Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines elektromagnetishen Relais

Abstract

 Bei der Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Gruppe von elektromagnetischen Relais sind alle Erregerkreise parallel zu­einander und gemeinsam in Serie mit der Schaltstrecke eines elektronischen Schalters (FET) an eine Gleichspannungsquelle anschaltbar. Der elektronische Schalter (FET) wird impulsweise durchgeschaltet und gesperrt, wobei das Tastverhältnis in einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung (U_B) und von der Umgebungstemperatur des Relais so eingestellt wird, daß der für die angeschlossenen Relais erforderliche Mindest­haltestrom nicht unterschritten wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines elektromagnetischen Relais über einen impuls­weise durchgesteuerten elektronischen Schalter.

[0002] Eine Impulsansteuerung von Relais ist bekannt, beispielsweise aus der DE-A-31 44 000. Durch diese Impulsansteuerung kann man den resultierenden Strom durch die Spule entsprechend der benö­tigten Halteerregung auf einen minimalen Wert einstellen, um die in der Spule verbrauchte Leistung und damit die Erwärmung des Relais gering zu halten. Ein fest eingestelltes Tastver­hältnis für diese Impulsansteuerung läßt sich jedoch nur dann verwenden, wenn die Spannung sich nicht ändert und auch die Um­gebungstemperatur etwa gleich bleibt.

[0003] Ein Anwendungsfall für die vorliegende Erfindung ist der Ein­satz von Relais in Kraftfahrzeugen, wo sie dicht gepackt in Re­laisboxen untergebracht sind, wo sie nicht nur von außen star­ken Temperaturschwankungen unterworfen sind, sondern auch in­nerhalb der Relaisboxen die Gefahr einer gegenseitigen Aufhei­zung besteht. Dazu kommt als weiteres Problem die Tatsache, daß die Batteriespannung in einem Kraftfahrzeug sehr stark schwankt. Um dabei jedoch auch bei niedrigerer Batteriespannung und bei hohen Umgebungstemperaturen ein sicheres Ansprechen der einzelnen Relais zu gewährleisten, werden die Erregerspulen nach der sicheren Seite, d. h. für die ungünstigsten Fälle, ausgelegt, was bei Dauerbetrieb zu einer entsprechend starken Wärmeentwicklung in den betreffenden Relais und für die benach­barten Relais führt.

[0004] Da in solchen Einsatzfällen jedes Relais zu unterschiedlichen Zeiten und unterschiedlich lang angeschaltet wird, müßte die bisher bekannte Impulsansteuerung in der Weise vorgenommen wer­den, daß bei jedem einzelnen Relais der Spulenstrom bzw. die Spannung individuell gemessen und zur entsprechenden Steuerung eines zugeordneten elektronischen Schalters ausgewertet würde. Derartige einzelne Ansteuerschaltungen wären aber bei der zu­nehmenden Anzahl von Relais, wie sie in einem Kraftfahrzeug oder auch in vergleichbaren Anwendungsfällen eingesetzt werden, nicht nur sehr kostspielig, sondern auch mit einem hohen Platz­aufwand verbunden.

[0005] Ziel der Erfindung ist es deshalb, eine Ansteuerschaltung für Relais anzugeben, mit der eine beliebige Anzahl von gemeinsam untergebrachten, jedoch individuell geschalteten Relais so an­gesteuert werden kann, daß jeweils die sichere Halteerregung gewährleistet, jedoch ein übermäßiger Leistungsverbrauch und damit eine unerwünschte Wärmeentwicklung vermieden werden kann.

[0006] Erfindungsgemäß besitzt diese Schaltungsanordnung folgende Merkmale:
- Alle Erregerkreise der einzeln einschaltbaren Relaiswicklun­gen sind parallel zueinander mit dem ersten Anschluß an einen Pol einer Gleichspannungsquelle und mit ihrem zweiten An­schluß über die Schaltstrecke eines elektronischen Schalters an den zweiten Pol der Gleichspannungsquelle anschaltbar,
- es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche den elektro­nischen Schalter impulsweise durchschaltet und sperrt, und
- das Tastverhältnis der Durchschaltimpulse wird in der Steuer­einrichtung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung der Spannungsquelle und von der Umgebungstemperatur der Relais so eingestellt, daß der für die angeschlossenen Relais erforder­liche Mindesthaltestrom nicht unterschritten wird.

[0007] Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung wird also in der Steuereinrichtung ein Mindesthaltestrom so festgelegt, daß er für alle angeschlossenen bzw. anschließbaren Relais gerade aus­reicht, wobei Schwankungen der Betriebsspannung und der Umge­bungstemperatur immer berücksichtigt werden. Die Schaltung ar­ beitet grundsätzlich natürlich auch schon mit einem Relais. Der besondere Vorteil ergibt sich jedoch durch die Gruppenansteue­rung, da die Steuereinrichtung nur ein einziges Mal vorgesehen werden muß.

