ANSTEUERSCHALTUNG FÜR EIN ELEKTROMAGNETISCHES RELAIS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für ein eine Relaisspule und Schaltkontakte aufweisendes elektromagnetisches Relais mit einer ersten Schalteinrichtung.

[0002] In elektrischen Geräten werden zur Durchführung von gesteuerten Schalthandlungen häufig elektromagnetische Relais eingesetzt. Elektromagnetische Relais bestehen üblicherweise aus einer Relaisspule und zumindest einem Paar elektrischer Schaltkontakte. Wird die Relaisspule von einem elektrischen Strom durchflossen, so wird um die Relaisspule ein Magnetfeld erzeugt, wodurch - bei sogenannten selbstöffnenden Relais - ein Schließen der Relaiskontakte bewirkt wird, so dass ein Stromfluss über die Relaiskontakte möglich ist. Wird der durch die Relaisspule fließende Strom wieder unterbrochen, so wird der bewegliche Teil der Relaiskontakte, beispielsweise mittels einer Federeinrichtung, in seine Ausgangslage zurückbewegt, was ein Öffnen der Relaiskontakte bewirkt und den Stromfluss über diese unterbricht. Bei selbstschließenden Relais sind die Kontakte im stromlosen Zustand der Relaisspule geschlossen und im stromdurchflossenen Zustand geöffnet.

[0003] Elektromagnetische Relais werden üblicherweise dort eingesetzt, wo mittels eines vergleichsweise geringen Steuerstromes aus einem Ansteuerstromkreis ein vergleichsweise größerer Strom in einem Schaltstromkreis ein- oder ausgeschaltet werden soll, und/oder dort, wo zwischen dem Ansteuerstromkreis und dem Schaltstromkreis eine galvanische Trennung erreicht werden soll. Das elektromagnetische Relais bildet in diesem Fall die galvanische Entkopplung des Ansteuerstromkreises und des Schaltstromkreises.

[0004] Aus der EP 0 840 342 A2 geht eine Ansteuerschaltung für ein elektromagnetisches Relais hervor, das im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt wird und einer möglichst geringen Wärmeentwicklung unterworfen sein soll.

[0005] Elektromagnetische Relais werden beispielsweise in elektrischen Schutzgeräten zur Überwachung elektrischer Energieversorgungsnetze eingesetzt, um im Falle eines Fehlers (z.B. eines Kurzschlusses) in dem elektrischen Energieversorgungsnetz durch Schließen der Relaiskontakte eines sogenannten "Kommandorelais" eine Auslösung eines elektrischen Leistungsschalters zu veranlassen und so den Fehlerstrom zu unterbrechen. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit elektromagnetischer Relais in Schutzgeräten ist bei sogenannten Binärausgängen gegeben, wo durch Ein- bzw. Ausschalten von Relais binäre Kommunikationssignale mit hohem Signalpegel (binäre "1") oder niedrigem Signalpegel (binäre "0") erzeugt werden können. Beim Einsatz von elektromagnetischen Relais in solchen sicherheitsrelevanten Gebieten ist es von größter Wichtigkeit, ein ungewolltes Ein- oder Ausschalten sicher zu verhindern, um einerseits eine große Zuverlässigkeit im Fehlerfall zu gewährleisten und andererseits kostenträchtige Fehlauslösungen zu vermeiden.

[0006] Eine möglichst fehlersichere Ausgestaltung eines Ansteuerstromkreises für ein elektromagnetisches Relais kann dadurch erreicht werden, dass die Relaisspule nicht nur über eine einzige ggf. fehleranfällige Schalteinrichtung angesteuert wird, sondern stattdessen über zwei im Strompfad der Relaisspule liegende Schalteinrichtungen. Die Relaisspule wird nur dann angesteuert, wenn beide Schalteinrichtungen gleichzeitig geschlossen sind. Sobald eine Schalteinrichtung geöffnet ist, wird der Stromfluss durch die Relaisspule unterbrochen. Hierdurch wird eine relativ große Zuverlässigkeit der Ansteuerung gegen ungewolltes Aktivieren der Relaisspule erreicht, da eine schadhafte, dauerhaft kurzgeschlossene Schalteinrichtung allein keine ungewollte Aktivierung der Relaisspule bewirken kann. Eine solche Schaltanordnung ist beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 2009/062536 A1 bekannt, aus der eine Schaltanordnung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Relais hervorgeht, bei der eine Relaisspule mit zwei Schalteinrichtungen derart in einem Strompfad angeordnet ist, dass an beiden Anschlüssen der Relaisspule jeweils eine der Schalteinrichtungen vorgesehen ist. Über eine Ansteuerschaltung werden zum Herstellen eines Stromflusses durch die Relaisspule beide Schalteinrichtungen geschlossen, während zum Unterbrechen des Stromflusses beide Schalteinrichtungen geöffnet werden.

