Schaltungsanordnung für die Erregung und Entregung eines bistabilen Relais

Abstract

 Bei einer Schaltungsanordnung für die Erregung und Ent­regung eines bistabilen Relais im Stromkreis einer Strom­quelle, deren Spannung niedriger ist als die Ansprech­spannung des Relais, und einer Transistor- und Ladekon­densator-Schaltungskombination besteht die Neuerung darin, daß der Basis-Elektroden-Eingang eines ersten Transistors (1) in einem ersten Betriebszustand durch eine periodische Impulsspannung beaufschlagbar ist, wobei ein Ladekonden­sator (17) der Schaltungskombination in einem ersten Strompfad (19) über eine Gleichrichter-Einrichtung aus Diode (21) und Strombegrenzungswiderstand (22) in Serien­schaltung einerseits und Null-Pol (23) der Stromquelle (2) andererseits liegt und in einem zweiten Strompfad (24) in einem zweiten Betriebszustand über einen zweiten Transistor (25), bei Sperrung des ersten Transistors (1) durch Umschaltung der Basiselektrode von der Impulsspan­nung auf den Quellenpol und gleichzeitig damit bei Leit­fähigkeit des zweiten Transistors (25) durch Umschaltung der Basis-Elektrode (29) des Relais (3) einschaltbar und schließlich in einem dritten Betriebszustand bei Beauf­schlagung der Basis-Elektrode (5) des ersten Transistors (1) mit Spannung Null (L) das Relais (3) entregbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Erregung und Entregung eines bistabilen Relais im Ausgang eines Stromkreises mit einer Stromquelle, deren Spannung niedriger ist als die Ansprechspannung des Relais, einer Transistor- und Ladekondensator-Schaltungs-Kombina­tion gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Bistabile Relais sind wegen ihres Vorteils des geringen Energieverbrauchs bei Batterie-betriebenen Geräten zum Schalten größerer Spannungen bzw. Ströme an sich recht vorteilhaft. Sie benötigen jedoch mindestens für ihre Ein­schaltung eine relativ größere Spannung für den Strom in einer Richtung durch die Spule des Relais zur Erregung, während für die Aufrechterhaltung des eingeschalteten Zu­standes infolge der Remanenz des magnetischen Kreises kein Strom erforderlich ist bei bistabilen Relais mit nur einer Spule, weil deren Anker nach Erregung gegen eine Federkraft durch Remanenz in der Arbeitslage gehalten wird und zur Ab­schaltung des Relais ein geringerer Strom bei niedrigerer Spannung als der Ansprechspannung für die Erregung in Gegen­richtung zur die Aufhebung der Remanenz ausreicht.

[0003] Mit Rücksicht auf den bei gleichem Volumen grös­seren Energieinhalt einer einzelnen Batterie im Vergleich zu einer Reihenschaltung aus mehreren Batterien mit niedri­gerer Spannung und im Zuge der Miniaturisierung der mit solchen Batterien betriebenen Geräte kommen immer mehr Mi­kroprozessoren in Einsatz, für die eine Versorgungsspannung von 1,5 V ausreicht. Einer Versorgung der einschlägigen Ge­räte mit Relaisausgang steht lediglich entgegen, daß Batte­rien mit 1 ,5 V Spannung für die Erregung des betreffenden Relais nicht ausreichen. Es besteht also ein Bedarf an einer Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe die Batterie-Spannung von 1,5 V in eine Relais-Versorgungsspannung von ca. 4,5 V bis 6 V für ein leicht herstellbares und somit preiswertes Remanenzrelais umgewandelt werden kann.

[0004] Die Erfindung geht aus von einem Stand der Tech­nik der sogenannten eisenlosen Spannungswandler bzw. Span­nungs-Verdoppler- oder Vervielfacher-Schaltungen, zB. laut dem Aufsatzvon H.Michl in "Funktionstechnik 1968" Nr.18, Seite 7o1. Dort ist eine dreigliedrige Phasenkette, wie sie in RC-Generatoren Verwendung findet, in Verbindung mit einer Dioden-Kondensator-Kette nach Art der bekannten Spannungs-­Verdoppler oder Vervielfacher-Schaltungen an den Ausgang des RC-Phasenketten-Generators angeschlossen. Diese Schaltung und in gleicher Weise ähnliche Schaltungen sind in der Regel, da sie von der mehrfachen Anwendung des Spannungsverdopp­lungs-Prinzips mit Hilfe von Serien-geschalteten Kondensator-­Gruppen Gebrauch macht, relativ aufwendig.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Auf­gabe zugrunde, die Umwandlung einer relativ niedrigen Bat­terie-Spannung in eine höhere Gleichspannung durch eine Schaltungsanordnung zu bewerkstelligen, die einen kleineren Aufwand an Bauelementen und an Montage- bzw. Justierungs­mitteln erfordert, aber trotzdem zuverlässig ist und den Forderungen der Miniaturisierung von der Raumfrage her bes­ser entspricht als es bei den bekannten Lösungen der Fall ist.

