(19)
(11) EP 0 650 177 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
26.04.1995  Patentblatt  1995/17

(21) Anmeldenummer: 94114740.7

(22) Anmeldetag:  19.09.1994
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)6H01H 47/32
(84) Benannte Vertragsstaaten:
DE FR GB IT

(30) Priorität: 28.09.1993 DE 4332995

(71) Anmelder: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
D-80333 München (DE)

(72) Erfinder:
  • Glehr, Manfred
    D-93073 Neutraubling (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Verfahren zur Ansteuerung von parallel angeordneten Relais


    (57) Mehrere parallel angeordnete Relais sind an einer gemeinsamen Spannungsquelle (Ub) angeschlossen und damit durch ihnen zugeordnete Relaisschaltungsmittel ein- und ausschaltbar. Aufgabe ist es, die Verlustleistung während des Betriebs zu verringern. Dazu werden die jeweils einzuschaltenden Relaiserregerspulen (Rel 1, Rel 2) nach Erreichen ihres Ansprechzustandes von einem gemeinsamen Taktgenerator angesteuert. Anwendbar bei Kraftfahrzeugen




    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Relaiserregerspulen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

    [0002] Bekanntlich weist ein Relais einen Anker auf, durch den Schaltkontakte betätigt werden können. Die zur Betätigung erforderliche Kraft muß von der Relaiserregerspule aufgebracht werden. Bei gegebener Windungszahl der Erregerspule ist zum Anzug des Ankers und zur Betätigung der Schaltkontakte ein bestimmter Strom durch die Erregerspule erforderlich. Da nach dem Anzug des Ankers die durch den Luftspalt hervorgerufenen 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 Ansteuerstrom des Relais in diesem Fall auf die Hälfte bis auf ein Drittel verringert werden kann, wodurch sich die Verlustleistung aufgrund des niedrigeren Haltestroms und damit die Erwärmung der Erregerspule verringert.

    [0003] Zur Verringerung des Haltestroms sind verschiedene Verfahren bekannt. Ein bekanntes Verfahren besteht darin, daß nach Erreichen des Ansprechzustandes der Haltestrom dadurch verringert 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 eingeschwungenen Endzustand absinkt. Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, das Relais anfangs mit einer höheren Ansteuerspannung zu versorgen, was mit Hilfe eines Spannungsvervielfachers möglich ist.

    [0004] Wenn mehrere Relais oder Relaisgruppen durch eine Spannungsquelle 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.

    [0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem mehrere Relais bauteilesparend und verlustarm betrieben werden können.

    [0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

    [0007] Die Erfindung wird nun anhand von sieben Figuren näher erläutert.

    [0008] Es zeigen:

    Figur 1 ein Flußdiagramm zur Erklärung des Verfahrensablaufs nach der Erfindung;

    Figur 2 eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von zwei Relais;

    Figur 3 einen Stromverlauf zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung von Figur 2;

    Figur 4 einen Stromverlauf zur Erklarung des eingeschwungenen Zustandes der Anordnung nach Figur 2;

    Figur 5 einen Stromverlauf zur Erklärung des Aussschaltvorganges der Anordnung nach Figur 2;

    Figur 6 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Ansteuersignale der Anordnung nach Figur 2; und

    Figur 7 die Schalterstellungen von drei Relais sowie das entsprechende Ausgangssignal eines monostabilen, wiedertriggerbaren Flip-Flops.



    [0009] Das in Figur 1 gezeigte Flußdiagramm zeigt den Verfahrensablauf 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.

    [0010] 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 Taktverhältnis, 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.

