DE4332995C1 - Verfahren zur Ansteuerung von parallel angeordneten Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Relaiserregerspulen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bekanntlich weist ein Relais einen Anker auf, durch den Schaltkontakte betätigt werden können. Die zur Betätigung erforderliche Kraft muß von der Relaiserregerspule aufge­ bracht werden. Bei gegebener Windungszahl der Erregerspule ist zum Anzug des Ankers und zur Betätigung der Schaltkontak­ te ein bestimmter Strom durch die Erregerspule erforderlich. Da nach dem Anzug des Ankers die durch den Luftspalt hervor­ gerufenen Verluste im magnetischen Kreis geringer werden, genügt zum Halten der Kontakte ein niedrigerer Strom als zum Anzug. Die Folge davon ist, daß im allgemeinen der Ansteuer­ strom des Relais in diesem Fall auf die Hälfte bis auf ein Drittel verringert werden kann, wodurch sich die Verlustlei­ stung aufgrund des niedrigeren Haltestroms und damit die Erwärmung der Erregerspule verringert.

Zur Verringerung des Haltestroms sind verschiedene Verfahren bekannt. Ein bekanntes Verfahren besteht darin, daß nach Erreichen des Ansprechzustandes der Haltestrom dadurch ver­ ringert wird, indem man auf eine Spannungsquelle mit einer niedrigeren Versorgungsspannung umschaltet. Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, daß man das Relais nach Erreichen des Ansprechzustandes mit einem Taktverhältnis ansteuert, so daß der Haltestrom bis auf einen eingeschwunge­ nen Endzustand absinkt. Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, das Relais anfangs mit einer höheren Ansteuer­ spannung zu versorgen, was mit Hilfe eines Spannungsverviel­ fachers möglich ist.

Wenn mehrere Relais oder Relaisgruppen durch eine Spannungs­ quelle versorgt werden sollen, so ist beispielsweise für das Takten für jedes Relais eine eigene Schaltung erforderlich. Das bedingt einen hohen Schaltungsaufwand und damit hohe Herstellungskosten.

Durch die EP 0 392 058 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines elektromagnetischen Relais bekannt, bei der alle Erregerkreise parallel zueinander und gemeinsam in Serie mit der Schaltstrecke eines elektronischen Schalters an eine Gleichspannungsquelle anschaltbar sind. Der elektronische Schalter wird impulsweise durchgeschaltet und gesperrt, wobei das Tastverhältnis in einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung und von der Umge­ bungstemperatur des Relais so eingestellt wird, daß der für die angeschlossenen Relais erforderliche Mindesthaltestrom nicht unterschritten wird.

Weiter ist es durch die DE 33 31 678 C2 bekannt, die Einlei­ tung des Anzugszustandes und die Aufrechterhaltung des Halte- Erregungszustandes bei Relais herbeizuführen, ohne daß der Energieaufwand im Falle einer Kombination unzulässig über­ schritten wird. Dies geschieht mit elektronischen Baugruppen, die in der Folge von zeitlich unabhängig voneinander wählba­ ren Anzugsimpulsen zeitlich versetzte Steuersignale für periodische Halteimpulsfolgen erzeugen.

Weiter ist durch die DE 34 34 343 C2 eine verlustarme Strom­ versorgung für Relais bekannt, die bei in weiten Grenzen schwankende Netzspannung die Verlustleistung der Relaisspulen stabilisiert und zwar durch eine Regelung des arithmetischen Spannungsmittelwertes und der Glättung des Spulenstroms. Die Relaisspule wird mit einer pulsierenden Gleichspannung ver­ sorgt.

Durch die DE 32 08 660 A1 ist eine Steuerschaltung mit nied­ rigem Leistungsverlust und schneller Freigabe des Ankers bekannt, bei der eine Diode parallel zum Solenoid und eine Z- Diode parallel zu einem Transistor angeordnet ist, der mit dem Solenoid in Reihe geschaltet ist. Nach einem anfänglichen breiteren Impuls wird gepulst angesteuert.