[0007] Bei einigen Anwendungsfällen wird an ein elektromagnetisches Relais die Anforderung gestellt, dass es im Falle eines Stromflusses durch die Relaisspule eine möglichst kurze Ansprechzeit aufweist, also sehr schnell eine Schalthandlung der Schaltkontakte des Relais ausgelöst wird. Diese Anforderung wird beispielsweise an solche Relais gestellt, die für Binärausgänge von elektrischen Schutz- oder Steuergeräten eingesetzt werden, weil solche Binärausgänge zur Übermittlung von Informationen an andere Geräte, z.B. weitere Schutz- oder Steuergeräte, eingesetzt werden und die Signallaufzeit hierbei möglichst kurz gehalten werden soll. Daher muss die Zeitdauer von der Ansteuerung eines elektromagnetischen Relais bis zum endgültigen Schließen seiner Schaltkontakte möglichst kurz sein.

[0008] Zur Realisierung eines elektromagnetischen Relais mit einer möglichst kurzen Ansprechzeit ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 03 682 A1 bekannt, parallel zu den Schaltkontakten des elektromagnetischen Relais einen Halbleiterschalter einzusetzen, der aufgrund des Fehlens mechanisch bewegter Teile eine sehr schnelle Ansprechzeit aufweist und bis zum endgültigen Schließen der Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais die Herstellung eines Stromflusses gewährleisten kann. Ein solcher Halbleiterschalter muss in diesem Fall dazu ausgebildet sein, einen vergleichsweise hohen Strom führen zu können, da der gesamte Strom des Schaltstromkreises bis zum Schließen der Schaltkontakte des Relais über den Halbleiterschalter fließen muss.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung der oben genannten Art anzugeben, die einerseits eine möglichst kurze Ansprechzeit aufweist und andererseits konstruktiv einfach und damit kostengünstig herzustellen ist.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ansteuerschaltung für ein eine Relaisspule und Schaltkontakte aufweisendes elektromagnetisches Relais mit einer ersten Schalteinrichtung gelöst, wobei die erste Schalteinrichtung zwischen einem ersten Anschluss der Relaisspule und einer ersten Spannungsquelle angeordnet ist. Eine zweite Schalteinrichtung ist zwischen einem zweiten Anschluss der Relaisspule und einem Nullpotenzial angeordnet, und eine Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, zum Herstellen eines Stromflusses durch die Relaisspule beide Schalteinrichtungen zu schließen. Dabei ist eine zweite Spannungsquelle vorgesehen, die über eine dritte Schalteinrichtung mit dem ersten Anschluss der Relaisspule verbunden ist, wobei die dritte Schalteinrichtung in Parallelschaltung zu der ersten Schalteinrichtung angeordnet ist und die zweite Spannungsquelle ein höheres Spannungsniveau aufweist als die erste Spannungsquelle, und die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, zum Herstellen eines Stromflusses durch die Relaisspule zunächst alle drei Schalteinrichtungen zu schließen und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer einerseits die dritte Schalteinrichtung wieder zu öffnen und andererseits die erste und die zweite Schalteinrichtung geschlossen zu halten. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen separate Schaltsignale zu erzeugen, wobei die Schaltsignale den Schalteinrichtungen über voneinander getrennte Signalpfade zugeführt werden und wobei entweder in den Signalpfaden zwischen der Steuereinrichtung und der ersten und dritten Schalteinrichtung oder im Signalpfad zwischen der Steuereinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung Signalinvertierer vorgesehen sind, die eine Invertierung des jeweiligen Schaltsignals vornehmen. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, über die mit Signalinvertierern versehenen Signalpfade zum Schließen der jeweiligen Schalteinrichtung jeweils inverse Schaltsignale zu übertragen.

