Verfahren und elektronische Schaltung zum Betreiben eines Relais mit unterschiedlichen Eingangsspannungen

Abstract

 Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Relais (2) mit einer Spannungsversorgung (3), deren Spannungsbereich oberhalb der Nennspannung des Relais (2) liegt, erfolgt eine Regelung der Stromzufuhr zum Relais (2), wobei der Relaisstrom (X) oder eine diesen beschreibende erste Größe überwacht wird und bei Überschreiten des Nennstroms oder einer diesen beschreibenden zweiten Größe durch den Relaisstrom oder die erste Größe die Stromzufuhr unterbrochen wird und bei Unterschreiten des Nennstroms oder der zweiten Größe durch den Relaisstrom (X) oder die erste Größe die Stromzufuhr zugeschaltet wird. Dadurch wird das Relais bei unterschiedlichen Eingangsspannungen mit einem konstanten Relaisstrom betrieben.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Relais mit einer Spannungsversorgung, deren Spannungsbereich oberhalb der Nennspannung des Relais liegt und eine elektronische Schaltung mit einer Spannungsquelle zur Ansteuerung eines Relais.

[0002] Relais werden in der Regel mit einer gewissen Nennspannung betrieben. Manchmal kann es wünschenswert sein, insbesondere in der Eisenbahnsicherungstechnik, ein Umschalterelais an unterschiedliche Spannungsversorgungen mit unterschiedlichen Spannungen anzuschließen, insbesondere an Spannungsversorgungen, die einen weiten Spannungsbereich aufweisen, der oberhalb der Nennspannung liegt. Das Betreiben des Relais sollte im gesamten Spannungsbereich möglichst verlustfrei erfolgen.

Aufgabe der Erfindung

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine elektronische Schaltung zu schaffen, mit denen es möglich ist, ein Umschalterelais bei unterschiedlichen Eingangsspannungen zu betreiben.

Gegenstand der Erfindung

[0004] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem eine Regelung der Stromzufuhr zum Relais erfolgt, wobei der Relaisstrom oder eine diesen beschreibende erste Größe überwacht wird und bei Überschreiten des Nennstroms oder einer diesen beschreibenden zweiten Größe durch den Relaisstrom oder die erste Größe die Stromzufuhr unterbrochen wird und bei Unterschreiten des Nennstroms oder der zweiten Größe durch den Relaisstrom oder die erste Größe die Stromzufuhr zugeschaltet wird. Durch dieses Verfahren ist es möglich, ein Relais mit niedriger Nennspannung, beispielsweise 6 V, weitestgehend verlustfrei automatisch bei unterschiedlichen Spannungen in einem weiten Spannungsbereich, beispielsweise 10 V bis 100 V, zu betreiben. Dies bedeutet, dass das Relais an unterschiedliche Spannungsversorgungen angeschlossen werden kann, ohne dass eine besondere Anpassung auf die spezielle Spannungsversorgung erfolgen muss. Beim Anschalten einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie eines Relais, wird ein Relais aktiviert. An einem Messwiderstand wird der ansteigende Strom durch das Relais als Spannungsabfall gemessen. Dieser Strom wird mit einem Nennstrom des Relais oder einer diesen beschreibenden zweiten Größe verglichen. Wird der Nennstrom erreicht, schaltet ein elektronischer Schalter die Stromzufuhr zum Relais ab. Wird der Strom durch das Relais, d.h. der Relaisstrom, wieder kleiner als der Nennstrom, schaltet der elektronische Schalter wieder ein, so dass das Relais unmittelbar mit der Spannungsquelle verbunden ist. Dies bedeutet, dass die Stromzufuhr zugeschaltet wird. Als erste und zweite Größe kommen insbesondere zum jeweiligen Strom proportionale Spannungen in Frage.

[0005] Auf besonders einfache Art und Weise kann das Relais verlustfrei bei unterschiedlichen Eingangsspannungen, insbesondere Gleichspannungen, betrieben werden, wenn die Stromregelung mittels Pulsbreitenmodulation in einem Schaltregler erfolgt. Dies bedeutet, dass die Stromzufuhr zum Relais pulsartig zugeschaltet wird, wobei die Dauer der Pulse und der Pause zwischen den Pulsen unterschiedlich sein kann. Der Mittelwert der pulsartigen Stromzufuhr am schalterseitigen Relaisanschluss bzw. Spulenanschluss einer Relaisspule entspricht dem Nennstrom des Relais. Die Induktivität des Relais integriert diese pulsartige Stromzufuhr, so dass am ausgangsseitigen Spulenanschluss (der mit einem Messwiderstand verbunden ist) der Relaisstrom dem Nennstrom des Relais entspricht. Während der Pulsdauer (Stromflussphase) liegt, abzüglich geringer Spannungsabfälle, beispielsweise an einem Schalter und einem Messwiderstand, am Relais die gesamte Spannung der Spannungsversorgung an. Die Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit erfolgt durch den Gleichstromwiderstand des Relais und die Induktivität der Relaisspule. Weiterhin bestimmt die damit verbundene Verzögerungszeit die Schaltfrequenz der gesamten Schaltung.

