DE2447199A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung eines relais - Google Patents

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie,_,_ Baden (Schweiz)

Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Relais

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Relais mit einem Steuerstromkreis von bezüglich der Relais-Ansprechspannung grösserer Steuerspannung, wobei im Erregerkreis des Relais eine Strombegrenzungseinrichtung mit einem oberhalb des Relais-Anzugstromes, jedoch unterhalb der Belastungsgrenze des Relais bemessenen oberen Stromgrenzwert angeordnet ist.

Schaltungsanordnungen dieser Art sind beispielsweise aus dem Buch "100 typische Schaltungen mit Halbleiterbauelementen" der Pa. Intermetall 1967 S. 6¹J und 65, bekannt.

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Bei allen Elektromagneten, die durch Anziehen eines Ankers Arbeit leisten, wie das z.B. in Schaltschützen, Magnetkupplungen und Stellmagneten aller Art geschieht, beträgt die Anzugerregung ein Vielfaches der Halteerregung. Es ist daher zweckmässig, den Strom durch die Spule des Magneten nach dem Anziehen zu verringern. Die Verlustleistung und damit die Spulenabmessungen, Anzug- und Abfallverzögerung bleiben dann klein.

Werden solche Magnete mit Wechselstrom gespeist, so fliesst zunächst bei geöffnetem Eisenweg ein relativ grosser Strom. Nachdem der Anker angezogen hat, fällt der Strom wegen der dann wirksamen höheren Induktivität auf etwa 10-20? seines Anfangswertes. Bei Magneten, die an Gleichspannung betrieben werden, stellt sich eine solche .Stromverminderung nicht automatisch ein, sondern muss durch zusätzliche Schaltmassnahmen erreicht werden.

Gemeinsames Merkmal der bekannten Schaltungsanordnungen ist ein mit der Magnetspule in Reihe geschalteter Widerstand, der während der Anzugszeit des Magneten durch einen elektronischen Schalter, z.B. einen Transistor, überbrückt wird.

Schaltungsanordnungen dieser Art sind jedoch in zweifacher Hinsicht mit Nachteilen behaftet. Der Vorwiderstand bringt einer-

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seits Leistungsverluste mit sich, die vom SteuerStromkreis aufgebracht werden müssen. Andererseits muss er so bemessen sein, dass sowohl der für die Halteerregung notwendige Strom fliessen kann, als auch die Belastungsgrenze der Magnetspule im Haltezustand nicht überschritten wird. Auf diese Weise lassen sich nur vergleichsweise kleine Versorgungsspannungsschwankungen von - 20/5 ausgleichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die die Nachteile des Bekannten nicht aufweist und die es ermöglicht erhebliche Spannungsschwankungen im Steuerstromkreis des Relais auszugleichen, ohne dass die Betriebssicherheit des Relais beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Relais der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Strombegrenzungseinrichtung eine in Abhängigkeit vom Erregerstrom umschaltbare Steuereinrichtung mit zwei Schaltzuständen aufweist, deren erster Schaltzustand sich in Abhängigkeit vom Ueberschreiten eines Erregerstromwertes oberhalb des Relais-Anzugstromes und deren zweiter sich bei einem im Vergleich dazu geringeren Erregerstromwert einstellt, dass eine mit der Steuereinrichtung gekoppelte Schalteinrichtung vorgesehen ist, die den vom Steuerstromkreis

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entnommenen Strom im ersten Schaltzustand der Steuereinrichtung in Bezug auf den im zweiten Schaltzustand der Steuereinrichtung entnommenen herabsetzt, und dass der Erregerstromkreis des Relais mindestens im ersten Schaltzustand der Steuereinrichtung über einen zusätzlichen Querstromzweig.geschlossen ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachstehend anhand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispiel.

Der Erregerkreis des Relais besteht aus der Reihenschaltung eines elektronischen Schalters S, der Magnetspule L des Relais und einem Strommessglied, z.B. einem Widerstand R.. Zwischen der Verbindungsleitung vom Schalter S zur Spule L und Masse liegt eine Freilaufdiode D. Der elektronische Schalter S ist z.B. eine aus den Transistoren 1,2 und den Widerständen 3,4 bestehende Darlingtonschaltung, deren Steueranschluss die Basis des Transistors 2 bildet. Der Transistor 5 bildet zusammen mit den Basisteilerwiderständen 6 und 7, dem Emitterwiderstand 8 eine Stromquelle Q, die zwischen den genannten Steueranschluss des elektronischen Schalters S und Masse geschaltet ist. Die Basis des Transistors 5 ist über einen weiteren Transistor 9 und dessen Emitterwiderstand 10 mit Masse verbunden." Parallel zum Strommesswiderstand R. liegt ein aus den Widerständen 11 und 12 bestehender Spannungsteiler,