[0011] Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung besteht darin, dass allein durch Vorsehen einer zweiten Spannungsquelle mit einem im Vergleich zur ersten Spannungsquelle höheren Spannungsniveau und der Verwendung einer entsprechend angesteuerten dritten Schalteinrichtung der Relaisspule für eine kurze Zeitdauer eine höhere Spannung zugeführt werden kann (und damit ein höherer Strom durch die Relaisspule getrieben wird), so dass diese zu einer vergleichsweise schnellen Einschaltung der Schaltkontakte veranlasst werden kann. Sobald die Schaltkontakte geschlossen sind, kann als Haltespannung das Spannungsniveau der ersten Spannungsquelle verwendet werden, indem die zweite Spannungsquelle durch Öffnen der dritten Schalteinrichtung wieder von der Relaisspule abgetrennt wird.

[0012] Die beiden Spannungsquellen können hierbei durch separat voneinander mit der Ansteuerschaltung verbundene Spannungsquellen gebildet werden, oder es kann die Spannung einer einzigen Spannungsquelle auf zwei Spannungsniveaus aufgeteilt werden, wobei das niedrigere Spannungsniveau für die erste Spannungsquelle und das höhere Spannungsniveau für die zweite Spannungsquelle verwendet wird. Die Schalteinrichtungen können beispielsweise als Halbleiterschalter (Transistoren, MOSFETs etc.) ausgebildet sein.

[0013] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen separate Schaltsignale zu erzeugen, wobei die Schaltsignale den Schalteinrichtungen über voneinander getrennte Signalpfade zugeführt werden.

[0014] Auf diese Weise kann eine mehrkanalige Ansteuerung der Schalteinrichtungen erfolgen, so dass sich eine Unterbrechung eines der Signalpfade nicht auf alle Schalteinrichtungen auswirkt.

[0015] Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass entweder in den Signalpfaden zwischen der Steuereinrichtung und der ersten und dritten Schalteinrichtung oder im Signalpfad zwischen der Steuereinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung Signalinvertierer vorgesehen sind, die eine Invertierung des jeweiligen Schaltsignals vornehmen, und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, über die mit Signalinvertierern versehenen Signalpfade zum Schließen der jeweiligen Schalteinrichtung jeweils inverse Schaltsignale zu übertragen.

[0016] Hierdurch kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass eine Beeinflussung der jeweiligen Signalpfade durch eine von außen eingebrachte Störung, beispielsweise eine elektromagnetische Störung, sich nicht in gleicher Weise auf die in den Signalpfaden geführten Schaltsignale auswirkt und damit zu einer ungewollten Einschaltung der Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais führen könnte. Vielmehr wirkt sich bei dieser Ausführungsform eine von außen eingebrachte Störung auf die Schalteinrichtungen an den beiden Anschlüssen der Relaisspule jeweils genau gegensätzlich aus, so dass eine gleichzeitige ungewollte Einschaltung aller Schalteinrichtungen und eine damit verbundene Herstellung eines Stromflusses durch die Relaisspule wirksam vermieden wird.

[0017] Um außerdem eine Überwachung der Funktionstüchtigkeit sowohl der Relaisspule als auch der jeweiligen Schalteinrichtungen vornehmen zu können, wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung vorgeschlagen, dass in Parallelschaltung zu der ersten und der zweiten Schalteinrichtung jeweils elektrische Widerstände vorgesehen sind, deren Widerstandswerte derart gewählt sind, dass ein über zumindest einen der Widerstände und durch die Relaisspule fließender Strom kein Ansprechen der Schaltkontakte des Relais bewirkt, die Steuereinrichtung zur Abgabe einer Folge von Prüfsignalen an die jeweiligen Schalteinrichtungen eingerichtet ist, wobei von der Steuereinrichtung jeweils nur ein Prüfsignal für jeweils eine Schalteinrichtung zur selben Zeit erzeugt wird, und eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, die einerseits mit einem ersten Spannungsabgriff zwischen der Relaisspule und der ersten Schalteinrichtung und andererseits mit einem zweiten Spannungsabgriff zwischen der Relaisspule und der zweiten Schalteinrichtung in Verbindung steht und zur Überwachung der Spannungen an dem ersten und dem zweiten Spannungsabgriff eingerichtet ist.