Durch die DE 36 09 629 A1 ist schließlich eine integrierte elektronische Schaltung bekannt, bei der ein Freilaufkreis mit einer Diode und einer Z-Diode parallel zu einer indukti­ ven Last vorgesehen sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem mehrere Relais bauteilesparend und verlustarm betrieben werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand von sieben Figuren näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm zur Erklärung des Verfahrensablaufs nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von zwei Relais;

Fig. 3 einen Stromverlauf zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung von Fig. 2;

Fig. 4 einen Stromverlauf zur Erklärung des eingeschwungenen Zustandes der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 5 einen stromverlauf zur Erklärung des Ausschaltvor­ ganges der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Ansteuer­ signale der Anordnung nach Fig. 2; und

Fig. 7 die Schalterstellungen von drei Relais sowie das entsprechende Ausgangssignal eines monostabilen, wiedertrig­ gerbaren Flip-Flops.

Das in Fig. 1 gezeigte Flußdiagramm zeigt den Verfahrensab­ lauf zum Einschalten und Ausschalten von mehreren Relais. Bei Schritt S1 beginnt die Routine. In einem darauf folgenden Schritt S2 werden alle gewünschten Relais eingeschaltet. In einem sich daran anschließenden Entscheidungsschritt S3 wird entschieden, ob die gewünschten Relais angezogen haben. Wenn "Nein" festgestellt wird, werden die gewünschten Relais weiter mit dem Anzugsstrom versorgt. Wenn "Ja" festgestellt wird, schreitet die Routine zu Schritt S4, wo die gewünschten Relais mit einem Taktverhältnis angesteuert werden.

In einem weiteren Schritt S5 wird festgestellt, ob alle oder einzelne Relais abgeschaltet werden sollen. Wenn "Nein" festgestellt wird, werden dieses oder diese bei S4 weiter mit dem Taktverhältnis angesteuert. Wenn "Ja" entschieden wird, werden bei Schritt S6 die Relais, die eingeschaltet bleiben sollen, über einen Schalter fest, d. h. ohne ein Taktverhält­ nis, eingeschaltet. In einem sich anschließenden Schritt S7 wird gleichzeitig ein gemeinsamer Ausschalter betätigt. Durch diesen Ausschalter werden die auszuschaltenden Relais schnell ausgeschaltet. Bei Schritt S8 endet die Routine.

Fig. 2 zeigt nun eine Schaltungsanordnung, mit der eine getaktete Ansteuerung durchgeführt werden kann. Als Beispiel sind zwei Relaiserregerspulen Rel1 und Rel2 parallel an eine Spannungsquelle Ub angeschaltet, die jeweils durch einen in Reihe liegenden Schalter s1, s2 geschaltet werden können. Parallel zur jeweiligen Relaiserregerspule Rel1, Rel2 ist jeweils eine in Sperrichtung geschaltete Diode D1, D2 ange­ schlossen, an die sich eine gemeinsame in Sperrichtung betriebene Z-Diode Z anschließt, deren Anode mit der Span­ nungsquelle Ub verbunden ist. Parallel zur Z-Diode Z ist ein gemeinsamer Ausschalter s0 angeordnet, durch den die Z-Diode Z überbrückbar ist. Die Schalter s1, s2 können gemäß dem Verfahren von einem nicht dargestellten Taktgenerator getak­ tet geschaltet werden.

In Fig. 3 ist nun der zeitliche Verlauf des Stroms in Abhän­ gigkeit von der Zeit anhand eines Diagramms dargestellt, das als Beispiel den Stromverlauf durch die Relaiserregerspule Rel1 zeigt. Im Zeitpunkt t0 wird die Relaiserregerspule Rel1 durch den Schalter s1 an die spannungsquelle Ub angeschal­ tet, wodurch der Strom in der Relaiserregerspule Rel1 u. a. aufgrund der auftretenden Induktionsspannung, die der ange­ legten Spannung Ub entgegenwirkt, verzögert ansteigt. Der gemeinsame Ausschalter s0 ist geschlossen. Im Zeitpunkt t1 soll der Ansprechzustand des Relais Rel1 erreicht sein, wobei der kleine Einbruch in der Stromkurve, der durch die sich dabei ändernde Induktivität durch das Anziehen des Ankers auftritt, nicht dargestellt ist. Im Zeitpunkt t1 wird also der Ansprechzustand der Relaiserregerspule Rel1 er­ reicht, wobei der Zeitpunkt t1 vorher durch Messung oder Berechnung aus der Stromversorgungsspannung Ub, dem ohmschen Widerstand der Relaiserregerspule, der Induktivität und der sich einstellenden Temperatur bestimmt wird.

