EP2891168B1 - Schaltungsanordnung zum ansteuern eines bistabilen relais - Google Patents

Schaltungsanordnung zum ansteuern eines bistabilen relais Download PDF

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EP2891168B1
EP2891168B1 EP13753170.3A EP13753170A EP2891168B1 EP 2891168 B1 EP2891168 B1 EP 2891168B1 EP 13753170 A EP13753170 A EP 13753170A EP 2891168 B1 EP2891168 B1 EP 2891168B1
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EP
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voltage
series
circuit arrangement
relay
output
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Matthias Lück
Gerd Wollenhaupt
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SMA Solar Technology AG
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SMA Solar Technology AG
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Publication date
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for driving a bistable relay, wherein a coil of the bistable relay is arranged in a series circuit with a capacitor, wherein the series circuit for switching on the bistable relay via a first semiconductor switch is connected to a supply voltage and to turn off the relay via a second semiconductor switch is shorted.
  • Bistable relays are preferably used when both switching states - switched on and off - are taken for a longer period of time. Instead of a permanent energization of a coil of the relay in a monostable relay energization is only required for the period of switching between the switching states in the bistable relay.
  • a relay is generally understood to mean an electromagnetically operated switching device, that is to say a low-power relay as well as a DC or AC contactor designed for higher powers.
  • bistable relay occupies a defined switching state when the supply voltage fails
  • the bistable relay is common, such as in the document JP S57 60 632 A is described, arranged in the aforementioned series connection with a capacitor.
  • the energy stored in the capacitor can be used to bring the relay into a defined switching state, usually in the off state.
  • capacitor usually an electrolytic capacitor is used.
  • the above-mentioned circuit arrangement can be suitable for such a bistable relay, in which the switching on or off of the relay via power surges of different polarity by a single coil of the relay, hereinafter called relay coil, takes place or for a bistable relay, in each case one separate relay coil for the on or off is present.
  • the publication US 4,533,972 shows a circuit arrangement for driving a bistable relay, wherein a capacitor is provided in series with a relay coil. There is provided a voltage stabilization of the voltage applied to the series circuit. In this way, the relay coil can be protected from fluctuations in the supply voltage, but it is also here a capacitor with a correspondingly high capacitance in series with the relay coil needed.
  • At least one voltage regulator is provided, which regulates the voltage applied to the relay coil of the bistable relay voltage so that it does not exceed a predetermined voltage.
  • the voltage applied to the relay coil voltage is controlled so that it does not exceed a predetermined voltage
  • the voltage applied directly to the relay coil is limited. Due to the limitation of the voltage across the relay coil flows due to the given internal resistance of the relay coil according to a limited in its height current through the relay coil. Thus, the current flow through the capacitor is limited, since this is largely given by the current flowing through the relay coil current. Due to the limited current flow in the capacitor, the time constant during charging or discharging of the capacitor is also limited, whereby the duration of the current surge is extended by the relay coil with respect to a circuit arrangement without the at least one voltage regulator.
  • the relay coil for switching on or off the relay on the one in its voltage level, so that damage to the relay coil can be prevented, and on the other hand extends the duration of the surge to actuate the relay at the same capacity of the capacitor.
  • the capacitance of the capacitor can be chosen smaller than in a circuit arrangement without the at least one voltage regulator.
  • the first and the second semiconductor switch can each be separate elements. Alternatively it is possible to implement the function of the first and / or second semiconductor switch by switching elements of the at least one voltage regulator.
  • a first and / or second voltage regulator are provided, each having an input, an output and a control connection, wherein at the voltage controlled output relative to the control connection sets a voltage whose absolute value does not exceed a predetermined voltage, and wherein the Input with the first and second semiconductor switches and the output and the control terminal are each connected to an output terminal for the relay coil.
  • the first or second voltage regulator in each case has a series transistor whose control input is connected in each case via a series circuit of a Zener diode and a diode to the control terminal and is connected in each case via a resistor to the input.
  • the diode and the Zener diode are connected antiserially to one another within their series connection.
  • the series transistors of the first and of the second voltage regulator are complementary to one another, in particular NPN or PNP bipolar transistors or n-channel or p-channel MOSFETs.
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement for driving a bistable relay in a first embodiment in a schematic representation.
  • the circuit arrangement has a connection 11 for a positive supply voltage of V +, a connection 12 (ground connection, GND ground) and a control input 13. Parallel to the terminal 11 and the ground terminal 12, a smoothing capacitor 8 is arranged.
  • the bistable relay is connected to its coil 1, hereafter referred to as relay coil 1, via a first output terminal 14 and a second output terminal 15 connected to the circuit arrangement.
  • the relay switches depending on a level at the control input 13 and depending on whether the terminal 11 for the supply voltage V + with respect to the ground terminal 12 is at least applied to a predetermined minimum voltage.
  • a discriminator 10 For monitoring the magnitude of the supply voltage V +, a discriminator 10 is provided which outputs a logic signal at an output. If the level of the supply voltage reaches or exceeds the minimum voltage, a signal with the logic level "1" is present at the output of the discriminator 10, otherwise a signal with the logic level "0".
  • the output of the discriminator 10 is connected to an input of a logic module 9, the control input 13 to a further input of this logic module 9.
  • the logic module 9 is designed as a NAND gate, so that at its output only a signal of logic "0" is applied , if both inputs are at logical "1".
  • the relay turns on (is set) when the output of the logic device 9 is a signal of logic "0".
  • a signal of logic "1" at the output of the logic module 9 switches the bistable relay off (will reset).
  • the relay is thus set when both a supply voltage V + of sufficient level (greater than or equal to the minimum voltage) is present, as well as the control input 13 with a logic level of logic "1" is applied.
  • the relay is reset.
  • a reverse switching logic can be realized. It can be provided that the logic signals assume levels in accordance with the TTL logic.
