige elektrische Last angeschlossen sein kann. Außerdem weist die Schaltanordnung 40 eine Spannungsquelle 43, die dazu eingerichtet ist, ausgangsseitig verschiedene Spannungen bereitzustellen, eine Ansteuerschaltung 44, die zur Ansteuerung der Relaisspule 41a mit unterschiedlichen, durch die Spannungsquelle 43 bereitgestellten Spannungen eingerichtet ist, und eine Strommesseinrichtung 45 auf, die zur Erfassung des durch die Relaisspule 11a fließenden Spulenstromes und zur Abgabe eines entsprechenden Stromsignals an die Ansteuerschaltung eingerichtet ist. Optional kann die Schaltanordnung auch eine mit der Ansteuerschaltung 44 verbundene Strombegrenzungseinrichtung 46, z.B. eine gesteuerte Konstantstromquelle, im Strompfad der Relaisspule 41a, aufweisen.
  • Die Ansteuerschaltung 44 ist dazu ausgebildet, ein vergleichsweise schnelles Ein- und Ausschalten des Relais 41 zu gewährleisten. Hierzu beaufschlagt die Ansteuerschaltung 44 die Relaisspule 41a beim Einschalten kurzzeitig mit einer überhöhten Einschaltspannung UE und beim Ausschalten kurzzeitig mit einer umgepolten Gegenspannung UG. Zum Halten des Relais 41 wird ansonsten eine geringere Normalspannung UN verwendet. Die Normalspannung UN, die Einschaltspannung UE und die Gegenspannung UG werden ausgangsseitig von der Spannungsquelle 43 bereitgestellt. Die Ansteuerschaltung 44 kann mittels eines lediglich beispielhaft angedeuteten Umschalters 47 zwischen den einzelnen Spannungen UN, UE und UG umschalten.
  • Die Funktionsweise der Schaltanordnung 40 gemäß der zweiten Ausführungsform soll im Folgenden unter Hinzunahme von Figuren 5 und 6 für den Einschaltvorgang und Figur 7 für den Ausschaltvorgang näher erläutert werden.
  • Hierzu zeigt Figur 5 ein Diagramm, in dem schematisch Spannungs- bzw. Stromverläufe über der Zeit t dargestellt sind. Konkret gibt der Spannungsverlauf 51a die an die Relaisspule 41a angelegte Spulenspannung, der Stromverlauf 51b den durch die Spule fließenden Spulenstrom und der Spannungsverlauf 51c die an einer durch das Relais 41 geschalteten Last anliegende Lastspannung an.
  • Das Relais 41 befindet sich bis zum Zeitpunkt t=0 in einem ausgeschalteten Zustand; Spulenstrom und Spulenspannung besitzen den Wert Null, die Last auf der Kontaktseite des Relais 41 ist spannungslos.
  • Zum Zeitpunkt t=0 wird der Ansteuerschaltung 44 ein Einschaltbefehl zugeführt; ein solcher Einschaltbefehl kann beispielsweise von einer Steuereinrichtung eines die Schaltanordnung 40 umfassenden elektrischen Schutzgerätes zur Überwachung von Energieversorgungsnetzen erzeugt worden sein, um das Relais 41 zum Ansteuern eines an das Schutzgerät angeschlossenen Leistungsschalters zu veranlassen. Bei vorliegendem Einschaltbefehl legt die Ansteuerschaltung 44 die seitens der Spannungsquelle 43 bereitgestellte Einschaltspannung UE als Spulenspannung an die Relaisspule 41a an; der Spannungsverlauf 51a zeigt einen entsprechenden Sprung von 0 auf UE bei t=0. Die Einschaltspannung UE ist eine im Vergleich zur Nennspannung, für die das Relais 41 herstellerseitig ausgelegt ist, überhöhte Spannung. In einem möglichen Ausführungsbeispiel betrage die Nennspannung 5V; der Wert der Einschaltspannung UE sei in diesem Ausführungsbeispiel auf 20V festgelegt. Die vergleichsweise hohe an die Relaisspule 41a angelegte Einschaltspannung UE treibt einen hohen Einschaltstrom durch die Spule 41a, so dass sich das Magnetfeld der Relaisspule 41a schneller auf als bei Anliegen der bloßen Nennspannung aufbaut. Der relativ schnell ansteigende Spulenstrom ist aus dem Stromverlauf 51b innerhalb eines Zeitraums T1, in dem die Feldaufladung des Magnetfeldes stattfindet, erkennbar. Während der Feldaufladung bewegt sich der Relaisanker 41b noch nicht, die Schaltkontakte 41c verharren in der geöffneten Stellung. Durch das Anlegen der überhöhten Einschaltspannung kann der Zeitraum T1 im Vergleich zum unbeschleunigten Einschalten (vgl. Figur 1) verkürzt werden, da die Aufladung des Magnetfeldes durch den entsprechend höheren Spulenstrom schneller stattfindet.