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dessen Abgriff mit der Basis des Transistors 9 verbunden ist. Diese Bauelemente 9,10,11,12 bilden eine Verstärkerschaltung, deren Ausgangssignal (Kollektrospannung des Transistors 9) von dem durch den Strommesswiderstand R. fliessenden Strom bestimmt ist. Durch die Verbindung der beiden Emitter der Transistoren 5 und 9 mittels einer Diode 13 und eines zu ihr in Reihe geschalteten Widerstandes I¹I nimmt die aus der Stromquelle Q und dem genannten Verstärker bestehende Schaltungsanordnung bistabile Charakteristik an, derart, dass beim Ueberschreiten eines' bestimmten Stromwertes durch den Strommesswiderstand R. der Transistor 5 gesperrt und damit die Stromquelle Q abgeschaltet wird. Stromquelle Q und Verstärker bilden zusammen mit der Rückführung einen Stromtrigger T. Eine aus einer Z-Diode 15 und einem Widerstand 16 bestehende Stabilisierungsschaltung machen den Stromtrigger T weitgehend unabhängig von Schwankungen der Steuerspannung U .

Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung geht aus folgendem hervor:

Wird die Steuerspannung U eingeschaltet, so fliesst über

die Stromquelle Q sofort ein Strom, der den elektronischen Schalter S durchschalten. Der durch die Magnetspule L fliessende Erregerstrom steigt (infolge der Selbstinduktivität'.der

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Spule exponentiell an. Unterschreitet dieser Strom einen bestimmten Wert i , so schaltet der Stromtrigger über die

nid. x

Stromquelle Q den elektronischen Schalter S ab. Damit wird jedoch nicht der Stromfluss in der Magnetspule L unterbunden, da die in ihr gespeicherte Energie über einen Querstromzweig, die Freilaufdiode D, in Form eines in gleicher Richtung fliessenden Stromes weiterfliesst und in der Magnetspule ausgenützt wird. Unterschreitet dieser via Diode D, Spule L und Strommesswiderstand R. fliessende Strom einen bestimmten unteren Grenzwert i . , so spricht der Stromtrigger wieder an, der seinerseits die Stromquelle Q einschaltet. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich dann.

Liegen i unterhalb der Belastungsgrenze des Relais und i . oberhalb des Relais-Haltestromes, so pendelt der Erregerstrom des Relais ständig zwischen diesen beiden Werten hin und her, das Relais bleibt jedoch erregt.

Die genannten Grenzwerte i . und i lassen sich in einfacher

mm max

Weise durch geeignete Dimensionierung des Stromtriggers einstellen, wobei in die Dimensionierung die Kenndaten des Relais eingehen.

Dies möge an einem Beispiel verdeutlicht werden:

Ein 2^-Volt-Schütz bestimmter Bauform benötigt einen Anzugsstrom von i - tOO mA„ Der Haltestrom beträgt ca. 20% dieses

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Wertes, also i . 80 mA.
mm

Der Strommesswiderstand R. sollte so klein wie möglich gemacht werden, da er ja stets im Relais-Stromkreis liegt. Geht man davon aus, dass zum Durchsteuern des Transistors 9 des StromtriggersT eine Spannung U-· = 1 Volt am Eingang des Stromtriggers, also der Spannungsabfall an R., benötigt wird, so berechnet sich R. zu

^UTein

R₁ = _τ = 2,5-0-

max

Jede Triggerschaltung besitzt Hystereverhalten; die Kenngrösse hierfür ist die sogenannte Hysterespannung U„. Sie ist de-

finiert als die Spannungsdifferenz zwischen den Umschaltpunkten bei wachsender und sinkender Eingangsspannung (vgl. hierzu das eingangs genannte Buch "100 typische Halbleiterschaltungen", S. 3D· Die Hysterespannung ist durch die Schaltungsparameter bestimmt.

Bei einfach aufgebauten Triggerschaltungen wie die des Ausführungsbeispiels liegen diese zwischen 1 Volt und 0,1 Volt.

U„ kann u.a. durch den Vorwiderstand 12 beeinflusst werden

(vgl. a.a.O. S 31> Abs. 3).

