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Einrichtung zur Spannungsüberwachung unter Verwendung Eines Relais
Es sind Einrichtungen zur Spannungsüberwachung bekannt, bei denen bei Überschreitung
oder Unterschreitung eines bestimmten Spannungswertes durch ein Relais Stromkreise
geschlossen und geöffnet werden, um so die Spannung auf dem gewünschten Wert zu
halten. Bei der Verwendung von Relais zur Spannungsüberwachung treten aber gewisse
Schwierigkeiten auf, da sich die an der Relaiswicklung liegende Spannung unter Umständen
sehr langsam ändern kann. Bei einer solchen sich langsam der Anzugsspannung nähernden
Relaisspannung, wenn sich also die Relaisdurchflutung stetig und sehr langsam der
für den Anzug erforderlichen Durchflutung nähert, besteht stets die Gefahr, daß
der Relaisanker schleichend angezogen wird, so daß auch eine schleichende Kontaktgabe
zustande kommt. Dies kann so weit gehen, daß der Relaisanker in irgendeiner Zwischenstellung
stehenbleibt, in der sowohl die Ruhe- als auch die Arbeitskontakte geöffnet sind,
so daß eine Kontaktgabe überhaupt nicht mehr erfolgt.
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Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, sind bereits Einrichtungen
verwendet worden, die beim Überschreiten eines gewissen Spannungswertes eine sprunghafte
Änderung der Relaisdurchflutung bewirken, z. B. eine elektronische Steuereinrichtung
in Schmitt-Trigger-Schaltung. Eine solche Einrichtung ist jedoch sehr aufwendig
und weist auch verschiedene andere Nachteile auf. So muß z. B. bei der Verwendung
von Elektronenröhren eine verhältnismäßig große Verlustleistung (Heizleistung) in
Kauf genommen werden, während bei der Verwendung von Transistoren eine verhältnismäßig
große Temperaturabhängigkeit vorhanden ist. Besonders aufwendig sind diese Einrichtungen
dann, wenn gefordert wird, daß der Anzugs- und der Abfallpunkt des Relais nahe beieinanderliegen
sollen.
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Bei einer weiterhin bekannten Schaltung sind auf dem Relais eine Hauptwicklung
und eine der Hauptwicklung entgegenwirkende Hilfswicklung vorgesehen, wobei die
Hilfswicklung über einen Ruhekontakt abschaltbar ist. Der Ruhekontakt ist hier so
ausgebildet, daß er nach Anzug des Relaisankers geöffnet wird. Bei einer anderen
bekannten Schaltungsanordnung sind auf einem Fernsprechrelais zwei Differentialwicklungen
vorgesehen, von denen eine mit Hilfe eines eigenen Kontaktes abschaltbar ist, um
so dem Relais sowohl eine Anzugs- als auch eine Abfallverzögerung zu geben. Schließlich
ist auch ein für Steuerungszwecke geeignetes elektromagnetisches Relais bekannt,
das bei seinem Ansprechen einen im Erregerkreis liegenden Widerstand kurzschließt,
der in Reihe mit einem Eisen-Wasserstoff-Widerstand in einer die Anzugswirkung unterstützenden
Zusatzwicklung des Relais angeordnet ist. Es wird hierdurch ein im wesentlichen
konstanter Strom in der Zusatzwicklung erreicht, der nur während der Übergangszeiten
erhöht wird, so daß außerhalb dieser Übergangszeiten die Eichwerte des Relais erhalten
bleiben: Mit allen diesen bekannten Schaltungsanordnungen kann eine schleichende
Kontaktgabe nicht vermieden werden, da die vorgesehenen Schaltungsmaßnahmen eine
Umschaltung aller normalerweise gleichzeitig betätigten Relaiskontakte voraussetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Spannungsüberwachung
unter Verwendung eines Relais zu schaffen, welche die obengenannten Nachteile nicht
aufweist und die mit großer Genauigkeit arbeitet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Relais eine im Vergleich zu der zu überwachenden Spannung niederohmige Hauptwicklung
und eine über einen eigenen Ruhekontakt in einem der Hauptwicklung entgegenwirkenden
Sinne beeinflußte Hilfswicklung aufweist,-daß die Hauptwicklung über einen spannungsabhängigen
Widerstand mit Ansprechschwelle an die zu überwachende Spannungsquelle angeschlossen
ist und daß der im Stromkreis der Hilfswicklung liegende Ruhekontakt derart ausgebildet
und angeordnet ist, daß er beim Anziehen des Relais vom Relaisanker als erster Kontakt
betätigt wird. Vorzugsweise wird als spannungsabhängiger Widerstand mit Ansprechschwelle
eine Zenerdiode verwendet. Durch eine solche Einrichtung wird eine schleichende
Kontaktgabe der Relaiskontakte mit Sicherheit vermieden, da bei beginnendem Anzug
des Relaisankers durch die Abschaltung der Hilfswicklung eine sprunghafte Änderung
der Relaisdurchflutung bewirkt
wird. Durch die Verwendung eines
spannungsabhängigen Widerstandes mit Ansprechschwelle kann auch bei höheren Spannungen
ein Relais mit steiler Kennlinie () = f (U) verwendet werden, so daß sich
ohne wesentlichen Aufwand eine große Genauigkeit erreichen läßt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
In dieser zeigt F i g. 1 verschiedene Relaiskennlinien O = f (U)
und
F i g. 2 schematisch die Zusammenschaltung der einzelnen Elemente der Spannungsüberwachungseinrichtung.