  • Ist das Magnetfeld zum Ende des Zeitraums T1 schließlich ausreichend stark ausgebildet, bewegt sich während eines folgenden Zeitraums T2 der Relaisanker 41b und steuert die Schaltkontakte 41c des Relais 41 an. Um Relaisanker 41b und Schaltkontakte 41c nicht zu schnell in ihre Endlage zu bewegen und einen aufgrund des damit verbundenen heftigen Aufpralls erhöhten Verschleiß des Relais 41 zu vermeiden, muss die überhöhte Einschaltspannung UE rechtzeitig zurückgenommen und auf den Wert einer Normalspannung UN, deren Wert beispielsweise der Nennspannung des Relais entsprechen kann oder sich zumindest daran orientiert, reduziert werden.
  • Der Umschaltzeitpunkt tU, zu dem die Umschaltung von der Einschaltspannung UE auf die Normalspannung UN stattfinden soll, wird aus dem Stromverlauf 51b des Spulenstroms abgeleitet. Hierzu wird der Spulenstrom mit der Strommesseinrichtung 45, z.B. einem Stromsensor, gemessen und ein Stromsignal erzeugt, das der Ansteuerschaltung 44 zugeführt und von dieser zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes tU ausgewertet wird.
  • Als mögliches Kriterium zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes tU kann die Höhe des den Spulenstrom angebenden Stromsignals gewählt werden. Hierbei kann festgelegt sein, dass der Umschaltzeitpunkt tU als derjenige Zeitpunkt festgelegt wird, an dem das Stromsignal einen festgelegten Schwellenwert überschreitet. Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass bei Erreichen des maximal zulässigen Stromes Imax der Umschaltzeitpunkt tU festgelegt wird.
  • Alternativ - in Figur 5 jedoch nicht dargestellt - kann als Kriterium zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes tU auch der Wert der Steigung des den Spulenstrom angebenden Stromsignals gewählt werden. Wie auch aus dem Stromverlauf 51b in Figur 2 erkennbar ist, nimmt die Steigung des Stromverlaufs 51b mit stärkerer Ausbildung des Magnetfeldes kontinuierlich ab und erreicht schließlich bei maximaler Sättigung den Wert Null; der Relaisanker beginnt nun, sich zu bewegen. Daher kann als Kriterium festgelegt sein, dass der Umschaltzeitpunkt tU als derjenige Zeitpunkt festgelegt wird, an dem die Steigung des Stromsignals einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Dieser Schwellenwert sollte so festgelegt sein, dass rechtzeitig vor Erreichen des Strommaximums mit einer Steigung von Null der Umschaltzeitpunkt erkannt wird. Zur Bestimmung der Steigung kann während des Einschaltvorgangs das Stromsignal wiederholt gespeichert werden und die Steigung aus zwei aufeinanderfolgenden Werten des Stromsignals berechnet werden.
  • Die während des Zeitraums T2 ablaufende Bewegung des Relaisankers 41b und der Schaltkontakte 41c findet umso schneller statt, desto stärker das Magnetfeld zum Umschaltzeitpunkt tU aufgeladen war. Eine höhere Einschaltspannung UE - und damit ein höherer Spulenstrom - bewirkt eine stärkere Aufladung und damit folglich eine schnellere Bewegung des Relaisankers 41b.