  • voltage values of other common logic levels such. B. LVTTL, CMOS 1.8V, CMOS 2.5V or CMOS 5V to control the relay at the control input 13 possible.
  • the relay coil 1 is connected in series with a capacitor 2.
  • the capacitor 2 is arranged between the second output terminal 15 and the ground terminal 12.
  • the first output terminal 14 is connected via a first voltage regulator 100 and a first semiconductor switch 5 to the terminal 11 for the positive supply voltage V +.
  • the first semiconductor switch 5 is designed in this embodiment as a MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) whose control input (gate terminal) via a resistor 6 is also connected to the terminal 11 for the positive supply voltage V +.
  • the gate terminal of the first semiconductor switch 5 via the switching path of another semiconductor switch 3, here also a MOSFET, connected to the output of the logic device 9.
  • the control terminal (gate terminal) of the further semiconductor switch 3 is held by a reference voltage source 4 at a predetermined potential relative to the ground potential GND. The predetermined potential is chosen so that the semiconductor switch 3 blocks at a logic level of logic "1" at the output of the logic device 9 and conducts at a logic level of logic "0".
  • the first voltage regulator 100 is arranged. This has an input 111, with which it is connected to the first semiconductor switch 5 and an output 112, with which it is connected via the first output terminal 14 to the relay coil 1. In addition, it has a control input 113, with which it is also connected via the second output terminal 15 to the relay coil 1.
  • the first voltage regulator 100 is designed as a series regulator, with a series transistor 101, which is arranged with its switching path between the input 111 and the output 112. In the present case, the series transistor 101 is an NPN bipolar transistor.
  • the control input (base) of the series transistor 101 is connected via a resistor 104 to the input 111 and via a series circuit of a Zener diode 102 and a diode 103 to the control input 113.
  • the series transistor 101 of the first voltage regulator 100 is turned on and the first output terminal 14 for the relay coil 1 is subjected to a positive potential.
  • the function of the first semiconductor switch 5 can also be taken over by the voltage regulator 100, specifically by a semiconductor switch of the voltage regulator 100, in particular the series transistor 101. It is possible, for example, to connect the control input of the series transistor 101 to the output of the logic module 9 and to control it such that the series transistor 101 only becomes conductive and is used for regulation when the output of the transistor Logic module 9 has a level of logic "0".
  • the control of the series transistor can optionally via other switching elements, such as diodes and / or one or more small power transistors, carried out to combine the switching function with the control function.
  • one of the current through the relay coil 1 leading transistors can be saved.
  • the first output terminal 14 for the relay coil 1 is further connected via a second voltage regulator 200 and a second semiconductor switch 7 to ground potential GND.
  • the second voltage regulator 200 likewise has a series transistor 201 whose switching path extends from an input 211 of the second voltage regulator 200 to an output 212 which is connected to the first output terminal 14 for the relay coil 1.
  • a control input 213 is connected to the second output terminal 15 for the relay coil 1.
  • the second voltage regulator 200 is constructed in mirror image symmetry with respect to the first voltage regulator 100 and is designed to regulate an output voltage 212 which is negative in relation to the control feed 213 in its height. Accordingly, a PNP transistor complementary to the series transistor 101 is used as the series transistor 201.
  • the second semiconductor switch 7 is a MOSFET whose control input (gate connection) is connected to the output of the logic module 9 of the circuit arrangement.
  • the voltage applied to the relay coil 1 is regulated by the first and second voltage regulators 100, 200 so that their absolute value does not exceed a predetermined voltage.
  • the second semiconductor switch 7 With a potential of logic "0" at the output of the logic module 9, the second semiconductor switch 7 is opened and corresponding to the series transistor 201 of the second voltage regulator 200 non-conductive.
  • the second voltage regulator 200 can be disregarded.
  • the capacitor 2 Accordingly flows due to the switched first semiconductor switch 5 and the conductive series transistor 101 of the first voltage regulator 100, a current flow through the relay coil 1 and the capacitor 2, on the one hand, the relay turns on and on the other, the capacitor 2 is charged.
  • the voltage applied between the first and the second output connection 14, 15 and therefore directly to the relay coil 1 is regulated by the first voltage regulator 100 such that it does not exceed a voltage predetermined by the zener diode 102 and the diode 103.
  • Due to the limitation of the voltage across the relay coil 1 flows due to the given internal resistance of the relay coil 1 in accordance with a limited in its height current through the relay coil 1. Accordingly, the current flow through the capacitor 2 is limited, as this largely by the relay coil 1 flowing stream is given.
  • the limited current flow in the capacitor 2 leads in these situations to a deviation from the exponential charging characteristic towards a delayed or current-limited charging of the capacitor 2. This results in a greater over the charging time of the capacitor 2 averaged "effective time constant", whereby the duration of the Power surge is extended by the relay coil 1 with respect to a circuit arrangement without the first voltage regulator.
  • the current impulse is limited by the relay coil 1 to turn on the relay on the one hand in its voltage level, so that damage to the relay coil 1 can be prevented, and on the other hand, the duration of the surge to turn on the relay extended at the same capacity of the capacitor.
  • the capacitance of the capacitor 2 can be selected smaller than in the case of a circuit arrangement without a first voltage regulator 100.
  • the diode 203 of the second voltage regulator 200 prevents a current flow via the control input 213 of the second voltage regulator 200.
  • the voltage level is higher than that of the reference voltage source 4, lock the other semiconductor switch 3 and the first semiconductor switch 5.
  • the second semiconductor switch 7 is conductive and thus also the series transistor 201 of second voltage regulator 200.
  • the capacitor 2 was due to the previous switching action (ie, the level at the output of the logic device 9 of logic "0" corresponds) almost charged to the value of the supply voltage V +.
  • the charge stored in the capacitor 2 now discharges correspondingly via the second voltage regulator 200 and the relay coil 1.