[0018] Konkret kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Überwachungseinrichtung zur Abgabe eines Ausgangssignals eingerichtet ist, das eine Abweichung einer jeweiligen an dem ersten oder zweiten Spannungsabgriff gemessenen Spannung von einer jeweiligen Vergleichsspannung anzeigt.

[0019] Hierdurch kann mit vergleichsweise einfachen Mitteln durch Vergleich der an den jeweiligen Spannungsabgriffen gemessenen Spannungen mit jeweiligen Vergleichsspannungen auf die Funktionstüchtigkeit der Relaisspule und der Schalteinrichtungen geschlossen werden.

[0020] In diesem Zusammenhang kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung vorgesehen sein, dass die Überwachungseinrichtung zwei Komparatoren umfasst, deren Eingänge jeweils einerseits mit der Spannung des jeweiligen Spannungsabgriffs und andererseits mit einer Vergleichsspannung beaufschlagt sind, und die Komparatoren ausgangsseitig mit einem Oder-Glied verbunden sind, an dessen Ausgang das Ausgangssignal abgreifbar ist.

[0021] Hierdurch kann mit vergleichsweise einfachen elektronischen Bauteilen in Form von zwei Komparatoren und einem Oder-Glied die Überwachungseinrichtung für die Ansteuerschaltung realisiert werden.

[0022] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen

Fig. 1

ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Ansteuerschaltung für ein elektromagnetisches Relais,

Fig. 2

ein Diagramm zur Erläuterung des Schaltverlaufs von Schaltsignalen zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Relais, und

Fig. 3

ein Diagramm zur Erläuterung des Verlaufs von Prüfsignalen zur Überwachung einer Ansteuerschaltung für ein elektromagnetisches Relais.

[0023] Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Ansteuerschaltung 10 für ein elektromagnetisches Relais, von dem in Fig. 1 der besseren Übersicht halber lediglich die Relaisspule 11 gezeigt ist. Das elektrische Relais weist darüber hinaus in Fig. 1 nicht dargestellte Schaltkontakte auf, die bei Vorhandensein eines Stromflusses durch die Relaisspule 11 zur Durchführung einer Schalthandlung veranlasst werden können. Solche Schaltkontakte können beispielsweise als Schaltkontakte eines Kommandorelais zur Ansteuerung eines Leistungsschalters oder als Schaltkontakte eines binären Kommunikationsausgangs von elektrischen Schutzgeräten zur Überwachung und Steuerung elektrischer Energieversorgungsnetze Anwendung finden.

[0024] Zwischen einer ersten auf dem Spannungsniveau U₁ liegenden Spannungsquelle 12a und der Relaisspule 11 ist eine erste Schalteinrichtung 13a angeordnet. Eine zweite Schalteinrichtung 13b befindet sich darüber hinaus in dem Strompfad zwischen der Relaisspule 11 und Nullpotenzial. Außerdem ist eine zweite auf dem Spannungsniveau U₂ liegende Spannungsquelle 12b vorgesehen, die über eine dritte Schalteinrichtung 13c, die in Parallelschaltung zur ersten Schalteinrichtung 13a angeordnet ist, mit der Relaisspule 11 verbunden ist. Bei den Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c kann es sich beispielsweise um Halbleiterschalter, wie z. B. Transistoren, handeln.

[0025] Eine Steuereinrichtung 14 dient zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen 13a, 13b und 13c. Die Steuereinrichtung kann - wie in Fig. 1 gezeigt - aus einer einzigen logischen Schaltung bestehen, beispielsweise aus einem entsprechend programmierten ASIC oder FPGA; abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 1 kann die Steuereinrichtung 14 jedoch auch aus jeweils separaten, den einzelnen Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c zugeordneten logischen Schaltungen bestehen.