  • Nachdem die Schaltkontakte nach Ablauf des Zeitraums T2 schließlich geschlossen sind, wird das Magnetfeld durch die Normalspannung UN aufrecht erhalten. Um die Relaisspule 41a möglichst leistungsarm geschlossen zu halten, kann die Ansteuerschaltung in der Haltephase des Relais die Strombegrenzungseinrichtung 46 entsprechend zur Reduzierung des Spulenstroms (nicht im Diagramm in Figur 5 gezeigt) ansteuern. Der reduzierte Spulenstrom muss so gewählt werden, dass ein sicheres Halten des Relais im Einschaltzustand gewährleistet ist. Der Zeitpunkt der Stromreduzierung muss ausreichend lang nach dem Beginn des Einschaltvorgangs liegen, damit das Einschalten des Relais 41 nicht behindert wird. Hierzu kann die Ansteuerschaltung beispielsweise nach Ablauf einer Wartezeit, die deutlich länger als der übliche Einschaltvorgang ist, die Strombegrenzungseinrichtung 46 zur Stromreduzierung veranlassen. Die Wartezeit kann beispielsweise bei einem Wert von ca. 50ms gewählt werden.
  • Um den Wert der Einschaltspannung UE - und damit des Spulenstroms beim Einschalten - möglichst hoch wählen zu können, ohne Relaisanker 41b und Schaltkontakte 41c durch einen zu heftigen Aufprall auf ihre Endlage zu beschädigen, kann während des Zeitraums T2 ein kurzer negativer Spannungsimpuls eingesetzt werden, um das Magnetfeld schneller zu entladen oder (im Falle eines gepolten Relais) die Bewegung des Relaisankers 41b gezielt abzubremsen. Dies ist beispielhaft in Figur 6 dargestellt. Figur 6 zeigt ein Diagramm, in dem schematisch Spannungs- bzw. Stromverläufe über der Zeit t dargestellt sind. Konkret gibt der Spannungsverlauf 61a die an die Relaisspule 41a angelegte Spulenspannung, der Stromverlauf 61b den durch die Spule fließenden Spulenstrom und der Spannungsverlauf 61c die an einer durch das Relais 41 geschalteten Last anliegende Lastspannung an.
  • Innerhalb des Zeitraums T2 wird der negative Spannungsimpuls 62 mit abgegeben. Zeitpunkt und Betrag des negativen Spannungsimpulses müssen dabei so gewählt werden, dass die Bewegung des Relaisankers 41b nicht unterbrochen wird, um den Einschaltvorgang nicht zu behindern. Beispielsweise kann eine von der Spannungsquelle bereitgestellte Gegenspannung UG für den Spannungsimpuls verwendet werden. Nach dem Ende des Spannungsimpulses 62 wird erneut die Normalspannung UN an die Relaisspule 41a angelegt.
  • Während eines innerhalb des Zeitraums T2 liegenden weiteren Zeitraums T3 berühren sich die Schaltkontakte 41c des Relais 41 erstmalig und federn kurzzeitig zurück, was als sogenanntes "Kontaktprellen" bezeichnet wird. Innerhalb des Zeitraums T3 wird erstmalig die Lastspannung auf der Schaltseite des Relais 41 aufgebaut, was am Spannungsverlauf 61c erkennbar ist. Durch das Kontaktprellen wird einerseits der Verschleiß des Relais erhöht und andererseits der Zeitraum T2 bis zum endgültigen Schließen der Schaltkontakte 41c verlängert. Daher sollte der Effekt des Kontaktprellens möglichst gering gehalten werden. Hierzu trägt ebenfalls der negative Spannungsimpuls 62 bei, da hierdurch dem Relaisanker 41b und damit auch den Schaltkontakten 41c gezielt der Schwung ihrer Bewegung genommen wird.
  • Strom- und Spannungsverläufe während des Ausschaltvorgangs des Relais 41 sind schließlich in Figur 7 dargestellt. Konkret gibt der Spannungsverlauf 71a die an die Relaisspule 41a angelegte Spulenspannung, der Stromverlauf 71b den durch die Spule fließenden Spulenstrom und der Spannungsverlauf 71c die an der durch das Relais 41 geschalteten Last anliegende Lastspannung an. Vor dem Zeitpunkt t=0 in Figur 7 wird das Relais 41 durch Anlegen der Normalspannung UN in seiner eingeschalteten Stellung gehalten; der Stromfluss durch die Relaisspule ist konstant und an der Last liegt die Lastspannung an.