Im Zeitpunkt t1 beginnt nun der Schalter s1 aufgrund der Ansteuerung des Taktgenerators zu takten. Somit wird der Schalter s1 im Zeitpunkt t1 geöffnet, so daß der Strom i1 in der Relaiserregerspule Rel1 absinkt. Die im Zeitpunkt t1 auftretenden negative Ausschaltspannungsspitze bricht auf­ grund der Diode D1 auf den Wert ihres Vorwärtsspannungsab­ falls zusammen, so daß die Abschaltspitze abgebaut wird. Der gemeinsame Ausschalter s0 bleibt weiterhin geschlossen.

Im Zeitpunkt t2 wird nun der Schalter s1 durch den Taktgene­ rator wieder geschlossen, was zur Folge hat, daß der Strom i1 in der Relaiserregerspule Rel1 wieder ansteigt. Im Zeitpunkt t3 wird der Schalter s1 wieder geöffnet, so daß der Strom i1 in der Relaiserregerspule Rel1 wieder ansteigt. Dieser Vorgang setzt sich über die Zeitpunkte t4, t5 abwechselnd fort, so daß sich nach einer gewissen Zeit der in Fig. 4 gezeigte eingeschwungene Endzustand einstellt, wobei der Strom i1 den Haltestrom bildet, bei dem der Relaisanker angezogen bleibt. Die Höhe des Stroms i1 wird durch das in Fig. 3 angedeutete Verhältnis der Einschaltdauer Tx zur Ausschaltdauer Ty bestimmt, was als Taktverhältnis bezeichnet wird.

In Fig. 5 wird nun der Ausschaltvorgang erläutert und zwar unter der Annahmen daß die Relaiserregerspule Rel1 ausge­ schaltet werden soll und die Relaiserregerspule Rel2 weiter eingeschaltet bleiben soll.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Diagramm sind der Stromver­ lauf i1(t) in der Relaiserregerspule Rel1, der Stromverlauf i2(t) in der Relaiserregerspule Rel2 und die Schalterstel­ lungen s1, s2, s0 dargestellt, wobei die dicken Linien der Schalterstellungen den geschlossenen Zustand dieser Schalter andeuten sollen.

Der zeitliche Verlauf der Ströme i1 und i2 im Zeitpunkt t0 bis taus entspricht dem in Fig. 3 und 4 gezeigten Stromver­ lauf für den eingeschwungenen Zustand. Demnach wird der Strom i1 durch die Relaiserregerspule Rel1 getaktet gesteuert, ebenso der Strom i2 durch die Relaiserregerspule Rel2. Die Schalter s1 und s2 werden gemäß dem Taktverhältnis getaktet gesteuert. Der Schalter s0 ist dabei immer geschlossen.

Im Zeitpunkt taus wird entschieden, daß die Relaiserregerspu­ le Rel1 abschalten soll. Somit wird der Schalter s1 geöff­ net, wodurch der Strom i1 entsprechend der in Fig. 5 darge­ stellten Abschaltkurve absinkt. Im gleichen Zeitpunkt öffnet der gemeinsame Ausschalter s0, so daß die Abschaltspannungs­ spitze der Relaiserregerspule Rel1 über die Diode D1 und die gemeinsame Z-Diode begrenzt wird. Damit der Abschaltvorgang für die Relaiserregerspule Rel1 schnell vor sich geht, sollen alle Relais mit möglichst hoher Abschaltspannung betrieben werden. Deshalb wird im Zeitpunkt taus auch der Schalter s0 , der als gemeinsamer Ausschalter dient, geöff­ net. Der Grund dafür ist, daß der Schalter S0 in der "Ein" Stellung einen gewissen Widerstand aufweist (der Schalter kann als Transistorschalter ausgebildet sein), wogegen der Widerstand der Z-Diode im Bereich der Durchbruchspannung äußerst klein ist, so daß die Relaiserregerspule Rel1 schnell über die Diode D1 entladen wird, was zu einem ge­ wünschten schnellen Abfall des Relaisankers der Erregerspule Rel1 führt. Während des Entladens steigt die Spannung zwi­ schen der Diode D1 und der Z-Diode kurzzeitig steil an, so daß, wenn der Schalter s2 weiter getaktet in diesem Zustand angesteuert werden würde, d. h., der Schalter s2 auch zeit­ weise ausgeschaltet werden würde, auch das Relais Rel2 abfallen würde. Damit jedoch die Relaiserregerspule Rel2 (und mögliche andere Relaiserregerspulen) nicht ebenfalls ausschalten, wird der Schalter s2 (und mögliche andere Schal­ ter) geschlossen, wobei dieser in einem nichtgetakteten Betrieb bis zum Zeitpunkt t1 in einer geschlossenen Stellung verbleibt, bis der Zeitpunkt t1 erreicht ist, wo, wie bereits in Fig. 3 beschrieben, wieder auf getakteten Betrieb umge­ schaltet wird. Während dieser Phase wird zwar die Verlustlei­ stung wieder etwas größer, der Bauteileaufwand ist aber wesentlich geringer.