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 in Verbindung mit den Teilmerkmalen des Oberbegriffs ge­löst. Sie macht Gebrauch von dem Prinzip der Induktion eines Impulses von relativ hoher Spannung an einer Spule je nach der Schnelligkeit des Abschaltens eines durch sie fließenden Stroms. Hierfür wird dieser Impuls mehrfach hin­tereinander gleichgerichtet zur Ladung eines Kondensators verwertet, bis dieser Kondensator die für die Erregung des Relais notwendige Spannung erreicht bzw. etwas überschrit­ten hat. Nachdem durch die ausreichende Spannung das Relais eingeschaltet ist, genügt für die Abschaltung des Relais dann die Spannung der Batterie allein in zu der Erregungs­spannung umgekehrter Richtung. Die Erfindung benötigt hier­ bei eine lediglich zeitlich gestufte Beaufschlagung von Ein­gangsklemmen mit teils periodischen Impulsspannungen und teilweise mit Gleichspannungen Null und Quellen-Pol (posi­tiv bzw. negative - je nach Detail-Prinzip der Halbleiter-­Schaltung PNP und NPN bzw. NPN und PNP od.dgl.)

[0007] Das erfindungsgemäße Schaltungsprinzip ermöglicht die Verwendung von von serienhergestellten, miniaturisier­ten Bausteinen mittels wahlweise gehäufter Integration von Bauelementen bzw. Teil-Baugruppen, wie Baueinheiten für periodische Spannungsquellen, Gleichspannungsquellen ver­schiedenen Potentials und zugehörigen Schaltern geeigneter Bauart in Eingangskreisen eines Steuerwerks für den Zeit­ablauf der Schaltvorgänge und ihren Einsatz in Verbindung mit Baugruppen der eingangs erwähnten Art mit niedrigerer Versorgungsspannung, aber auch in Verbindung mit Relais der üblichen Ansprechspannungen.

[0008] Andere Besonderheiten sind Gegenstand der Unteran­sprüche, insbesondere bezüglich der Steuerung der Eingangs­spannungen an den einzelnen Klemmen. Ein Ausführungsbei­spiel ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben; es stellen dar:

Fig1: Eine allgemeine Variante mit einem ersten Strompfad mit gesonderter Diode (gestrichelt gezeichnet) und einem zweiten Strompfad mit einem NPN-Transistor im Ladeeingangs-Zweig des Ladekondensators;

Fig. 2: eine schaltbildtechnisch vereinfachte Variante, wobei die Diode funktionell in die Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors integriert ist, außerdem mit einem Mikroprozessor für die Umschaltung des Basis-Elektroden-­Eingangs des ersten Transistors von H/L-Impuls-Spannung auf Gleichspannung Null, sowie die Umschaltung der Basis-­Elektrode des zweiten Transistors von Gleichspannung Null (L) auf Quellen-, hier positiven Pol (H).

[0009] In Fig.1 ist der PNP-Transistor 1 mit seiner Emit­ter-Elektrode an den Pol der Quellenspannung, zB. hier den positiven Pol (H) der Stromquelle 2 und mit seiner Kollek­tor-Elektrode 15 über das Relais 3 an den Null-Pol (H) der Stromquelle 4 angeschlossen. Die Basis-Elektrode 5 des Transistors 1 ist über den Strombegrenzungs-Widerstand 6 mit der Klemme 7 verbunden, die mittels des Umschalters 8 wahlweise an den Ausgang 9 des Generators 1o für eine pe­riodische Impulsspannung (abwechselnd H, L) oder an die Klemme 26 für den Null-Pol (L) 12, dh. hier den Null-Pol 13 der Stromquelle 2, oder an die Klemme 41 für den Quel­len-Pol (hier H gleich positiver Pol) anschließbar ist.