  • the diode 103 of the first voltage regulator 100 prevents a flow of current from the capacitor 2 via the regulating connection 113.
  • the current flowing through the relay coil 1 impulse is of opposite polarity as when switching on the relay and turns it off accordingly.
  • the surge is limited in the amount of current and extended accordingly in its duration is.
  • the series transistor 201 of the second voltage regulator 200 may be directly and not via the second semiconductor switch 7 to be connected to the ground terminal 12, wherein the resistor 204 used in the voltage divider at the base of the series transistor 201, however, is still connected via the second semiconductor switch 7 to the ground terminal 12.
  • the function of the first semiconductor switch 5 is taken over by the series transistor 101 of the first voltage regulator 100
  • the function of the second semiconductor switch 7 can be taken over by the second series transistor 201 of the second voltage regulator 200 with suitable control.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment of the circuit according to Fig. 1
  • the present circuit arrangement is suitable for driving a bistable relay with two relay coils 1a, 1b.
  • the relay is set in a current surge through a first of the two relay coils, for example, the relay coil 1a, and at a surge through the second of the two relay coils, for example, the relay coil 1b, reset.
  • Both relay coils 1a, 1b are connected to one of their terminals together with the second output terminal 15 of the circuit arrangement.
  • the other terminal of the first relay coil 1a is connected to the output 112 of the first voltage regulator 100 and the other terminal of the second relay coil 1b is connected to the output 212 of the second voltage regulator 200.
  • the two terminals 112, 212 are not directly connected to each other, corresponding to two first output terminals 14a, 14b are provided to connect the relay coils 1a, 1b to the circuit arrangement.
  • a surge to set the relay is supplied to the relay coil 1a, a surge to reset the relay coil 1b.
  • the voltage applied to the relay coils 1a, 1b is limited in their height both when setting and when resetting by the voltage regulator 100 or 200.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a circuit arrangement for driving a bistable relay.
  • Like reference numerals in this embodiment denote the same or equivalent elements as in the first embodiment.
  • the circuit in the second embodiment substantially corresponds to that of the first embodiment, the description of which reference is hereby made.
  • the circuit arrangement shown is also used for the first and the second voltage regulator 100, 200 MOSFETs as series transistors 101 and 201.
  • complementary series transistors 101, 201 are used, in this case an n-channel MOSFET as a series transistor 101 of the first voltage regulator 100, and a p-channel MOSFET as a series transistor 201 of the second voltage regulator 200.
  • resistors 105, 205 originating from the first output terminal 14 are each connected to the control input (gate). Terminal) of the series transistors 101, 201.
  • These resistors can be very high-impedance and do not affect the other functionality of the circuit arrangement.
  • the resistors 105, 205 omitted even when using MOSFET transistors as series transistors 101, 201.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines bistabilen Relais, bei der eine Spule des bistabilen Relais in einer Reihenschaltung mit einem Kondensator angeordnet ist, wobei die Reihenschaltung zum Einschalten des bistabilen Relais über einen ersten Halbleiterschalter mit einer Versorgungsspannung verbunden wird und zum Ausschalten des Relais über einen zweiten Halbleiterschalter kurzgeschlossen wird.
  • Bistabile Relais werden bevorzugt eingesetzt, wenn beide Schaltzustände - eingeschaltet und ausgeschaltet - für einen längeren Zeitraum eingenommen werden. Anstelle einer dauerhaften Bestromung einer Spule des Relais bei einem monostabilen Relais ist bei dem bistabilen Relais eine Bestromung nur für die Zeitdauer des Umschaltens zwischen den Schaltzuständen erforderlich. Im Rahmen der Anmeldung ist unter einem Relais allgemein eine elektromagnetisch betätigte Schaltvorrichtung zu verstehen, also ein Kleinleistungsrelais ebenso wie ein für höhere Leistungen ausgelegtes Gleich- oder Wechselstromschütz.
  • Damit ein bistabiles Relais beim Ausfall der Versorgungsspannung einen definierten Schaltzustand einnimmt, wird das bistabile Relais häufig, wie beispielsweise in der Druckschrift JP S57 60 632 A beschrieben ist, in der eingangs genannten Reihenschaltung mit einem Kondensator angeordnet. Beim Wegfall der Versorgungsspannung kann die im Kondensator gespeicherte Energie genutzt werden, um das Relais in einen definierten Schaltzustand, üblicherweise in den ausgeschalteten Zustand, zu bringen. Als Kondensator wird üblicherweise ein Elektrolytkondensator eingesetzt. Die eingangs genannte Schaltungsanordnung kann dabei für ein solches bistabiles Relais geeignet sein, bei dem das Ein- bzw. Ausschalten des Relais über Stromstöße unterschiedlicher Polarität durch eine einzelne Spule des Relais, nachfolgend Relaisspule genannt, erfolgt oder für ein bistabiles Relais, bei dem jeweils eine separate Relaisspule für den Ein- bzw. Ausschaltvorgang vorhanden ist.
  • Zur Betätigung des Relais ist es jeweils notwendig, eine Mindestspannung an der Relaisspule für eine Mindestzeitdauer anzulegen. Aufgrund des Auflade- bzw. Entladevorgangs des in Reihe mit dem bistabilen Relais geschalteten Kondensators stellt sich über der Relaisspule während des Schaltverlaufs ein in etwa exponentiell wachsender bzw. fallender Spannungsabfall ein. Um zu erreichen, dass auch am Ende der angegebenen Mindestzeit des Stromstoßes die für den Schaltvorgang vorgesehene Mindestspannung an der Relaisspule anliegt, muss entweder ein Kondensator mit relativ großer Kapazität gewählt werden, oder die Versorgungsspannung so hoch gewählt werden, dass auch nach der vorgegebenen Schaltzeit die Spannung an der Relaisspule noch ausreichend hoch ist. Ein Kondensator mit größerer Kapazität ist aus Platz- und Kostengründen nicht wünschenswert. Ein Anheben der Versorgungsspannung ist nachteilig, weil dann unter Umständen zumindest zu Beginn des Auf- bzw. Entladevorgangs des Kondensators eine zu hohe Spannung an der Relaisspule anliegt, wodurch sich die Lebensdauer des Relais verringern kann.