    [0011] Figur 2 zeigt nun eine Schaltungsanordnung, mit der eine getaktete Ansteuerung durchgeführt werden kann. Als Beispiel sind zwei Relaiserregerspulen Rel 1 und Rel 2 parallel an eine Spannungsquelle Ub angeschaltet, die jeweils durch einen in Reihe liegenden Schalter s1, s2 geschaltet werden können. Parallel zur jeweiligen Relaiserregerspule Rel 1, Rel 2 ist jeweils eine in Sperrichtung geschaltete Diode D1, D2 angeschlossenen, an die sich eine gemeinsame in Sperrichtung betriebene Z-Diode Z anschließt, deren Anode mit der Spannungsquelle 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 getaktet geschaltet werden.

    [0012] In Figur 3 ist nun der zeitliche Verlauf des Stroms in Abhängigkeit von der Zeit anhand eines Diagramms dargestellt, das als Beispiel den Stromverlauf durch die Relaiserregerspule Rel 1 zeigt. Im Zeitpunkt t0 wird die Relaiserregerspule Rel 1 durch den Schalter s1 an die Spannungsquelle Ub angeschaltet, wodurch der Strom in der Relaiserregerspule Rel 1 u.a. aufgrund der auftretenden Induktionsspannung, die der angelegten Spannung Ub entgegenwirkt, verzögert ansteigt. Der gemeinsame Ausschalter s0 ist geschlossen. Im Zeitpunkt t1 soll der Ansprechzustand des Relais Rel 1 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 Rel 1 erreicht, wobei der Zeitpunkt t1 vorher durch Messung oder Berechnung aus der Stromversorgungsspannung Ub, dem ohmschen Widerstand der Relaiserregerspule, der Induktivitat und der sich einstellenden Temperatur bestimmt wird.

    [0013] 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 Rel 1 absinkt. Die im Zeitpunkt t1 auftretenden negative Ausschaltspannungsspitze bricht aufgrund der Diode D1 auf den Wert ihres Vorwärtsspannungsabfalls zusammen, so daß die Abschaltspitze abgebaut wird. Der gemeinsame Ausschalter s0 bleibt weiterhin geschlossen.

    [0014] Im Zeitpunkt t2 wird nun der Schalter s1 durch den Taktgenerator wieder geschlossen, was zur Folge hat, daß der Strom i1 in der Relaiserregerspule Rel 1 wieder ansteigt. Im Zeitpunkt t3 wird der Schalter s1 wieder geöffnet, so daß der Strom i1 in der Relaiserregerspule Rel 1 wieder ansteigt. Dieser Vorgang setzt sich über die Zeitpunkte t4, t5 abwechselnd fort, so daß sich nach einer gewissen Zeit der in Figur 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 Figur 3 angedeutete Verhaltnis der Einschaltdauer Tx zur Ausschaltdauer Ty bestimmt, was als Taktverhältnis bezeichnet wird.

    [0015] In Figur 5 wird nun der Ausschaltvorgang erläutert und zwar unter der Annahme, daß die Relaiserregerspule Rel 1 ausgeschaltet werden soll und die Relaiserregerspule Rel 2 weiter eingeschaltet bleiben soll.

    [0016] Bei dem in Figur 5 dargestellten Diagramm sind der Stromverlauf i1(t) in der Relaiserregerspule Rel 1, der Stromverlauf i2(t) in der Relaiserregerspule Rel 2 und die Schalterstellungen s1, s2, s0 dargestellt, wobei die dicken Linien der Schalterstellungen den geschlossenen Zustand dieser Schalter andeuten sollen.

    [0017] Der zeitliche Verlauf der Ströme i1 und i2 im Zeitpunkt t0 bis taus entspricht dem in Figur 3 und 4 gezeigten Stromverlauf für den eingeschwungenen Zustand. Demnach wird der Strom i1 durch die Relaiserregerspule Rel 1 getaktet gesteuert, ebenso der Strom i2 durch die Relaiserregerspule Rel 2. Die Schalter s1 und s2 werden gemäß dem Taktverhältnis getaktet gesteuert. Der Schalter s0 ist dabei immer geschlossen.