[0008] Zweckmäßigerweise wird das Tastverhältnis der Durchschaltimpul­se in der Steuereinrichtung so eingestellt, daß für jedes der angeschlossenen Relais gerade die Halteerregung erzeugt wird. Sinkt beispielsweise die Betriebsspannung auf die Haltespan­nung, so geht das Takten in einen Dauerstrom über. Da die Hal­tespannung etwa 50 % der Nennspannung beträgt, können in diesem Fall ca. 75 % der Leistung eingespart werden. Steigt jedoch die Betriebsspannung über die Nennspannung hinaus, beispielsweise in einem Kfz auf 15 V statt 12 V Nennspannung, so wird in die­sem kritischen Fall nur ca. 1/6 der Wärme erzeugt, wodurch die Temperatur einer Kfz-Relaisbox erheblich gesenkt werden kann.

[0009] Um jedoch bei der allgemeinen Einstellung des Tastverhältnisses auf Halteerregung auch bei der jeweiligen Neuanschaltung eines Relais dessen sicheres Anziehen zu gewährleisten, wird zweckmä­ßigerweise jeder Erregerstromkreis eines Relais durch eine Überwachungsschaltung abgetastet, und bei Anschaltung eines zu­sätzlichen Relais wird dann jeweils für die Einschaltzeit ein Dauerimpuls an den elektronischen Schalter angelegt. Eine der­artige Eingangsstufe zum Erkennen des Ansteuerzustandes ist zwar für jedes Relais notwendig, doch werden dadurch die Kosten für die Gesamtanordnung nur geringfügig erhöht, da der Haupt­teil der Steuereinrichtung mit der Leistungsstufe, d. h., dem elektronischen Schalter, nur einmal für die Gesamtanordnung vorgesehen sein muß.

[0010] Die Steuereinrichtung kann ein digitales Steuergerät, z. B. ei­nen Mikrocontroller, enthalten, wobei die Ansteuerzustände der einzelnen Relais als digitale Eingangsgrößen und die von Senso­ren gemessenen Werte für die Umgebungstemperatur und die Be­triebsspannung als analoge Eingangsgrößen eingegeben werden. Die Kennwerte der anzuschaltenden Relais sind in diesem Fall zweckmäßigerweise in Form von Tabellen oder Kennlinienfeldern gespeichert, so daß nach einer Rechenvorschrift für die jewei­ligen Eingangswerte das entsprechende Tastverhältnis für den elektronischen Schalter erzeugt werden kann.

[0011] Anstelle der digitalen kann aber auch eine analoge Steuerung vorgenommen werden. In diesem Fall ist in einer zweckmäßigen Ausführungsform vorgesehen, daß die Steuereinrichtung eine im thermischen Kontakt zu den Relais angeordnete Referenzspule aufweist, deren Zeitkonstante kleiner oder gleich derjenigen des am schnellsten ansprechenden Relais ist, wobei der in der Referenzspule fließende Strom mittels einer Stromüberwachung überwacht und zur Festlegung des Tastverhältnisses ausgewertet wird. Dabei kann diese Auswertung derart geschehen, daß der elektronische Schalter ausgeschaltet wird, wenn der Strom in der Referenzspule einen vorgegebenen Schwellenwert oberhalb des Haltestroms der Relais übersteigt, und daß der elektronische Schalter eingeschaltet wird, wenn der Strom in der Referenzspu­le einen vorgegebenen Schwellenwert beim Haltestrom unter­schreitet. Diese Stromüberwachung kann beispielsweise durch üb­liche Sensoren, etwa einen Meßwiderstand, erfolgen. Zweckmäßig ist auch eine Stromüberwachung durch Messung des magnetischen Flusses in der Referenzspule über beispielsweise eine Feldplat­te.

[0012] Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel an­hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

FIG 1 eine teilweise schematisch gehaltene Schaltungsanordnung einer Ansteuerschaltung mit einer digialen Steuereinrichtung,

FIG 2 eine ähnliche Ansteuerschaltung mit einer analog arbei­tenden Steuereinrichtung.

[0013] FIG 1 zeigt in teilweise vereinfachter Darstellung eine An­steuerschaltung für eine Reihe von Relais, deren Erregerspulen RL1, RL2, RL3 ... RLn parallel angeordnet sind. Über zugehörige Schalter s1, s2, s3 ... sn sind sie wahlweise einzeln an die Betriebsspannung U_B anschaltbar. Die den Schaltern entgegenge­setzten Endpunkte der Erregerspulen RL1 bis RLn liegen an der Schaltstrecke eines elektronischen Schalters, beispielsweise eines Feldeffekttransistors FET. Alle Relais RL1 bis RLn sind in einer gemeinsamen Relaisbox RB angeordnet, die durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.