[0006] Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Relaisspule als Schaltspule für die Stromregelung verwendet wird. Durch diese Maßnahme kann das Verfahren mit wenigen Bauteilen realisiert werden.

[0007] Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine an eine Spannungsquelle anschließbare elektronische Schaltung zur Ansteuerung eines Relais, wobei ein Schaltregler vorgesehen ist, der eine Induktivität und einen elektronischen Schalter umfasst, der von einer einen Relaisstrom oder eine diesen beschreibenden ersten Größe mit einem Nennstrom oder einer diesen beschreibenden zweiten Größe vergleichenden Vergleichseinrichtung derart angesteuert ist, dass der elektronische Schalter die Spannungsquelle von dem Relais abtrennt, wenn der Relaisstrom oder die erste Größe den Nennstrom oder die zweite Größe übersteigt und die Spannungsquelle mit dem Relais verbindet, wenn der Relaisstrom oder die erste Größe kleiner ist als der Nennstrom oder die zweite Größe. Wird erkannt, dass der Relaisstrom den Nennstrom übersteigt, wird die Stromzufuhr zum Relais durch den elektronischen Schalter abgeschaltet. Das dadurch zusammenbrechende Magnetfeld der Induktivität polt das Relais um und treibt den Strom in gleicher Richtung weiter durch das Relais. Wird der Strom durch das Relais zu klein, schaltet der elektronische Schalter die Stromzufuhr wieder ein.

[0008] Besonders bevorzugt ist es, wenn die Induktivität des Relais die Induktivität des Schaltreglers ist. Dies bedeutet, dass die Induktivität des Relais in dem Schaltregler derart integriert ist, dass der Mittelwert der pulsierenden Stromzufuhr und damit der tatsächliche Relaisstrom bei unterschiedlichen Eingangsspannungen der elektronischen Schaltung im Wesentlichen konstant ist. Dabei dient die Induktivität des Relais, d.h. die Relaisspule, als Schaltinduktivität.

[0009] Vorzugsweise umfasst die Vergleichseinrichtung eine Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung des Relaisstroms, eine Nennstromeinrichtung und einen Komparator zum Vergleich des Relaisstroms mit dem Nennstrom. Durch diese Maßnahme kann der Relaisstrom bzw. die erste Größe auf besonders einfache Art und Weise mit dem Nennstrom bzw. der zweiten Größe verglichen werden.

[0010] Bei einer bevorzugten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Stromerfassungseinrichtung als Messwiderstand und die Nennstromeinrichtung als Referenzspannungsquelle ausgebildet sind. Der Messwiderstand kann als Shuntwiderstand und die Referenzspannungsquelle als Referenzdiode, insbesondere Bandgap-Diode ausgebildet sein. Die Stromerfassungseinrichtung und die Nennstromeinrichtung stehen mit einem Komparator in Verbindung, der den Spannungsabfall am Shuntwiderstand mit der Spannung an der Referenzdiode vergleicht. Dadurch erfolgt ein Vergleich des Relaisstroms mit dem Nennstrom. Durch den Komparator wird der elektronischer Schalter angesteuert, der die Stromzufuhr zum Relais abschaltet, wenn der Relaisstrom den Nennstrom überschreitet.

[0011] Vorteilhafterweise ist ein Spannungsregler für die Spannungsversorgung des Komparators und für die Erzeugung einer Referenzspannung vorgesehen. Durch den Vergleich der Referenzspannung mit dem Spannungsabfall am Messwiderstand kann ermittelt werden, ob der Relaisstrom größer oder kleiner als der Nennstrom ist.

[0012] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der elektronische Schalter von dem Komparator angesteuert wird und als Darlingtontransistor oder P-Kanal MOSFET ausgebildet ist. Der Komparator kann einen "open collector"-Ausgang aufweisen und mittels einer Stromquellenschaltung an die Basisspannung des als Darlingtontransistor ausgebildeten elektronischen Schalters angepasst sein. Der Spannungsregler für die Steuerelektronik, also insbesondere den Komparator und die Referenzspannungsquelle, kann durch eine Transistorschaltung realisiert werden.