[0010] Der Knotenpunkt 14 zwischen Kollektor-Elektrode 15 des ersten Transistors 1 und Eingangsklemme 16 des Re­lais 3 ist über den Ladekondensator 17 der Schaltungskom­bination 18 über einen ersten Strompfad mit einem Gleich­richter-Zweig 19 mit Leitung 2o, Diode 21 und Vorwider­stand 22 mit dem Null-Pol 23 der Stromquelle 2 verbunden. Die Leitfähigkeit der Diode 21 ist entgegengesetzt gerich­tet derjenigen des Transistors 1. Der Ladekondensator 17 liegt außerdem im Kollektor-Elektrodenkreis 24 des zwei­ten Transistors 25, und dessen Emitter-Elektroden-Anschluß 24 an dem Null-Pol 31

[0011] Die Funktion der Schaltung ist folgende: Im ersten Betriebszustand wird die Basis-Elektrode des ersten Transi­stors 1 über den Strombegrenzungs-Widerstand 6 aus dem Gene­ rator 1o mit einer periodischen Impulsspannung beaufschlagt, die über die Emitter-Kollektor-Strecke 33 einen Strom durch das Relais 3 so steuert, daß bei L-Impulsen der Strom das Relais noch nicht bis in den Einschaltzustand erregt. Dabei ist von der Klemme 28 aus und über den Begrenzungs-Widerstand 3o die Basis-Elektrode 29 des zweiten Transistors 25 am Null-­Pol 12 und tritt beim Übergang in die Impulspause, wobei über den Begrenzungs-Widerstand 6 an der Basis-Elektrode 5 des ersten Transistors die Spannung Null (L) wirksam ist, an der Eingangsklemme 16 des Relais 3 eine negative Induktionsspan­nung auf, die einen durch den Strombegrenzungs-Widerstand 22 begrenzten Ladestrom über die Diode 21 den Ladekondensator 17 auf eine negative Spannung 14 und Null-Pol 23 auflädt. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der Generator 1o durch eine Steuerung abgeschaltet und bis Schalter 8 auf Klemme 41 (hier: H) und damit die Spannung an Klemme 7 (hier: H) über Widerstand 6 an Basiselektrode 5 des Transistors 1 angelegt und dieser dadurch gesperrt wird.

[0012] Überschreitet die Spannung an Punkt 14 gegen Null, dh. die Ladespannung des Kondensators 17 - abzüglich der Spannung an der Batterie 2 - die Zündspannung der Zenerdiode 34, dann zündet diese und wird die Spannung an Punkt 14 auf den Wert: Summe aus Batteriespannung + Zenerspannung begrenzt, aber auch im Falle des Abfalls der Batteriespannung auf diesen Wert stabilisiert, so daß die Energie der Batterie 2 noch bis unter einen üblichen Grenzwert der Entladung ausgenützt werden kann.

[0013] Wenn dann die Spannung am Relais zur Erregung bis zum Einschaltzustand ausreicht, wird in einem zweiten Betriebs­zustand ein positiverImpuls an der Klemme 28 über den Begren­zungs-Widerstand 3o auf die Basis-Elektrode 29 geleitet und der Ladekondensator 17 durch den Transistor-Eingangsstrom zum Relaisdeingang 16 über das Relais entladen und dadurch das Relais 3 in den Einschaltzustand erregt.

[0014] In einem dritten Betriebszustand werden Klemme 28 wieder mit dem Null-Pol verbunden, wodurch Transistor 2 gesperrt wird, und Klemme 7 des Schalters 8 ebenfalls mit dem Nullpol verbunden, wodurch Transistor 1 leitend wird, so daß der Stromkreis der Batterie 2 über Transistor 1 und Spule des Relais 3 geschlossen ist und ein dem Erre­gungsstrom entgegengesetzter das Relais entregt.

[0015] In Fig.2 sind die Umschalter im Ausführungsbeispiel der Fig.1 zugleich mit einer Steuerung für die Zeitfolge der Betriebszustände in einem Halbleiter-Baustein 35 zusammenge­faßt, der den Generator 36 für die periodische Impulsspan­nung enthält. Dieser Mikroprozessor besitzt einen Ausgang 37 für das umzuschaltende Eingangssignal der Basis-Elektrode 5 des ersten Transistors 1 und einen zweiten Ausgang 38 für die zwischen Signal L und Signal H umzuschaltende Eingangs­spannung der Basis-Elektrode 29 des zweiten Transistors 25, sowie die Anschlüsse 39 und 4o für die Versorgungsspannun­gen H und L. Damit ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weiter wesentlich vereinfacht, so daß sie lediglich noch die beiden Transistoren 1 und 25, den Ladekondensator 17, Begrenzungswiderstände 6 und 3o, sowie die Zenerdiode 34 für das Relais 3 enthält.