[0026] Zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c werden von der Steuereinrichtung 14 Schaltsignale S₁, S₂, S₃ erzeugt, wobei das Schaltsignal S₁ zur Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung 13a, das Schaltsignal S₂ zur Ansteuerung der zweiten Schalteinrichtung 13b und das Schaltsignal S₃ zur Ansteuerung der dritten Schalteinrichtung 13c vorgesehen ist. Die Schaltsignale S₁, S₂, S₃ werden den jeweiligen Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c über voneinander getrennte separate Signalpfade zugeführt, um eine Mehrkanaligkeit und damit eine Unabhängigkeit der einzelnen Schaltsignale zu erreichen und zu verhindern, dass beim Ausfall eines der Schaltsignale oder Unterbrechung eines Signalpfades eine möglicherweise ungewollte Schalthandlung des elektromagnetischen Relais durchgeführt wird. Darüber hinaus sind in den Signalpfaden der Schaltsignale S₁ und S₃, die von der Steuereinrichtung 14 zu der ersten und der dritten Schalteinrichtung 13a bzw. 13c führen, Signalinvertierer 15a und 15b vorgesehen, die eine Invertierung des jeweils von der Steuereinrichtung 14 abgegebenen Schaltsignals S₁ bzw. S₃ vornehmen und ein entsprechend inverses Schaltsignal an die jeweilige Schalteinrichtung 13a bzw. 13c weitergeben. Eine Invertierung der Schaltsignale bedeutet in diesem Fall eine Umkehrung des Signalpegels eines binären Schaltsignals derart, dass ein Schaltsignal, das vor der Invertierung einen hohen Signalpegel (binäre "1") besitzt, nach der Invertierung in ein Schaltsignal mit niedrigem Signalpegel (binäre "0") und umgekehrt umgewandelt wird. Das Vorsehen der Signalinvertierer 15a und 15b zur Signalinvertierung der Schaltsignale S₁ und S₃ dient zur Minimierung eines schädlichen Einflusses externer Störungen, beispielsweise hervorgerufen durch elektromagnetische Beeinflussungen der Ansteuerschaltung, die sich andernfalls in gleichartiger Weise in die Signalpfade der Schaltsignale S₁, S₂, S₃ einkoppeln könnten und ein ungewolltes Ansteuern der Relaisspule hervorrufen könnten. Durch die Signalinvertierer 15a, 15b kann eine solche gleichartige Beeinflussung der Signalpfade der Schaltsignale S₁, S₂, S₃ weitgehend verhindert werden, da sich durch Signalinvertierung externe Störungen immer in gegenteiliger Weise auf die erste und dritte Schalteinrichtung 13a, 13c einerseits und die zweite Schalteinrichtung 13b andererseits auswirken würden.

[0027] Die Funktionsweise der Ansteuerschaltung 10 bei der Ansteuerung der Relaisspule 11 wird im Folgenden unter Hinzunahme der Fig. 2 näher erläutert. In Fig. 2 ist hierzu ein Diagramm dargestellt, das die Signalverläufe der Schaltsignale S₁, S₂, S₃ für die Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c sowie die entsprechende Reaktion der durch die Relaisspule 11 angesteuerten Schaltkontakte ("Relais ein/aus") aufzeigt.

[0028] Vor einem mit t₁ bezeichneten ersten Zeitpunkt werden von der Steuereinrichtung 14 ein erstes Schaltsignal S₁ mit hohem Signalpegel, ein zweites Schaltsignal S₂ mit niedrigem Signalpegel und ein drittes Schaltsignal S₃ mit hohem Signalpegel an die jeweiligen Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c abgegeben. Durch die Signalinvertierer 15a, 15b werden das erste Schaltsignal S₁ und das dritte Schaltsignal S₃ wie oben beschrieben invertiert und in derart invertierter Form den Schalteinrichtungen 13a bzw. 13c zugeführt, so dass letztendlich allen drei Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c vor dem ersten Zeitpunkt t₁ ein Schaltsignal mit niedrigem Signalpegel zugeführt wird, so dass alle drei Schalteinrichtungen in geöffneter Stellung verharren. Entsprechend befinden sich die Schaltkontakte des Relais vor dem Zeitpunkt t₁ in ausgeschaltetem Zustand, wie aus dem unteren Verlauf des Diagramms entnehmbar ist.

[0029] Zum Zeitpunkt t₁ werden die drei Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c durch entsprechende Veränderung der Signalpegel der Schaltsignale S₁, S₂, S₃ zum Einschalten veranlasst. Konkret bedeutet dies, dass sowohl das erste als auch das dritte Schaltsignal S₁ und S₃ zum Zeitpunkt t₁ einen niedrigen Signalpegel annehmen, während das zweite Schaltsignal S₂ zum Zeitpunkt t₁ einen hohen Signalpegel annimmt. Aufgrund der Invertierung der Schaltsignale S₁ und S₃ werden ab dem Zeitpunkt t1 allen drei Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c Schaltsignale mit hohem Signalpegel zugeführt, so dass alle Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c eingeschaltet werden.