  • Zum Zeitpunkt t=0 wird an die Ansteuerschaltung 44 ein Ausschaltbefehl übermittelt. Daraufhin bewirkt die Ansteuerschaltung 44, dass anstelle der Normalspannung UN nunmehr eine von der Spannungsquelle bereitgestellte Gegenspannung UG an die Relaisspule 41a angelegt wird. Diese Gegenspannung beschleunigt den Abbau des Magnetfeldes und reduziert damit den dafür verwendeten Zeitraum T4. Die Gegenspannung kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel (Nennspannung des Relais: 5V) beispielsweise bei einem Wert von -12V gewählt werden.
  • Analog zur Einschaltspannung beim Einschaltvorgang ist auch die Dauer des Anlegens der Gegenspannung UG zeitlich zu begrenzen, um ein zu schnelles Bewegen des Relaisankers in seine Ruhelage zu vermeiden. Daher wird das Anlegen der Gegenspannung UG nach einer festgelegten Ausschaltzeitdauer, die beispielsweise bei etwa 1ms liegen kann, beendet und keine Spannung mehr an die Spule angelegt. Das Ende der Ausschaltzeitdauer ist in Figur 7 mit t=tA angegeben. Vorteilhaft für einen schnellen und sanften Ausschaltvorgang ist es zudem, wenn während der Haltephase des Relais 41 bereits - wie oben erläutert - ein reduzierter Spulenstrom eingesetzt wird, da in diesem Fall die Magnetfeldstärke bereits entsprechend reduziert ist und sich schneller abbauen kann.
  • Erreicht das Magnetfeld der Relaisspule 41a daraufhin einen minimalen Wert, so kann der Relaisanker 41b nicht mehr in seiner eingeschalteten Stellung gehalten werden und beginnt, sich in Richtung der Ruhelage zu bewegen. Der Zeitraum der Bewegung des Relaisankers 41b bis zu seiner endgültigen Ausschaltstellung ist in Figur 7 als T5 angegeben. Während des Zeitraums T5 bricht durch das Öffnen der Schaltkontakte 41c auch die Lastspannung ein, was am Spannungsverlauf 71c erkennbar ist. Durch die Bewegung des Relaisankers 41b wird erneut ein Spulenstrom in der Relaisspule induziert, der sich erst nach Erreichen der Ruhelage am Ende des Zeitraums T5 allmählich wieder abbaut. Nach Ende des Zeitraums T5 befinden sich sowohl die Spulenspannung als auch die Lastspannung bei einem Wert von Null, das Relais befindet sich in seiner ausgeschalteten Stellung.

Claims (10)

  1. Schaltanordnung (20, 40) mit einem elektromagnetischen Relais (21, 41), das eine Relaisspule (21a, 41a) und Schaltkontakte (21c, 41c) aufweist, mit einer mit der Relaisspule (21a, 41a) verbundenen Spannungsquelle (43) und mit einer Ansteuerschaltung (23, 44), die zur Ansteuerung der Relaisspule (21a, 41a) mittels einer durch die Spannungsquelle (43) bereitgestellten Spannung eingerichtet ist; wobei
    - die Ansteuerschaltung (23, 44) dazu eingerichtet ist, zum Einschalten des Relais (21, 41) eine überhöhte Einschaltspannung an die Relaisspule (21a, 41a) anzulegen, wobei die Einschaltspannung größer ist als die Nennspannung des Relais (21, 41) ; und
    - die Ansteuerschaltung (23, 44) dazu eingerichtet ist, während des Einschaltvorgangs des Relais (21, 41) anstelle der Einschaltspannung eine von der Spannungsquelle (43) bereitgestellte, im Vergleich zur Einschaltspannung geringere Normalspannung an die Relaisspule (21a, 41a) anzulegen, wobei zur Bestimmung eines Umschaltzeitpunktes, zu dem die Umschaltung auf die Normalspannung erfolgt, ein durch die Relaisspule (21a, 41a) fließender Spulenstrom herangezogen wird; und wobei
    - im Strompfad der Relaisspule (41a) eine Stromerfassungseinrichtung (45) vorgesehen ist, die zur Erfassung eines durch die Relaisspule (41a) fließenden Spulenstroms und zur Abgabe eines den Spulenstrom angebenden Stromsignals an die Ansteuerschaltung (44) eingerichtet ist; und
    - die Ansteuerschaltung (44) zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes, zu dem die Umschaltung von der Einschaltspannung auf die Normalspannung erfolgt, das Stromsignal heranzieht, wobei
    - die Ansteuerschaltung (44) dazu eingerichtet ist, zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes den Wert des Spulenstroms heranzuziehen und den Umschaltzeitpunkt auf denjenigen Zeitpunkt festzulegen, zu dem der Wert des Spulenstromes einen ersten Stromschwellenwert überschreitet.