[0013] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Zeichnung

[0014] Ein Ausführungsbeispiel ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

ein Darstellung einer elektronischen Schaltung mit einem Umschalterelais;

Fig. 2

eine einer Simulation zu Grunde gelegte Ausführungsform der elektronischen Schaltung;

Fig. 3

Messergebnisse für eine Eingangsspannung von 100 V;

Fig. 4

Messergebnisse für eine Eingangsspannung von 20 V.

[0015] In der Fig. 1 ist eine elektronische Schaltung 1, die ein Umschaltrelais 2 ansteuert, dargestellt. Die elektronische Schaltung 1 wird von einer Spannungsversorgung 3 mit einer Spannung versorgt, die über der Nennspannung des Relais 2 liegt. Beim Einschalten der Spannungsquelle 3 wird das Relais 2 aktiviert. An einem Messwiderstand RS, der als Shuntwiderstand ausgebildet ist, wird der ansteigende Strom 12 als Spannungsabfall gemessen. Wird der Nennstrom des Relais 2 erreicht, so beträgt der Spannungsabfall am Widerstand RS im Ausführungsbeispiel 1,21 V. Ein Komparator 4 vergleicht diese Spannung mit der den Nennstrom beschreibenden Spannung einer Referenzdiode 5, die als Bandgap-Diode ausgebildet ist und an der 1,21 V abfallen. Übersteigt der Strom 12 den Nennstrom, d.h. fällt am Widerstand RS eine höhere Spannung als 1,21 V ab, so schaltet der Komparator 4, der einen elektronischen Schalter 6 ansteuert, der als Darlingtontransistor ausgebildet ist, die Stromzufuhr zum Relais 2 ab. Das dadurch zusammenbrechende Magnetfeld im Relais 2 wird umgepolt. Es treibt mittels der Diode D1 den Strom in gleicher Richtung weiter durch die als Relaisspule ausgebildete Induktivität 7 und den Widerstand RS. Wird der Strom durch das Relais 2 und den Widerstand RS wieder kleiner als der Nennstrom, wird der elektronische Schalter 6 über den Komparator 4 wieder eingeschaltet, so dass die Stromzufuhr von der Spannungsquelle 3 zum Relais 2 erfolgt. Die Stromregelung entsteht durch Pulsbreitenmodulation in dem Schaltregler bestehend aus elektronischem Schalter 6, Induktivität 7 und einer Vergleichseinrichtung. Die Vergleichseinrichtung umfasst die Stromerfassungseinrichtung 8, die Nennstromeinrichtung 9 und den Komparator 4. Die Induktivität 7 dient dabei als Schaltinduktivität. Die Nennstromeinrichtung umfasst einen Spannungsregler 10 zur Spannungsversorgung des Komparators 4 und zur Erzeugung der Referenzspannung an der Referenzdiode 5.

[0016] In der Fig. 2 ist eine elektronische Schaltung 1 dargestellt, die realisiert wurde. Als Relais 2 wurde ein Relais mit einem Widerstand 11 von 38 Ohm und einer Induktivität 7 mit 290 mH verwendet. Der elektronische Schalter 6 ist als Darlingtontransistor ausgeführt. Der Komparator 4 hat einen "open collector"-Ausgang mit maximal 36 V und wird mittels einer geschalteten Stromquelle 12 an die Basisspannung des elektronischen Schalters 6 angepasst. Ein 6 V-Spannungsregler 10 wird durch eine Transistorschaltung mit den Transistoren 13, 14 gebildet. Die Referenzspannungsquelle wird mittels einer Bandgap-Diode 5 realisiert, wobei an der Referenzspannungsquelle 1,21 V anliegen. Es versteht sich, dass die Dimensionierung der Bauelemente vom Fachmann geeignet gewählt wird.