[0014] Der elektronische Schalter FET wird impulsweise durch eine Gruppensteuereinrichtung GSE durchgesteuert, welche in einem Impulsgenerator IG1 ein der Halteerregung für die anschaltbaren Relais mindestens entsprechendes Tastverhältnis erzeugt. Dieses Tastverhältnis wird in Abhängigkeit von der Betriebsspannung U_B und von der Temperatur in der Relaisbox RB festgelegt. Zu die­sem Zweck ist ein Voltmeter V parallel zu den Erregerkreisen geschaltet, und ein Temperatursensor TS, der in der Relaisbox selbst untergebracht ist, liefert die jeweils gültigen Tempera­turwerte. Aus der Betriebsspannung und der Temperatur wird je­weils nach einer von den Relaiskennwerten abhängigen Funktion das Tastverhältnis ermittelt. Diese Funktion bzw. die Kenndaten sind beispielsweise in einem an den Impulsgenerator IG1 ange­schlossenen Funktionsspeicher FM gespeichert. Um während der Abschaltzeit des elektronischen Schalters FET den Stromfluß durch die Erregerspule zu ermöglichen, ist in bekannter Weise eine Freilaufdiode FD parallel zu den Wicklungen geschaltet.

[0015] Beim Zuschalten eines der Relais RL1 bis RLn wird die Poten­tialänderung an einer zugehörigen Abtastleitung A1 bis An er­faßt und zur Durchschaltung eines monostabilen Kippgliedes MF ausgewertet. Diese Abtastung ist in FIG 1 nur schematisch ge­zeichnet; soweit eine Pegelanpassung erforderlich ist, wird diese vom Fachmann in üblicher Weise vorgenommen. Das Anspre­chen eines monostabilen Kippgliedes MF in einer der Abtastlei­tungen A1 bis An wird in dem ODER-Glied OR1 erkannt und über den Impulsgenerator IG2 in der Gruppensteuereinheit GSE zur Er­zeugung eines Dauerimpulses ausgewertet. Dieser Dauerimpuls ist zumindest solange bemessen, daß er zum sicheren Ansprechen ei­ nes jeden der anschaltbaren Relais ausreicht. Über das ODER-­Glied OR2 wird dieser Dauerimpuls den Haltestromimpulsen des Impulsgenerators IG1 überlagert, so daß der elektronische Schalter FET für die Dauer des Ansprechens des neu zugeschal­teten Relais durchgeschaltet bleibt.

[0016] FIG 2 zeigt eine etwa abgewandelte Ausführungsform für eine analoge Funktionsweise der Gruppensteuereinheit GSE. Soweit in FIG 2 die Bauelemente oder logischen Schaltelemente in ihrer Funktion mit FIG 1 übereinstimmen, sind gleiche Bezugszeichen verwendet. Auch in diesem Fall sind die Erregerwicklungen RL1 bis RLn über die Schalter s1 bis sn wahlweise parallel an die Betriebsspannung U_B anschaltbar. Die Anschaltung wird über die Abtastleitungen A1 bis An abgetastet, wobei in FIG 1 beispiels­weise über zwei Schmitt-Trigger ST1 und ST2 eine Abtastung des Spannungssprungs an dem Widerstand R1 und dem Kondensator C vorgenommen und über ein nachgeschaltetes UND-Glied AN zur Er­zeugung eines Signals ausgewertet wird. Über das nachgeschalte­te ODER-Glied OR1 wird auch in diesem Fall bei Anschaltung ei­nes zusätzlichen Relais ein Dauerimpuls von beispielsweise 10 ms in einem entsprechenden Impulserzeuger IG3 erzeugt. Dieser Dauerimpuls wird über die Diode D2 und den Operationsverstärker OP direkt an den elektronischen Schalter FET angelegt.

[0017] Das eigentliche Taktverhältnis für den Normalbetrieb wird bei der Ausführungsform von FIG 2 durch eine Referenzspule RS be­stimmt, die in der Relaisbox RB angeordnet ist und eine Zeit­konstante (L/R) aufweist, die kleiner oder gleich der Zeitkon­stante des am schnellsten schaltenden Relais ist. Diese Refe­renzspule ist parallel zu den Erregerspulen der Relais an die Betriebsspannung angeschaltet, und zur Gewinnung des Tastver­hältnisses wird ihr Strom überwacht. Da die Referenzspule in thermischem Kontakt zu den Relais steht, ändert sich ihr Wider­stand ebenso wie der der Erregerspulen. Außerdem wird bei höhe­rer Betriebsspannung der Stromanstieg beschleunigt, was zu ei­ner Reduzierung der Einschaltdauer führt.