  • Aus der Druckschrift DE 27 47 607 C2 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines bistabilen Relais bekannt, bei der eine Zenerdiode eingesetzt wird, um einen Wert der Versorgungsspannung, unterhalb dessen ein Ausschaltvorgang erfolgt, festzulegen. Es wird jedoch nach wie vor ein Kondensator mit entsprechend hoher Kapazität in Reihenschaltung mit der Relaisspule benötigt. Ein Schutz der Relaisspule vor Schwankungen der Versorgungsspannung nach oben hin wird nicht thematisiert.
  • Auch die Druckschrift US 4,533,972 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines bistabilen Relais, bei der ein Kondensator in Reihenschaltung mit einer Relaisspule vorgesehen ist. Es ist eine Spannungsstabilisierung der Spannung vorgesehen, die an die Reihenschaltung angelegt wird. Auf diese Weise kann die Relaisspule vor Schwankungen der Versorgungsspannung geschützt werden, es wird jedoch auch hier ein Kondensator mit entsprechend hoher Kapazität in Reihenschaltung mit der Relaisspule benötigt.
  • Aus der Druckschrift US 2008/0204964 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der parallel zu einer Relaisspule eines bistabilen Relais eine Spannungsbegrenzungsschaltung mit zueinander antiseriell geschalteten Zehner-Dioden angeordnet ist, die Selbstinduktionsspannungsstöße der Spule in beiden Richtungen eines Stromflusses durch die Betätigungsspule abfängt. Diese Schaltungsanordnung dient nicht dem Schutz der Relaisspule, sondern schützt das Relais ansteuernde Schaltkontakte vor einem überspannungsbedingten Schaltlichtbogen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein Kondensator mit geringerer Kapazität in der Reihenschaltung mit der Spule des bistabilen Relais verwendet werden kann und die tolerant gegenüber einer in der Höhe variierenden Versorgungsspannung ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist mindestens ein Spannungsregler vorgesehen, der die an der Relaisspule des bistabilen Relais anliegende Spannung so regelt, dass sie eine vorgegebene Spannung nicht überschreitet.
  • Dadurch, dass die an der Relaisspule anliegende Spannung so geregelt wird, dass sie eine vorgegebene Spannung nicht überschreitet, wird die unmittelbar an der Relaisspule anliegende Spannung begrenzt. Durch die Begrenzung der Spannung über der Relaisspule fließt bedingt durch den gegebenen Innenwiderstand der Relaisspule entsprechend auch ein in seiner Höhe begrenzter Strom durch die Relaisspule. Somit ist auch der Stromfluss durch den Kondensator begrenzt, da dieser größtenteils durch den durch die Relaisspule fließenden Strom gegeben ist. Durch den begrenzten Stromfluss in den Kondensator ist die Zeitkonstante bei der Auf- oder Entladung des Kondensators ebenfalls begrenzt, wodurch die Zeitdauer des Stromstoßes durch die Relaisspule gegenüber einer Schaltungsanordnung ohne den mindestens einen Spannungsregler verlängert ist. Es wird also der Stromstoß durch die Relaisspule zum Ein- oder Ausschalten des Relais zum Einen in seiner Spannungshöhe begrenzt, so dass Beschädigungen der Relaisspule verhindert werden, und zum Anderen die Zeitdauer des Stromstoßes zum Betätigen des Relais bei gleicher Kapazität des Kondensators verlängert. Im Umkehrschluss kann die Kapazität des Kondensators kleiner gewählt werden als bei einer Schaltungsanordnung ohne den mindestens einen Spannungsregler. Der erste und auch der zweite Halbleiterschalter können dabei jeweils separate Elemente sein. Alternativ ist es möglich, die Funktion des ersten und/oder zweiten Halbleiterschalters durch Schaltelemente des mindestens einen Spannungsreglers umzusetzen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind ein erster und/oder zweiter Spannungsregler vorgesehen, die jeweils über einen Eingang, einen Ausgang und einen Regelanschluss verfügen, wobei sich am spannungsgeregelten Ausgang relativ zum Regelanschluss eine Spannung einstellt, deren Absolutwert eine vorgegebene Spannung nicht übersteigt, und wobei der Eingang mit dem ersten bzw. zweiten Halbleiterschalter und der Ausgang und der Regelanschluss jeweils mit einem Ausgangsanschluss für die Relaisspule verbunden sind.
  • Bevorzugt weist der erste bzw. zweite Spannungsregler jeweils einen Längstransistor auf, dessen Steuereingang jeweils über eine Reihenschaltung einer Zenerdiode und einer Diode mit dem Regelanschluss verbunden ist und jeweils über einen Widerstand mit dem Eingang verbunden ist. Besonders bevorzugt sind die Diode und die Zenerdiode innerhalb ihrer Reihenschaltung antiseriell zueinander verschaltet. Weiterhin sind besonders bevorzugt die Längstransistoren des ersten und des zweiten Spannungsreglers zueinander komplementäre Typen, insbesondere NPN- bzw. PNP-Bipolartransistoren oder n-Kanal bzw. p-Kanal MOSFETs. Die genannten Ausführungen stellen unkomplizierte und gut geeignete Implementierungen für die Spannungsregler dar.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von drei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • Fig. 1
    ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines bistabilen Relais;
    Fig. 2
    ein schematisches Schaltbild der Schaltungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels in einer alternativen Ausgestaltung; und
    Fig. 3
    ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines bistabilen Relais.
  • Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines bistabilen Relais in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung.