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In dem in F i g. 1 gezeigten Koordinatensystem ist auf der Abszisse
die zu überwachende Spannung U und auf der Ordinate die Relaisdurchflutung D aufgetragen.
Die Gerade 1 stellt die Anzugserregung (0A) für einen Relaistyp mit bestimmter Kontaktbelastung
dar. Diese Anzugserregung kann für einen bestimmten Relaistyp für verschiedene Wicklungen
als konstant angenommen werden. Der Schnittpunkt der Kennlinien O = f
(U) mit der Geraden 1 (O A)
stellt den Anzugspunkt des Relais dar.
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Die strichpunktierte Gerade 2 ist eine Relaiskennlinie, die sich beim
Anschluß eines relativ hochohmigen Relais an eine veränderliche Spannung ergibt.
Der Anzugspunkt ist mit A., bezeichnet. Diese Kennlinie hat einen verhältnismäßig
flachen Verlauf, so daß für eine bestimmte Änderung der Relaisdurchflutung eine
verhältnismäßig große Spannungsänderung erforderlich ist. Ein solches Verhalten
ist jedoch für ein Spannungsüberwachungsrelais ungünstig. Die Gerade 3 stellt eine
Relaiskennlinie dar, die sich beim Anschluß eines Relais mit geringerem Wicklungswiderstand
an eine veränderliche Spannung ergibt. Diese Kennlinie verläuft erheblich steiler
als die Kennlinie 2, so daß für eine bestimmte Änderung der Relaisdurchflutung eine
erheblich geringere Spannungsänderung erforderlich ist. Der Anzugspunkt dieses Relais
ist mit A.3 bezeichnet.
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Soll nun ein Relais zur Überwachung einer höheren Spannung verwendet
werden, als es dem Widerstand seiner Relaiswicklung entspricht, so kann vor die
Hauptwicklung ein spannungsabhängiger Widerstand mit Ansprechschwelle, z. B. eine
Zenerdiode, geschaltet werden. Es ergibt sich damit die Relaiskennlinie 4 in der
F i g. l . Die Zenerdiode 5 stellt bis zu einer bestimmten Spannung UZ einen sehr
hohen Widerstand dar, so daß bis zu dieser Spannung U7 ein Strom durch die Wicklung
6 des Relais A praktisch nicht fließt. Die 'Zenerdiode ist in Verbindung mit der
niederohmigen Hauptwicklung 6 des Relais A so gewählt, daß sich in der dargestellten
Kennlinie 4 der gleiche Anzugspunkt wie bei dem Relais mit der Kennlinie 2 ergibt.
Dadurch wird erreicht, daß die natürlichen, nahe beieinanderliegenden Anzugs- und
Abfallpunkte eines niederohmigen Relais auch bei einer höheren Spannurig, als sie
dem Widerstand der Wicklung des Relais entspricht, ausgenutzt werden können. Durch
die Zenerdiode 5 ist also die Kennlinie 3 im wesentlichen in Richtung einer höheren
Spannung parallel verschoben worden.
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Auch ein Relais mit vorgeschalteter Zenerdiode hat jedoch den Nachteil,
daß bei langsamer und stetiger Änderung der Spannung U das Relais einen schleichenden
Anzug aufweist. Das Relais trägt deshalb die Hilfswicklung 7, die über den eigenen
Ruhekontakt a 1 an die zu überwachende Spannungsquelle angeschlossen ist. Diese
Hilfswicklung 7 bewirkt eine der Hauptwicklung 6 entgegengerichtete Durchflutung
des Relaisankers. Die sich bei dieser Schaltung ergebende Kennlinie ist in F i g.