[0030] Hierdurch wird ein Stromfluss durch die Relaisspule 11 erreicht, der schließlich ein Einschalten der Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais bewirkt. Da dieser zum Zeitpunkt t₁ auftretende Stromfluss aufgrund der eingeschalteten dritten Schalteinrichtung 13c durch die zweite Spannungsquelle 12b mit dem höheren Spannungsniveau U₂ verursacht wird, ist dieser Strom beim Einschalten des Relais zum Zeitpunkt t₁ vergleichsweise hoch und bewirkt ein beschleunigtes Schließen der Schaltkontakte, indem die Relaisspule 11 entsprechend des fließenden vergleichsweise hohen Stromes ein relativ starkes Magnetfeld erzeugt, das zum schnellen Einschalten der Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais dient. Eine Diode 16 verhindert einen Stromfluss von dem hohen Spannungsniveau U₂ zum niedrigeren Spannungsniveau U₁ der ersten Spannungsquelle 12a.

[0031] Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer, die sich insbesondere nach der Einschaltzeit des Relais richtet und in der Größenordnung weniger Millisekunden liegt, ändert die Steuereinrichtung 14 zum Zeitpunkt t₂ den Signalpegel des dritten Schaltsignals S₃, wodurch die dritte Schalteinrichtung 13c zum Ausschalten veranlasst wird. Nach dem Ausschalten der dritten Schalteinrichtung 13c liegt nunmehr nur noch das niedrigere Spannungsniveau U₁ der ersten Spannungsquelle 12a an der Relaisspule 11 an und sorgt für einen fortgesetzten Stromfluss durch die Relaisspule 11 und damit ein fortgesetztes Einschalten der Schaltkontakte des Relais. Da die Relaiskontakte zu diesem Zeitpunkt bereits beschleunigt eingeschaltet worden sind, reicht das niedrigere Spannungsniveau U₁ zum Erhalten des Stromflusses durch die Relaisspule 11 aus.

[0032] Zum Zeitpunkt t₃ ändert die Steuereinrichtung 14 die Signalpegel des ersten und zweiten Schaltsignals S₁ und S₂, so dass auch die erste und zweite Schalteinrichtung 13a bzw. 13b ausgeschaltet werden und der Stromfluss durch die Relaisspule (weitgehend) zum Erliegen kommt. Daher werden ab dem Zeitpunkt t₃ die Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais geöffnet.

[0033] Mit der Ansteuerschaltung 10 gemäß Figur 1 lässt sich neben einer beschleunigten Einschaltung der Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais auch eine Überwachung der Funktionstüchtigkeit der drei Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c sowie der Relaisspule 11 durchführen. Hierzu sind einerseits zwei Widerstände 17a und 17b vorgesehen, die jeweils in Parallelschaltung zu der ersten Schalteinrichtung 13a und der zweiten Schalteinrichtung 13b angeordnet sind, so dass dauerhaft durch das Spannungsniveau U₁ der ersten Spannungsquelle 12a ein Stromfluss durch die Relaisspule 11 und die beiden Widerstände 17a und 17b hervorgerufen wird. Damit dieser Stromfluss jedoch kein ungewolltes Einschalten der Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais bewirkt, sind die Widerstände 17a und 17b hinsichtlich ihrer Widerstandswerte derart hoch bemessen, dass der durch die Relaisspule 11 fließende Stromfluss zu gering ist, um ein Einschalten der Schaltkontakte des elektromagnetischen Relais zu bewirken.

[0034] Durch die Widerstände 17a und 17b werden an Spannungsabgriffen 18a und 18b, die sich zu beiden Seiten der Relaisspule 11 befinden, bei ausgeschalteten Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c definierte Spannungsniveaus eingestellt, da in diesem Fall die festen Widerstände 17a, 17b sowie der ohmsche Widerstandswert der Relaisspule 11 einen dreiteiligen Spannungsteiler bilden, durch den die Spannungsniveaus an den Spannungsabgriffen 18a und 18b eindeutig festgelegt sind.