  • Die Schaltungsanordnung weist einen Anschluss 11 für eine positive Versorgungsspannung von V+, einen Anschluss 12 (Masseanschluss; GND - Ground) sowie einen Steuereingang 13 auf. Parallel zu dem Anschluss 11 und dem Masseanschluss 12 ist ein Glättungskondensator 8 angeordnet. Das bistabile Relais ist mit seiner Spule 1, nachfolgend Relaisspule 1 genannt, über einen ersten Ausgangsanschluss 14 und einen zweiten Ausgangsanschluss 15 mit der Schaltungsanordnung verbunden.
  • Das Relais schaltet abhängig von einem Pegel an dem Steuereingang 13 sowie abhängig davon, ob der Anschluss 11 für die Versorgungsspannung V+ gegenüber dem Masseanschluss 12 mindestens mit einer vorgegebenen Mindestspannung beaufschlagt ist.
  • Zur Überwachung der Höhe der Versorgungsspannung V+ ist ein Diskriminator 10 vorhanden, der an einem Ausgang ein Logiksignal ausgibt. Erreicht oder übersteigt die Höhe der Versorgungsspannung die Mindestspannung, liegt an dem Ausgang des Diskriminators 10 ein Signal mit dem Logikpegel "1" an, andernfalls ein Signal mit dem Logikpegel "0". Der Ausgang des Diskriminators 10 ist mit einem Eingang eines Logikbausteins 9 verbunden, der Steuereingang 13 mit einem weiteren Eingang dieses Logikbausteins 9. Der Logikbaustein 9 ist als NAND-Gatter ausgebildet, so dass an seinem Ausgang nur dann ein Signal von logisch "0" anliegt, wenn beide Eingänge auf logisch "1" liegen.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel schaltet das Relais ein (wird gesetzt), wenn am Ausgang des Logikbausteins 9 ein Signal von logisch "0" anliegt. Bei einem Signal von logisch "1" am Ausgang des Logikbausteins 9 schaltet das bistabile Relais aus (wird zurückgesetzt). Das Relais wird folglich gesetzt, wenn sowohl eine Versorgungsspannung V+ von ausreichender Höhe (größer oder gleich der Mindestspannung) vorliegt, als auch der Steuereingang 13 mit einem Logikpegel von logisch "1" beaufschlagt ist. In den anderen Fällen, also wenn sich die Versorgungsspannung V+ unterhalb der Mindestspannung befindet und / oder der Steuereingang 13 einen Logikpegel von logisch "0" aufweist, wird das Relais zurückgesetzt. Es versteht sich jedoch, dass auch eine umgekehrte Schaltlogik realisiert werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Logiksignale Pegel gemäß der TTL-Logik annehmen. Des Weiteren sind auch Spannungswerte anderer gängiger Logikpegel, wie z. B. LVTTL, CMOS 1,8V, CMOS 2,5V oder CMOS 5V zur Ansteuerung des Relais am Steuereingang 13 möglich.
  • Die Relaisspule 1 ist mit einem Kondensator 2 in Reihe geschaltet. Der Kondensator 2 ist dabei zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 15 und dem Masseanschluss 12 angeordnet.
  • Der erste Ausgangsanschluss 14 ist über einen ersten Spannungsregler 100 und einen ersten Halbleiterschalter 5 mit dem Anschluss 11 für die positive Versorgungsspannung V+ verbunden. Der erste Halbleiterschalter 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel als MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) ausgeführt, dessen Steuereingang (Gate-Anschluss) über einen Widerstand 6 ebenfalls mit dem Anschluss 11 für die positive Versorgungsspannung V+ verbunden ist. Weiterhin ist der Gate-Anschluss des ersten Halbleiterschalters 5 über die Schaltstrecke eines weiteren Halbleiterschalters 3, hier ebenfalls ein MOSFET, mit dem Ausgang des Logikbausteins 9 verbunden. Der Steueranschluss (Gate-Anschluss) des weiteren Halbleiterschalters 3 ist über eine Referenzspannungsquelle 4 auf einem vorgegebenen Potenzial gegenüber dem Massepotential GND gehalten. Das vorgegebene Potenzial wird so gewählt, dass der Halbleiterschalter 3 bei einem Logikpegel von logisch "1" am Ausgang des Logikbausteins 9 sperrt und bei einem Logikpegel von logisch "0" leitet.
  • Bei einem Potenzial von logisch "0" am Ausgang des Logikbausteins 9 leitet entsprechend der weitere Halbleiterschalter 3 und somit auch der erste Halbleiterschalter 5.
  • Zwischen dem ersten Halbleiterschalter 5 und dem ersten Ausgangsanschluss 14, mit dem die Relaisspule 1 verbunden ist, ist der erste Spannungsregler 100 angeordnet. Dieser weist einen Eingang 111 auf, mit dem er mit dem ersten Halbleiterschalter 5 verbunden ist und einen Ausgang 112, mit dem er über den ersten Ausgangsanschluss 14 mit der Relaisspule 1 verbunden ist. Zudem weist er einen Regeleingang 113 auf, mit dem er über den zweiten Ausgangsanschluss 15 ebenfalls mit der Relaisspule 1 verbunden ist. Der erste Spannungsregler 100 ist als ein Längsregler ausgebildet, mit einem Längstransistor 101, der mit seiner Schaltstrecke zwischen dem Eingang 111 und dem Ausgang 112 angeordnet ist. Vorliegend ist der Längstransistor 101 ein NPN-Bipolar-Transistor. Der Steuereingang (Basis) des Längstransistors 101 ist über einen Widerstand 104 mit dem Eingang 111 und über eine Serienschaltung aus einer Zenerdiode 102 und einer Diode 103 mit dem Regeleingang 113 verbunden.