[0017] In der Fig. 3 sind die an unterschiedlichen Stellen der Schaltung der Fig. 2 anliegenden Signale dargestellt, wobei die Spannungsquelle eine Spannung von 100 V erzeugt. Mit A ist die von der Spannungsquelle erzeugte Spannung bezeichnet, mit I der aufgenommene Gesamtstrom. Mit X ist der Strom an der Stelle X in der Fig. 2 bezeichnet. Mit C ist die Spannung am Spannungsmesspunkt C der Fig. 2 bezeichnet. Mit D und E sind die Spannungen an den Stellen D und E dargestellt. Y bezeichnet den Schaltstrom des elektronischen Schalters 6. Weiterhin ist das Signal (B - C) · I dargestellt. Aus der Fig. 3 ist klar zu erkennen, dass der Strom durch das Relais 2 (der Strom X) nahezu konstant ist, solange die Spannungsquelle angeschaltet ist (Signal A). Im vorliegenden Beispiel liegt der durchschnittliche Strom X bei etwa 102 mA. Wie man aus den Messkurven sehen kann, ist am schalterseitigen Anschluss der Relaisspule 11 die Relaiseingangsspannung (Signal C) und damit die Stromzufuhr impulsförmig. An dieser Stelle entspricht der Mittelwert des zugeführten Stroms dem Gleichspannungs-Nennstrom des Relais 2. Am shuntseitigen Anschluss der Relaisspule 11 bzw. des Relais 2 wird der Strom durch die Induktivität der Relaisspule 11 derart stark integriert, dass praktisch kein impulsförmiges Verhalten festgestellt werden kann. Es wird der tatsächliche Relaisstrom (Signal X) am Shuntwiderstand RS gemessen.

[0018] In der Fig. 4 sind die den unterschiedlichen Stellen der elektronischen Schaltung der Fig. 2 anliegenden Signale dargestellt, wobei im Unterschied zur Fig. 3 das Signal A, d.h. die durch die Spannungsquelle erzeugte Spannung, nur 20 V beträgt. Auch hier ist zu erkennen, dass das Signal X, d.h. der Relaisstrom, nahezu konstant ist, solange die Spannungsquelle eingeschaltet ist. Im vorliegenden Beispiel liegt der Strom durch das Relais bei etwa 101 mA. Aus den Fign. 3 und 4 wird somit deutlich, dass mit der erfindungsgemäßen Schaltung ein Relais mit niedriger Nennspannung verlustfrei automatisch in einem weiten Spannungsbereich betrieben werden kann. Insbesondere bleibt der Strom durch das Relais bei beliebiger Eingangsspannung nahezu konstant.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Relais (2) mit einer Spannungsversorgung (3), deren Spannungsbereich oberhalb der Nennspannung des Relais (2) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Stromzufuhr zum Relais (2) erfolgt, wobei der Relaisstrom (X) oder eine diesen beschreibende erste Größe überwacht wird und bei Überschreiten des Nennstroms oder einer diesen beschreibenden zweiten Größe durch den Relaisstrom oder die erste Größe die Stromzufuhr unterbrochen wird und bei Unterschreiten des Nennstroms oder der zweiten Größe durch den Relaisstrom (X) oder die erste Größe die Stromzufuhr zugeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelung mittels Pulsbreitenmodulation in einem Schaltregler erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relaisspule (7) als Schaltspule für die Stromregelung verwendet wird.

4. Elektronische Schaltung (1) zur Ansteuerung eines Relais (2), die an eine Spannungsquelle (3) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltregler vorgesehen ist, der eine Induktivität (7) und einen elektronischen Schalter (6) umfasst, der von einer einen Relaisstrom oder eine diesen beschreibenden ersten Größe mit einem Nennstrom oder einer diesen beschreibenden zweiten Größe vergleichenden Vergleichseinrichtung derart angesteuert ist, dass der elektronische Schalter (6) die Spannungsquelle (3) vom Relais (2) abtrennt, wenn der Relaisstrom (X) oder die erste Größe größer ist als der Nennstrom oder die zweite Größe und die Spannungsquelle (3) mit dem Relais (2) verbindet, wenn der Relaisstrom (X) oder die erste Größe kleiner ist als der Nennstrom oder die zweite Größe.

5. Elektronische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (7) des Relais (2) die Induktivität des Schaltreglers ist.

6. Elektronische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung eine Stromerfassungseinrichtung (8) zur Erfassung des Relaisstroms (X) , eine Nennstromeinrichtung (9) und einen Komparator (4) zum Vergleich des Relaisstroms (X) mit dem Nennstrom umfasst.

7. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassungseinrichtung (8) als Messwiderstand (RS) und die Nennstromeinrichtung als Referenzspannungsquelle ausgebildet sind.

8. Elektronische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsregler (10) zur Versorgung einer Steuerelektronik vorgesehen ist.

9. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter (6) von dem Komparator (4) angesteuert wird und als Darlingtontransistor oder MOSFET ausgebildet ist.

Zeichnung