1 mit 8 bezeichnet. Bis zur Erreichung der Ansprechspannung UZ der Zenerdiode 5
wird das Relais A durch die Hilfswicklung 7 in einem der Hauptwicklung entgegengerichteten
Sinne erregt. Wird nun die Spannung UZ erreicht, so beginnt durch die Hauptwicklung
6 des Relais A ein Strom zu fließen, der die durch die Hilfswicklung bewirkte Gegenerregung
mit steigender Spannung kompensiert und die Gesamterregung des Relais mit zunehmender
Spannung ansteigen läßt, bis der Anzugspunkt Ar, erreicht ist. In diesem Augenblick
öffnet der Kontakt a 1 des Relais A, und die Hilfswicklung 7 wird abgeschaltet,
so daß die Gesamterregung des Relais von dem Punkt A,, sprunghaft auf den Punkt
B geändert wird. Das Relais nimmt nunmehr also einen Arbeitspunkt ein, der weit
oberhalb der erforderlichen Anzugserregung liegt, d. h., es zieht sehr schnell durch.
Wird nun die Spannung U wieder verringert, verläuft die Durchflutung O entsprechend
der Kennlinie 4 bis zu dem nicht eingezeichneten Abfallpunkt des Relais, an dem
der Relaisanker abfällt und der Kontakt a1, der die Gegenerregung wieder einschaltet,
geschlossen wird. Nach dem Abfall nimmt das Relais also wieder eine sehr stabile
Lage ein. Bezüglich des Abfalls des Relais kann gesagt werden, daß die Abfallgenauigkeit
eines Relais mit niederohmiger Hauptwicklung, also steiler Kennlinie, ausreicht,
um eine hohe Genauigkeit bezüglich der Abfallspannung zu erreichen. Auch wenn bei
angezogenem Relais die Abfallspannung nur sehr langsam erreicht wird, wird eine
schleichende Kontaktgabe mit Sicherheit vermieden. Die Hilfswicklung 7 ist in der
F i g. 2 an die zu überwachende Spannungsquelle angeschlossen. Sie kann aber auch
aus einer getrennten Spannungsquelle gespeist werden.
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In F i g. 2 ist in dem die Hilfswicklung 7 enthaltenden Stromkreis
noch ein Widerstand 9 dargestellt, der vorzugsweise veränderlich ausgebildet
ist. Durch Veränderung dieses Widerstandes 9, d. h. durch Veränderung der Gegenerregung,
ist eine Verschiebung des Anzugspunktes Ar, innerhalb gewisser Grenzen möglich.
Ist eine Veränderung des Anzugspunktes A,, nicht erforderlich, so kann die Relaiswicklung
7 auch mit entsprechend hohem Widerstand ausgeführt werden, so daß sich ein besonderer
Vorwiderstand 9 erübrigt. Der Kontakt a 1 kann als Umschaltkontakt ausgebildet
sein, der bei angezogenem Relaisanker über die gestrichelt gezeigte Verbindung
10 und den Widerstand 9 die Hilfswicklung 7 kurzschließt. Hierdurch wird
eine gewisse Abfallverzögerung erreicht, so daß kurzzeitige Spannungsabsenkungen
unter dem Abfallpunkt, wie sie beispielsweise bei einer gleichgerichteten Wechselspannung
auftreten, einen Abfall des Relaisankers noch nicht bewirken.
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Wird eine Veränderung des Abfallpunktes innerhalb gewisser Grenzen
verlangt, so kann der Hauptwicklung 6 der in F i g. 2 gestrichelt dargestellte Widerstand
11 vorgeschaltet werden. Dieser Widerstand 11 ist vorzugsweise veränderlich
auszuführen. Eine Änderung des Abfallpunktes kann auch durch Änderung der Ansprechspannung
des spannungsabhängigen Widerstandes mit Ansprechschwelle erreicht werden, wenn
hierfür z. B. ein statisch rückgekoppelter Transistor verwendet wird.
Die
erfindungsgemäße Spannungsüberwachungseinrichtung kann beispielsweise unter Verwendung
eines Relais mit einer Nennspannung von 2 bis 6 V für die Überwachung einer 60-V-Spannungsquelle
verwendet werden, wie sie für die Spannung von Telefonanlagen benutzt wird.