  • Bei einem Pegel von logisch "0" am Ausgang des Logikbausteins 9 und entsprechend leitendem ersten Halbleiterschalter 5 liegt am Eingang 111 des ersten Spannungsreglers 100 das positive Versorgungsspannungspotenzial V+ an. Entsprechend wird der Längstransistor 101 des ersten Spannungsreglers 100 leitend und der erste Ausgangsanschluss 14 für die Relaisspule 1 mit positivem Potenzial beaufschlagt.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung kann die Funktion des ersten Halbleiterschalters 5 auch von dem Spannungsregler 100, konkret von einem Halbleiterschalter des Spannungsreglers 100, insbesondere dem Längstransistor 101 übernommen werden. Es ist beispielsweise möglich, den Steuereingang des Längstransistors 101 so mit dem Ausgang des Logikbausteins 9 zu verbinden und ihn so anzusteuern, dass der Längstransistor 101 nur dann leitend wird und zur Regelung eingesetzt wird, wenn der Ausgang des Logikbausteins 9 einen Pegel von logisch "0" aufweist. Die Ansteuerung des Längstransistors kann ggf. über weitere Schaltelemente, z.B. Dioden und/oder einen oder mehrere Kleinleistungstransistoren, erfolgen, um die Schaltfunktion mit der Regelfunktion zu kombinieren. Bei dieser alternativen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung kann vorteilhafterweise einer der den Strom durch die Relaisspule 1 führenden Transistoren eingespart werden.
  • Der erste Ausgangsanschluss 14 für die Relaisspule 1 ist weiterhin über einen zweiten Spannungsregler 200 und einen zweiten Halbleiterschalter 7 mit Massepotenzial GND verbunden. Der zweite Spannungsregler 200 weist ebenfalls einen Längstransistor 201 auf, dessen Schaltstrecke von einem Eingang 211 des zweiten Spannungsreglers 200 zu einem Ausgang 212 verläuft, welcher mit dem ersten Ausgangsanschluss 14 für die Relaisspule 1 verbunden ist. Ein Regeleingang 213 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 15 für die Relaisspule 1 verbunden. Der zweite Spannungsregler 200 ist spiegelbildlich symmetrisch zum ersten Spannungsregler 100 aufgebaut und dazu ausgelegt, eine gegenüber dem Regelanschluss 213 negative Ausgangsspannung am Ausgang 212 in ihrer Höhe zu regeln. Entsprechend wird ein zum Längstransistor 101 komplementärer PNP-Transistor als Längstransistor 201 eingesetzt. Der zweite Halbleiterschalter 7 ist vorliegend ein MOSFET, dessen Steuereingang (Gate-Anschluss) mit dem Ausgang des Logikbausteins 9 der Schaltungsanordnung verbunden ist. Zusammenfassend wird also durch den ersten und den zweiten Spannungsregler 100, 200 die an der Relaisspule 1 anliegende Spannung so geregelt, das ihr Absolutwert eine vorgegebene Spannung nicht übersteigt.
  • Bei einem Potenzial von logisch "0" am Ausgang des Logikbausteins 9 ist der zweite Halbleiterschalter 7 geöffnet und entsprechend der Längstransistor 201 des zweiten Spannungsreglers 200 nicht leitend. Für die weitere Betrachtung der Vorgänge bei einem Potenzial von logisch "0" am Ausgang des Logikbausteins 9 (dies entspricht einem Potential von logisch "1" am Steuereingang 13 und einer anliegender Versorgungsspannung V+, die größer oder gleich der Mindestspannung ist) kann daher der zweite Spannungsregler 200 unberücksichtigt bleiben.
  • Entsprechend fließt aufgrund des geschalteten ersten Halbleiterschalters 5 und des leitenden Längstransistors 101 des ersten Spannungsreglers 100 ein Stromfluss durch die Relaisspule 1 und den Kondensator 2, durch den zum Einen das Relais einschaltet und zum Anderen der Kondensator 2 aufgeladen wird. Dabei wird die zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss 14, 15 und damit die unmittelbar an der Relaisspule 1 anliegende Spannung durch den ersten Spannungsregler 100 so geregelt, dass sie eine durch die Zenerdiode 102 und die Diode 103 vorgegebene Spannung nicht übersteigt. Durch die Begrenzung der Spannung über der Relaisspule 1 fließt bedingt durch den gegebenen Innenwiderstand der Relaisspule 1 entsprechend auch ein in seiner Höhe begrenzter Strom durch die Relaisspule 1. Entsprechend ist auch der Stromfluss durch den Kondensator 2 begrenzt, da dieser größtenteils durch den durch die Relaisspule 1 fließenden Strom gegeben ist. Der begrenzte Stromfluss in den Kondensator 2 führt in diesen Situationen zu einer Abweichung von der exponentiellen Aufladecharakteristik hin zu einer verzögerten bzw. strombegrenzten Aufladung des Kondensators 2. Hieraus resultiert eine größere über die Aufladezeit des Kondensators 2 gemittelte "effektive Zeitkonstante", wodurch die Zeitdauer des Stromstoßes durch die Relaisspule 1 gegenüber einer Schaltungsanordnung ohne den ersten Spannungsregler verlängert ist. Es wird also der Stromstoß durch die Relaisspule 1 zum Einschalten des Relais zum Einen in seiner Spannungshöhe begrenzt, sodass Beschädigungen der Relaisspule 1 verhindert werden, und zum Anderen die Zeitdauer des Stromstoßes zum Einschalten des Relais bei gleicher Kapazität des Kondensators verlängert. Im Umkehrschluss kann die Kapazität des Kondensators 2 kleiner gewählt werden als bei einer Schaltungsanordnung ohne ersten Spannungsregler 100. Die Diode 203 des zweiten Spannungsreglers 200 verhindert dabei einen Stromfluss über den Regeleingang 213 des zweiten Spannungsreglers 200.