  2. Schaltanordnung (40) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Ansteuerschaltung (44) dazu eingerichtet ist, nach dem Umschaltzeitpunkt einen Spannungsimpuls mit bezogen auf die Normalspannung umgekehrter Polung an die Relaisspule (41a) anzulegen und nach dem Ende dieses Spannungsimpulses das Anlegen der Normalspannung an die Relaisspule (41a) fortzusetzen.
  3. Schaltanordnung (40) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Ansteuerschaltung (44) dazu eingerichtet ist, nach dem Einschalten des Relais (41), den durch die Relaisspule (41a) fließenden Spulenstrom auf einen minimalen Wert zu reduzieren, der dazu geeignet ist, die Schaltkontakte (41c) in der eingeschalteten Stellung zu halten.
  4. Schaltanordnung (40) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Ansteuerschaltung (44) dazu eingerichtet ist, die Reduzierung des Spulenstroms nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit nach dem Beginn des Einschaltens des Relais (41) vorzunehmen.
  5. Schaltanordnung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Ansteuerschaltung (44) dazu eingerichtet ist, zum Ausschalten des Relais (41) eine von der Spannungsquelle (43) bereitgestellte Gegenspannung an die Relaisspule (41a) anzulegen, wobei die Gegenspannung bezogen auf die Normalspannung in umgekehrter Polung vorliegt und hinsichtlich ihres Betrags größer ist als die Nennspannung des Relais (41).
  6. Schaltanordnung (40) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Ansteuerschaltung (44) dazu eingerichtet ist, nach Ablauf einer vorgegebenen Ausschaltzeitdauer das Anlegen der Gegenspannung zu beenden, bevor der Ausschaltvorgang abgeschlossen ist.
  7. Verfahren zum Ansteuern, mit Hilfe einer Schaltanordnung gemäß Anspruch 1, eines elektromagnetischen Relais (21, 41), das eine Relaisspule (21a, 41a) und Schaltkontakte (21c, 41c) aufweist, wobei bei dem Verfahren folgende Schritte durchgeführt werden:
    - zum Einschalten des Relais (21, 41) wird eine Einschaltspannung an die Relaisspule (21a, 41a) angelegt, wobei die Einschaltspannung größer ist als die Nennspannung des Relais (21, 41);
    - während des Einschaltvorgangs des Relais (21, 41) wird anstelle der Einschaltspannung eine im Vergleich zur Einschaltspannung geringere Normalspannung an die Relaisspule (21a, 41a) angelegt, wobei zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes, zu dem die Normalspannung an die Relaisspule (21a, 41a) angelegt wird, ein durch die Relaisspule (21a, 41a) fließender Spulenstrom herangezogen wird; und wobei
    - der durch die Relaisspule fließende Spulenstrom erfasst und ein den Spulenstrom angebendes Stromsignal abgegeben wird; und
    - das Stromsignal zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes herangezogen wird;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes der Wert des Spulenstroms herangezogen und der Umschaltzeitpunkt auf denjenigen Zeitpunkt festgelegt wird, zu dem der Wert des Spulenstroms einen ersten Stromschwellenwert überschreitet.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Umschaltzeitpunkt derart gewählt wird, dass ein maximaler Spulenstrom nicht überschritten wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zum Ausschalten des Relais (21, 41) eine Gegenspannung an die Relaisspule (21a, 41a) angelegt wird, wobei die Gegenspannung bezogen auf die Normalspannung in umgekehrter Polung vorliegt und hinsichtlich ihres Betrags größer ist als die Nennspannung des Relais (21, 41).
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - nach Ablauf einer vorgegebenen Ausschaltzeitdauer das Anlegen der Gegenspannung beendet wird, bevor der Ausschaltvorgang abgeschlossen ist.
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