    [0018] Im Zeitpunkt taus wird entschieden, daß die Relaiserregerspule Rel 1 abschalten soll. Somit wird der Schalter s1 geöffnet, wodurch der Strom i1 entsprechend der in Figur 5 dargestellten Abschaltkurve absinkt. Im gleichen Zeitpunkt öffnet der gemeinsame Ausschalter s0, so daß die Abschaltspannungsspitze der Relaiserregerspule Rel 1 über die Diode D1 und die gemeinsame Z-Diode begrenzt wird. Damit der Abschaltvorgang für die Relaiserregerspule Rel 1 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, geöffnet. 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 Rel 1 schnell über die Diode D1 entladen wird, was zu einem gewünschten schnellen Abfall des Relaisankers der Erregerspule Rel 1 führt. Während des Entladens steigt die Spannung zwischen 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 zeitweise ausgeschaltet werden wurde, auch das Relais Rel 2 abfallen würde. Damit jedoch die Relaiserregerspule Rel 2 (und mögliche andere Relaiserregerspulen) nicht ebenfalls ausschalten, wird der Schalter s2 (und mögliche andere Schalter) 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 Figur 3 beschrieben, wieder auf getakteten Betrieb umgeschaltet wird. Wahrend dieser Phase wird zwar die Verlustleistung wieder etwas größer, der Bauteileaufwand ist aber wesentlich geringer.

    [0019] In Figur 6 ist eine Teilschaltung zur Erzeugung der Ansteuersignale für die Schalter s1 und s2 dargestellt, wobei jedoch diese Aufgabe auch durch einen Mikroprozessor wahrgenommen werden kann.

    [0020] 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 Si1, Si2 abnehmbar sind. Die Eingänge E1, E2 sind weiterhin mit einem monostabilen, 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.

    [0021] In Figur 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 Potentialverschiebung durchgeführt werden muß.


    Ansprüche

    1. Verfahren zur Ansteuerung von mehreren parallel an einer gemeinsamen Spannungsquelle angeschalteten Relaiserregerspulen, die jeweils durch ihnen zugeordnete Relaisschaltungsmittel ein- und ausschaltbar sind, wobei die jeweils einzuschaltenden Relaiserregerspulen (Rel 1, Rel 2) nach Erreichen ihres Ansprechzustandes (t1) derart über Relaisschaltungsmittel 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 (Rel 1, Rel 2) durch gemeinsame Ausschaltemittel (s0) ausschaltbar sind, wobei für diejenigen Relaiserregerspulen, die weiterhin in einem eingeschwungenen Zustand des Haltestroms betrieben werden sollen, das jeweilige Relaiserregerspulenschaltungsmittel geschlossen bleibt (Fig. 5), so daß sich ein kurzzeitig ansteigender Ansprechstrom (i2(t)) in der zugeordneten Relaiserregerspule (Rel 2) einstellt, die nach einer vorbestimmten Zeit (t1) wieder vom Taktgenerator (TG) mit einem Taktverhältnis (Tx/Ty) angesteuert wird.
     
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit durch die Zeitdauer bestimmt ist, bis zu der die jeweilige Relaiserregerspule den Ansprechzustand erreicht hat.
     
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Relaiserregerspulen typengleich sind.
     
    4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn nur eine Teilgruppe von Relaiserregerspulen typengleich sind, das Verfahren auf diese Typengruppe angewendet wird.
     
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeitdauer durch einen Mikroprozessor berechnet und eingestellt wird.
     
    6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur jeweiligen Relaiserregerspule (Rel 1, Rel 2) jeweils eine Diode (D1,D2) geschaltet ist, wobei jede Diode in Sperrrichtung an der Spannungsquelle (Ub) über eine in Sperrichtung in Reihe liegende gemeinsame Z-Diode (Z) angeschaltet ist, wobei parallel zur Z-Diode gemeinsame Ausschaltemittel (s0) geschaltet sind.
     




    Zeichnung













    Recherchenbericht