[0016] Die Programmierung des Halbleiter-Bausteins 35, der vorzugsweise als Mikroprozessor bzw. ein Teil eines solchen ausgebildet ist, besteht in einfacher Weise aus Zeitgliedern zwischen denjenigen Baueinheiten, die bei dem Wechsel der Betriebszustände zur Wirkung gelangen und je nach Bedarf des Verwendungsfalls verschieden dimensioniert sind. Eine Mikroprozessor-Funktion kommt dabei in Form einer Zeitfolge mit vergewählten Zeiten für die Betriebszu­stände zustande. Die übrigen Funktionen der Schaltung sind die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.1 mit der Maßgabe, daß in dem Ausführungsbeispiel der Fig.2 die Variante des in den Transistor 25 integrierten Gleichrich­ter-Zweiges 19 vorausgesetzt ist

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung für die Erregung und Entregung eines bistabilen Relais im Ausgang eines Stromkreises mit einer Stromquelle, deren Spannung niedriger ist als die Ansprechspannung des Relais, einer Transistor- und Ladekondensator-Schaltungskombination,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Basis-Elektroden-Eingang (5) eines ersten Tran­sistors (1) - vom PNP-Typ im Falle eines positiven Quel­lenpols der Stromquelle (2) - in einem ersten Betriebs­zustand durch eine periodische Impulsspannung (abwech­selnd H, L) (9) beaufschlagbar ist, wobei derLLadekon­densator (17) der Schaltungskombination (18)
a) in einem ersten Strompfad (19) zwischen Knotenpunkt (14) von Kollektor-Elektrode (15) des ersten Tran­sistors (1) und Relais-Eingangsklemme (16) über eine Gleichrichter-Einrichtung aus Diode (21) und Strom­ begrenzungswiderstand (22) in Serienschaltung einer­seits und Null-Pol (23) der Stromquelle (2) liegt, wobei dem Ladekondensator (17) infolge der Abschalt-­Induktionsspannung periodische Ladestromimpulse zu­geführt werden, und
b) in einem zweiten Strompfad (24) in einem zweiten Be­triebszustand über einen zweiten Transistor (25), dessen Durchlaßrichtung derjenigen des erstgenann­ten (1) entgegengesetzt ist, - im genannten Falle also vom NPN-Typ -, mit der Beendigung des Ladevor­gangs bei Erreichen einer Spannung, die ausreichend größer ist als die Ansprechspannung, bei Sperrung des ersten Transistors (1) durch Umschaltung der Basis­elektrode (5) von der Impulsspannung auf den Quellen­pol (den positiven Pol im Falle des Beispiels) und gleichzeitig damit bei Leitfähigkeit des zweiten Tran­sistors (25) durch Umschaltung der Basis-Elektrode (29) desselben von Null (L) auf positiven Pol (H)
das Relais (3) einschaltbar und schließlich in einem drit­ten Betriebszustand infolge Leitfähigkeit des ersten Tran­sistors (1) bei Beaufschlagung dessen Basis-Elektrode (5) mit Spannung Null (L) durch dessen entgegengesetzten Strom das Relais (3) entregbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Diode in der Basis-Kollektorstrecke (32) des zweiten Transistors (25) funktionelle integriert ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kollektor-Emitter-Strecke (33) des ersten Tran­sistors (1) eine Zener-Diode (34) parallel geschaltet ist, deren Leitfähigkeit derjenigen der Kollektor-Emit­ter-Strecke des ersten Transistors (1) entgegengesetzt ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Basiselektrode (5 bzw. 29) über ihren Vorwider­stand (6 bzw. 3o) durch Ausgangssignale von Spannungs­quellen (L, H) bzw. einen Signalgenerator beaufschlagt ist, die manuell, gegebenenfalls mit Hilfe einer Schalt­automatik, in einer vorgegebenen Zeitfolge automatisch angesteuert ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vorgegebene Zeitfolge der beabsichtigten Betriebs­zustände durch eine programmierte bzw. programmierbare Baugruppe, zB. einen Halbleiter-Baustein (35) mit inte­griertem Impulsgenerator "H/L" (36) mit einer ersten Um­schaltfunktion zwischen den Gleichspannungen "L" und "H" an einem zweiten Ausgang steuerbar ist.

Zeichnung