In Fig. 6 ist eine Teilschaltung zur Erzeugung der Ansteuer­ signale für die Schalter s1 und s2 dargestellt, wobei jedoch diese Aufgabe auch durch einen Mikroprozessor wahrgenommen werden kann.

Die Schaltung besteht aus zwei Eingängen E1, E2, die jeweils mit einem Eingang eines UND-Gliedes verbunden sind, wobei jeweils an dessen Ausgang die Signale für s1, s2 abnehmbar sind. Die Eingänge E1, E2 sind weiterhin mit einem monostabi­ len, wiedertriggerbaren Flip-Flop Q verbunden, das hier zwei negativ flankengesteuerte Eingänge aufweist. Der Ausgang des Flip-Flops steht mit jeweils einem Eingang von zwei ODER- Gliedern in Verbindung, wobei der jeweilige andere Eingang der zwei ODER-Glieder an einem Taktgenerator angeschlossen ist. Die jeweiligen Ausgänge der beiden ODER-Glieder sind an den jeweiligen zweiten Eingang der UND-Glieder angeschlossen.

In Fig. 7 sind als Beispiel drei Relaissignale gezeigt. An jeder abfallenden Flanke des Eingangssignals. d. h., wenn die Ansteuerung des Relais aufhört, soll jedesmal ein AUS_allg Impuls entstehen. Überlappen sich zwei Impulse gegenseitig, so soll der letzte maßgebend sein, d. h., das Monoflop muß wiedertriggerbar sein. Das Ansteuersignal für den Schalter s0 ist logisch mit dem AUS_allg identisch, nur daß eine Poten­ tialverschiebung durchgeführt werden muß.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ansteuerung von mehreren parallel an einer gemeinsamen Spannungsquelle angeschalteten Relaiserregerspu­ len, die jeweils durch ihnen zugeordnete Relaisschaltungsmit­ tel ein- und ausschaltbar sind, wobei die jeweils einzu­ schaltenden Relaiserregerspulen (Rel1, Rel2) nach Erreichen ihres Ansprechzustandes (t1) derart über Relaiserregerspulen­ schaltungsmittel von einem gemeinsamen Taktgenerator (TG) mit einem Taktverhältnis (Tx/Ty) angesteuert werden, daß sich ein gegenüber dem Ansprechzustand verringerter, eingeschwungener Zustand eines Haltestroms einstellt, dadurch gekennzeichnet , daß die Relaiserregerspulen (Rel1, Rel2) durch gemeinsame Ausschaltemittel (s0) aus­ schaltbar sind, wobei für diejenigen Relaiserregerspulen, die weiterhin in einem eingeschwungenen Zustand des Haltestroms betrieben werden sollen, das jeweilige Relaiserregerspulen­ schaltungsmittel geschlossen bleibt (Fig. 5), so daß sich ein kurzzeitig ansteigender Ansprechstrom (i2(t)) in der zuge­ ordneten Relaiserregerspule (Rel2) einstellt, die nach einer vorbestimmten Zeit (t1) wieder vom Taktgenerator (TG) mit einem Taktverhältnis (Tx/Ty) angesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die vorbestimmte Zeit durch die Zeitdauer bestimmt ist, bis zu der die jeweilige Relaiserregerspule den An­ sprechzustand erreicht hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die verwendeten Relaiserregerspulen typengleich sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, wenn nur eine Teilgruppe von Relaiserre­ gerspulen typengleich sind, das Verfahren auf diese Typen­ gruppe angewendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die vorbestimmte Zeitdauer durch einen Mikropro­ zessor berechnet und eingestellt wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur jeweiligen Relaiserregerspule (Rel1, Rel2) jeweils eine Diode (D1, D2) geschaltet ist, wobei jede Diode in Sperrichtung an der Spannungsquelle (Ub) über eine in Sperrich­ tung in Reihe liegende gemeinsame Z-Diode (Z) angeschaltet ist, wobei parallel zur Z-Diode gemeinsame Ausschaltemittel (s0) geschaltet sind.