  • Im Folgenden wird der Fall behandelt, bei dem entweder die Versorgungsspannung V+ in ihrer Höhe unter die Mindestspannung abfällt oder der Steuereingang 13 einen Logikpegel von logisch "0" aufweist. In beiden Fällen wird der Ausgang des Logikbausteins 9 auf den Pegel logisch "1" gesetzt. Es wird davon ausgegangen, dass der Logikbaustein 9 bezüglich seiner Stromversorgung so gepuffert ist, dass ein Pegel von logisch "1" zumindest für eine bestimmte Zeitspanne aufrecht erhalten werden kann.
  • Bei einem Pegel von logisch "1" am Ausgang des Logikbausteins 9, dessen Spannungsniveau höher ist als das der Referenzspannungsquelle 4, sperren der weitere Halbleiterschalter 3 und der erste Halbleiterschalter 5. Stattdessen wird jedoch der zweite Halbleiterschalter 7 leitend und damit auch der Längstransistor 201 des zweiten Spannungsreglers 200. Der Kondensator 2 wurde aufgrund der zuvor erfolgten Schalthandlung (d.h. die dem Pegel am Ausgang des Logikbausteines 9 von logisch "0" entspricht) nahezu auf den Wert der Versorgungsspannung V+ aufgeladen. Die im Kondensator 2 gespeicherte Ladung entlädt sich nun entsprechend über den zweiten Spannungsregler 200 und die Relaisspule 1. Wiederum verhindert die Diode 103 des ersten Spannungsreglers 100, dass vom Kondensator 2 ein Stromfluss über den Regelanschluss 113 erfolgt.
  • Der durch die Relaisspule 1 fließende Stromstoß ist von umgekehrter Polarität wie beim Einschalten des Relais und schaltet dieses entsprechend ab. Wiederum ist analog zum Fall des Einschaltens die an der Relaisspule 1 anliegende Spannung - nun durch den zweiten Spannungsregler 200 - begrenzt, sodass eine Maximalspannung an der Relaisspule 1 nicht überschritten wird, der Stromstoß in der Höhe des Stromes begrenzt ist und entsprechend in seiner Dauer verlängert ist. Durch den zweiten Spannungsregler 200 werden also für den Ausschaltvorgang des Relais dieselben Vorteile erzielt, wie durch den ersten Spannungsregler 100 für den Einschaltvorgang.
  • In einer alternativen Ausgestaltung kann der Längstransistor 201 des zweiten Spannungsreglers 200 unmittelbar und nicht über den zweiten Halbleiterschalter 7 mit dem Masseanschluss 12 verbunden sein, wobei der im Spannungsteiler an der Basis des Längstransistors 201 eingesetzte Widerstand 204 jedoch nach wie vor über den zweiten Halbleiterschalter 7 mit dem Masseanschluss 12 verbunden ist. Auch kann, analog zu der alternativen Ausgestaltung, bei der die Funktion des ersten Halbleiterschalters 5 von dem Längstransistor 101 des ersten Spannungsreglers 100 übernommen wird, die Funktion des zweiten Halbleiterschalters 7 bei geeigneter Ansteuerung durch den zweiten Längstransistors 201 des zweiten Spannungsreglers 200 übernommen werden.
  • Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1. Im Unterschied zu dem Beispiel der Fig. 1 ist die vorliegende Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines bistabilen Relais mit zwei Relaisspulen 1a, 1b geeignet. Das Relais wird bei einem Stromstoß durch eine erste der beiden Relaisspulen, beispielhaft der Relaisspule 1a, gesetzt und bei einem Stromstoß durch die zweite der beiden Relaisspulen, beispielhaft die Relaisspule 1b, zurückgesetzt.
  • Beide Relaisspulen 1a, 1b sind mit einem ihrer Anschlüsse gemeinsam mit dem zweiten Ausgangsanschluss 15 der Schaltungsanordnung verbunden. Der andere Anschluss der ersten Relaisspule 1a ist mit dem Ausgang 112 des ersten Spannungsreglers 100 verbunden und der andere Anschluss der zweiten Relaisspule 1b ist mit dem Ausgang 212 des zweiten Spannungsreglers 200 verbunden. Die beiden Anschlüsse 112, 212 sind untereinander nicht direkt verbunden, entsprechend sind zwei erste Ausgangsanschlüsse 14a, 14b vorhanden, um die Relaisspulen 1a, 1b an die Schaltungsanordnung anzuschließen.
  • Bezüglich der Funktion wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen. Ein Stromstoß zum Setzen des Relais wird der Relaisspule 1a zugeführt, ein Stromstoß zum Zurücksetzen der Relaisspule 1b. Wie bei dem Beispiel der Fig. 1 ist die dabei an den Relaisspulen 1a, 1b anliegende Spannung sowohl beim Setzen als auch beim Zurücksetzen durch die Spannungsregler 100 bzw. 200 in ihrer Höhe begrenzt.
  • Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines bistabilen Relais. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in diesem Ausführungsbeispiel gleiche oder gleichwirkende Elemente wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
  • Die Schaltung im zweiten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der des ersten Ausführungsbeispiels, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung sind vorliegend auch für den ersten und den zweiten Spannungsregler 100, 200 MOSFETs als Längstransistoren 101 und 201 eingesetzt. Wiederum werden komplementäre Längstransistoren 101, 201 eingesetzt, vorliegend ein n-Kanal MOSFET als Längstransistor 101 des ersten Spannungsreglers 100 und ein p-Kanal MOSFET als Längstransistor 201 des zweiten Spannungsreglers 200.