Bei dem vorgenannten Beispiel betrug die Spannung U₁-, . _ ,

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Bei ansteigendem Erregerstrom "schaltet" der Stromtrigger demgemäss bei i , d.h. die Konstantstromquelle Q wird abgeschaltet. Bemisst man den Trigger so, dass IL. = 0,8 Volt beil

trägt, so "schaltet der Triffer bei fallendem Erregerstrom bei

^UTans ^{= U}Tein " ^UH

^UTans ^{= 1}HiIn * ^Ri

^UTans = °>^{2 Volt}

d.h. bei einem Spannungsabfall an R. = 0,2 V wird die Stromquelle Q wieder eingeschaltet..

Aus den obigen Darlegungen geht hervor, dass der Hysteresestrom des Triggers stets kleiner als der Hysteresestrom des Relais sein muss.

Der Leistungsbedarf der vorgeschlagenen Schaltung bleibt im Vergleich zu bekannten Anordnungen kleiner, da jeweils nur bei geschlossenem elektronischen Schalter S Energie aus dem Steuerstromkreis entnommen wird. Auch ist dadurch die thermische Belastung des elektronischen Schalters geringer. Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht darin, dass grosse Schwankungen der Steuerspannung U kleinen Einfluss auf die Betriebssicherheit des Relais mehr ausüben. Auch ist der Leistungsbedarf un-

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abhängig von der Grosse der Steuerspannung U nahezu konstant.

Je höher ,diese Steuerspannung ist, je kürzer werden die "Ladezeiten" für die Magnetspule, während die "Entladezeiten¹¹ der Magnetspule konstant bleiben und nur von ihren Kenndaten (innerer Widerstand, Selbstinduktivität, etc.) und dem Widerstand des Strommesswiderstandes R. und der Freilaufdiode D abhängen.

Praktische Realisierungen der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung mit einem l6-poligen Schütz Bauart P 16, Anzugserregerstrom 300-400.mA, Haltestrom ca. 50-80 mA, Betriebsspannung 24 Volt ergaben einen Arbeitsbereich für die Steuerspannung ü von weniger als 30 Volt bis hin zu 300 Volt.

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Claims (9)

IO - 115/74 Patentansprüche

1. I Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Relais mit einem Steuerstromkreis von bezüglich der Relais-Ansprechspannung grösserer Steuerspannung_} wobei im Erregerkreis des Relais eine Strombegrenzungseinrichtung mit einem oberhalb des Relais-Anzugsstromes, jedoch unterhalb der Belastungsgrenze des Relais bemessenen Stromgrenzwert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinrichtung (T,R.,S) eine in Abhängigkeit vom Erregerstrom umschaltbare Steuereinrichtung (T) mit zwei Schaltzuständen aufweist, deren erster Schaltzustand sich in Abhängigkeit vom Ueberschreiten eines Erregerstromwertes oberhalb des Relais-Anzugstromes und deren zweiter sich bei einem im Vergleich dazu geringeren Erregerstromwert einstellt, dass eine mit der Steuereinrichtung (T) gekoppelte Schalteinrichtung (S) vorgesehen ist, die den vom Steuerstromkreis entnommenen Strom im ersten Schaltzustand der Steuereinrichtung (T) in Bezug auf den im zweiten Schaltzustand der Steuereinrichtung (T) entnommenen herabsetzt, und dass der Erregerstromkreis des Relais (L) mindestens im ersten Schaltzustand der Steuer einrichtung über einen zusätzlichen Querstromzweig (D) geschlossen ist.

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querstromzweig durch einen Stromrichter (D) geschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (T) in>Abhängigkeit von einem im Erregerstromkreis des Relais (L) angeordneten Strommessgliedes (R.) gesteuert ist.

k. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (T) Hystereseverhalten aufweist, derart, dass der Uebergang vom ersten in den zweiten Schaltzustand bei in Bezug auf den Uebergang vom zweiten in den ersten Schaltzustand höherem Erregerstrom erfolgt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hysterese-Ansteuerbereich der Steuereinrichtung (T) einem den Relais^anzugstrom überdeckenden Bereich des Relaisstromes zugeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 4 oder 5> dadurch gekennzeichnet, dass der Hysterese-Ansteuerbereieh der Steuereinrichtung (T) höchstens gleich gross ist, wie der Hysterese-Strom des Relais (L).

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7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (T) derart ausgebildet ist, dass im ersten Schaltzustand die Schalteinrichtung (S) das Relais (L) vom Steuerstromkreis trennt'.

8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (T) im wesentlichen aus einer Triggerschaltung mit Stromausgang besteht.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysterese der Triggerschaltung (T) einstellbar ist.

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