[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.
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.