  • Um sicher zu stellen, dass der Längstransistor 201 des zweiten Spannungsreglers 200 beim Einschaltvorgang des Relais sperrt bzw. der Längstransistor 101 des ersten Spannungsreglers 100 beim Ausschaltvorgang des Relais sperrt, sind vom ersten Ausgangsanschluss 14 ausgehende Widerstände 105, 205 jeweils mit dem Steuereingang (Gate-Anschluss) der Längstransistoren 101, 201 verbunden. Diese Widerstände können sehr hochohmig sein und beeinflussen die sonstige Funktionalität der Schaltungsanordnung nicht. Gegebenenfalls können - je nach verwendetem MOSFET-Typ für die Längstransistoren 101, 201 und aufgrund des dort stets inhärent vorhandenen hochohmigen Widerstandes zwischen Gate und Source Anschluss - die Widerstände 105, 205 auch bei Verwendung von MOSFET-Transistoren als Längstransistoren 101, 201 entfallen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1, 1a, 1b
    Relaisspule
    2
    Kondensator
    3
    weiterer Halbleiterschalter
    4
    Referenzspannungsquelle
    5
    erster Halbleiterschalter
    6
    Widerstand
    7
    zweiter Halbleiterschalter
    8
    Glättungskondensator
    9
    Logikbaustein
    10
    Diskriminator
    11
    Anschluss für positive Versorgungsspannung V+
    12
    Masseanschluss (GND)
    13
    Steuereingang
    14, 14a, 14b,15
    Ausgangsanschluss für die Relaisspule
    100
    erster Spannungsregler
    101
    Längstransistor
    102
    Zenerdiode
    103
    Diode
    104, 105
    Widerstand
    111
    Eingang des ersten Spannungsreglers
    112
    Ausgang des ersten Spannungsreglers
    113
    Regelanschluss des ersten Spannungsreglers
    200
    zweiter Spannungsregler
    201
    Längstransistor
    202
    Zenerdiode
    203
    Diode
    204, 205
    Widerstand
    211
    Eingang des zweiten Spannungsreglers
    212
    Ausgang des zweiten Spannungsreglers
    213
    Regelanschluss des zweiten Spannungsreglers

Claims (11)

  1. Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines bistabilen Relais, bei der eine Relaisspule (1, 1a, 1b) des bistabilen Relais in einer Reihenschaltung mit einem Kondensator (2) angeordnet ist, wobei die Reihenschaltung zum Einschalten des bistabilen Relais über einen ersten Halbleiterschalter (5) mit einer Versorgungsspannung (V+) verbunden ist und zum Ausschalten des bistabilen Relais mithilfe eines zweiten Halbleiterschalters (7) kurzgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spannungsregler (100, 200) vorgesehen ist, der die an der Relaisspule (1, 1a, 1b) des bistabilen Relais anliegende Spannung so regelt, dass sie eine vorgegebene Spannung nicht überschreitet, wobei ein erster Spannungsregler (100) vorgesehen ist, der einen Eingang (111), einen Ausgang (112) und einen Regelanschluss (113) aufweist, wobei sich am spannungsgeregelten Ausgang (112) relativ zum Regelanschluss (113) eine Spannung einstellt, deren Absolutwert eine vorgegebene Spannung nicht übersteigt, und wobei der Eingang (111) mit dem ersten Halbleiterschalter (5) und der Ausgang (112) und der Regelanschluss (113) jeweils mit einem Ausgangsanschluss (14, 15) für die Relaisspule (1, 1a, 1b) verbunden sind.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der erste Spannungsregler (100) einen Längstransistor (101) aufweist, dessen Steuereingang über eine Reihenschaltung einer Zenerdiode (102) und einer Diode (103) mit dem Regelanschluss (113) verbunden ist und über einen Widerstand (104) mit dem Eingang (111) verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der die Diode (103) und die Zenerdiode (102) innerhalb ihrer Reihenschaltung antiseriell zueinander verschaltet sind.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein zweiter Spannungsregler (200) vorgesehen ist, der einen Eingang (211), einen Ausgang (212) und einen Regelanschluss (213) aufweist, wobei sich am spannungsgeregelten Ausgang (212) relativ zum Regelanschluss (213) eine Spannung einstellt, deren Absolutwert eine vorgegebene Spannung nicht übersteigt, und wobei der Eingang (211) mit dem Masseanschluss (12) und der Ausgang (212) und der Regelanschluss (213) jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (14, 15) der Relaisspule (1, 1a, 1b) verbunden sind.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der der zweite Spannungsregler (200) einen Längstransistor (201) aufweist, dessen Steuereingang über eine Reihenschaltung einer Zenerdiode (202) und einer Diode (203) mit dem Regelanschluss (213) verbunden ist und über einen Widerstand (204) mit dem Eingang (211) verbunden ist, wobei der Eingang (211) über den zweiten Halbleiterschalter (7) mit dem Masseanschluss (12) verbunden ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der der zweite Spannungsregler (200) einen Längstransistor (201) aufweist, dessen Steuereingang über eine Reihenschaltung einer Zenerdiode (202) und einer Diode (203) mit dem Regelanschluss (213) verbunden ist und über einen Widerstand (204) mit dem zweiten Halbleiterschalter (7) verbunden ist.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Diode (203) und die Zenerdiode (202) innerhalb ihrer Reihenschaltung antiseriell zueinander verschaltet sind.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Anode der Zenerdiode (102) über den Ausgangsanschluss (15) für die Relaisspule (1, 1a, 1b) mit der Kathode der Zenerdiode (202) verbunden ist.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Kathode der Diode (103) über den Ausgangsanschluss (15) für die Relaisspule (1, 1a, 1b) mit der Anode der Diode (203) verbunden ist.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der Längstransistor (101) des ersten Spannungsreglers (100) und der Längstransistor (201) des zweiten Spannungsreglers (200) zueinander komplementäre Typen sind, insbesondere NPN- bzw. PNP-Bipolartransistoren oder n-Kanal bzw. p-Kanal MOSFETs.
  11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der erste und der zweite Halbleiterschalter (5, 7) derart mit einem Steuereingang (13) der Schaltungsanordnung verbunden sind, dass sie abhängig von einem digitalen Eingangspegel an dem Steuereingang (13) invers zueinander leitend bzw. gesperrt sind.
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