[0018] Die Stromüberwachung kann in bekannter Weise an einem Meßwider­stand erfolgen; im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt sie über eine magnetische Flußmessung mit einer Feldplatte FP an der Referenzspule RS. Diese Feldplatte FP ändert ihren Wider­stand mit dem magnetischen Fluß in der Referenzspule. Sie ist als veränderlicher Widerstand zusammen mit den Widerständen R2, R3 und R4 in eine Spannungsteilerschaltung an den beiden Ein­gängen des Operationsverstärkers OP einbezogen.

[0019] Unterschreitet der Strom in der Referenzspule RS einen dem Hal­testrom der angeschlossenen Relais entsprechenden Wert, so wird der elektronische Schalter über den Operationsverstärker OP eingeschaltet und bei einem vorgegebenen, beispielsweise bei einem 10 % höheren Strom, wieder abgeschaltet. Bei abgeschalte­tem elektronischen Schalter FET fließt der Strom in bekannter Weise über die gemeinsame Freilaufdiode FD parallel zu den Spu­len weiter.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines elek­tromagnetischen Relais mit folgenden Merkmalen:
- alle Erregerkreise der einzeln einschaltbaren Relaiswicklun­gen (RL1 bis RLn) sind parallel zueinander mit dem ersten An­schluß an einen Pol einer Gleichspannungsquelle (U_B) und mit ihrem zweiten Anschluß über die Schaltstrecke eines elektro­nischen Schalters (FET) an den zweiten Pol der Gleichspan­nungsquelle anschaltbar;
- es ist eine Steuereinrichtung (GSE) vorgesehen, welche den elektronischen Schalter (FET) impulsweise durchschaltet und sperrt und
- das Tastverhältnis der Durchschaltimpulse wird in der Steuer­einrichtung (GSE) in Abhängigkeit von der Betriebsspannung (U_B) der Spannungsquelle und von der Umgebungstemperatur der Relais so eingestellt, daß der für die angeschlossenen Relais erforderliche Mindesthaltestrom nicht unterschritten wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit folgenden weiteren Merkmalen:
- alle Erregerstromkreise der Relais werden durch eine Überwa­chungsschaltung (A1 bis An) abgetastet und bei Anschaltung eines Erregerkreises wird für die Einschaltzeit eines Relais ein Dauerimpuls an den elektronischen Schalter (FET) ange­legt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Anschaltung eines Relais durch eine Spannungsüberwachung zur Erzeugung eines digitalen Signals ausgewertet wird, womit in der Steuereinrichtung ein Dauerimpuls von vorgegebener Länge ausgelöst wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit folgenden weiteren Merkmalen:
- die Meßwerte eines in thermischem Kontakt mit zumindest einem Teil der angeschlossenen Relais stehenden Temperatursensors (TS) sowie eines die Spannung der Gleichspannungsquelle ab­greifenden Spannungsmessers (V) werden einer digitalen Steuereinrichtung (IG1) zugeführt, welche mit Hilfe einer ge­speicherten, von den Kenndaten der Relais abhängigen Funktion das Tastverhältnis der Durchschaltimpulse erzeugt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit folgenden weiteren Merkmalen:
- als Sensor für Temperatur und Betriebsspannung wird eine Re­ferenzspule (RS) verwendet, deren Zeitkonstante kleiner oder gleich groß ist wie die des am schnellsten schaltenden Re­lais,
- die Referenzspule (RS) ist in thermischem Kontakt mit zumin­dest einem Teil der Relais angeordnet und parallel zu den Er­regerwicklungen (RL1 bis RLn) an die Betriebsspannung ange­schaltet und
- mittels einer Stromüberwachung wird der durch die Referenz­spule fließende Strom überwacht und zur Festlegung des Tast­verhältnisses ausgewertet.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß der elektronische Schalter (FET) ausgeschaltet wird, wenn der Strom in der Referenzspule (RS) einen vorgegebenen Schwellenwert oberhalb des Haltestroms der Relais übersteigt, und daß er eingeschaltet wird, wenn der Strom in der Referenzspule (RS) einen vorgegebenen Schwellen­wert unterhalb des Haltestroms unterschreitet.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromüberwachung über einen in den Kreis der Referenzspule eingeschalteten Meßwider­stand erfolgt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromüberwachung durch Messung des magnetischen Flusses in der Referenzspule erfolgt.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­kennzeichnet, daß der magnetische Fluß der Refe­renzspule über eine Feldplatte (FP) abgetastet wird, welche in eine Spannungsteilerschaltung eines Rechteckgenerators (R2, R3, R4, OP) einbezogen ist.

Zeichnung