[0035] An den Spannungsabgriffen 18a und 18b ist eine Überwachungseinrichtung 19 angeschlossen, die die an den Spannungsabgriffen 18a und 18b vorliegenden Spannungen misst und auf Abweichungen überwacht und ausgangsseitig ein Ausgangssignal A erzeugt, das angibt, ob mindestens eine der Spannungen an den Spannungsabgriffen 18a und 18b von den durch die Widerstände 17a und 17b eingestellten Spannungsniveaus abweicht.

[0036] Konkret kann die Überwachungseinrichtung 19 aus zwei Komparatoren 20a und 20b sowie einem logischen ODER-Glied 21 gebildet sein. Dem ersten Komparator 20a wird eingangsseitig die an dem ersten Spannungsabgriff 18a gemessene Spannung zugeführt. Außerdem wird dem ersten Komparator 20a an einem Vergleichseingang eine Vergleichsspannung U_V1 zugeführt, deren Wert der Spannung entspricht, die an dem ersten Spannungsabgriff 18a durch die Widerstände 17a und 17b im Falle geöffneter Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c eingestellt ist. Entsprechend wird dem zweiten Komparator 20b eingangsseitig die an dem zweiten Spannungsabgriff 18b gemessene Spannung zugeführt. Außerdem wird dem zweiten Komparator 20b an einem Vergleichseingang eine Vergleichsspannung U_V2 zugeführt, deren Wert der Spannung entspricht, die an dem zweiten Spannungsabgriff 18b durch die Widerstände 17a und 17b im Falle geöffneter Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c eingestellt ist. Ausgangsseitig sind beide Komparatoren 20a, 20b mit dem logischen ODER-Glied 21 verbunden.

[0037] Der erste Komparator 20a gibt ausgangsseitig ein Signal ab, wenn eine Abweichung zwischen der am ersten Spannungsabgriff 18a anliegenden Spannung und der ersten Vergleichsspannung U_V1 vorliegt. Der zweite Komparator 20b gibt ausgangsseitig ein Signal ab, wenn eine Abweichung zwischen der am zweiten Spannungsabgriff 18b anliegenden Spannung und der zweiten Vergleichsspannung U_V2 vorliegt. Vorzugsweise ist der erste Komparator 20a als invertierender Komparator und der zweite Komparator 20b als nicht invertierender Komparator ausgeführt. In diesem Fall können beide Vergleichsspannungen U_V1 und U_V2 positiv ausgeführt sein und gleichzeitig können Spannungen an den Spannungsabgriffen 18a und 18b größer und kleiner als die Vergleichsspannungen U_V1 und U_V2 überwacht werden.

[0038] Das ODER-Glied 21 gibt ausgangsseitig ein Ausgangssignal ab, wenn mindestens eines der Signale der Komparatoren eine Abweichung der gemessenen Spannung von der jeweiligen Referenzspannung anzeigt.

[0039] Zur Durchführung einer Funktionstüchtigkeitsüberwachung der Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c werden von der Steuereinrichtung 14 über die Signalpfade der Schaltsignale kurze Prüfsignale P₁, P₂ und P₃ an die Schalteinrichtungen 13a, 13b, 13c erzeugt, die sich zeitlich nicht überlappen und ihre entsprechende Schalteinrichtung 13a, 13b, 13c zum kurzzeitigen Einschalten veranlassen. Die Dauer der Abgabe der Prüfsignale beträgt typischerweise wenige Millisekunden.

[0040] Die Vorgehensweise bei der Überwachung der Schalteinrichtungen 13a, 13b und 13c soll im Folgenden unter Hinzunahme der Fig. 3 erläutert werden. In Fig. 3 ist hierzu ein Diagramm dargestellt, das den Verlauf von von der Steuereinrichtung 14 abgegebenen Signalfolge von Prüfsignalen P₁, P₂ und P₃ sowie den entsprechenden Verlauf des von der Überwachungseinrichtung 19 abgegeben Ausgangssignals A aufzeigt.

[0041] Die Überwachung kann nur erfolgen, wenn die Relaisspule 11 ausgeschaltet ist. In diesem Fall wird von der Steuereinrichtung 14 als erstes Prüfsignal einer Prüfsignalfolge das Prüfsignal P₁ erzeugt und der ersten Schalteinrichtung 13a zugeführt. Da im Signalpfad zur ersten Schalteinrichtung 13a der Signalinvertierer 15a angeordnet ist, muss das Prüfsignal P₁ entsprechend einen niedrigen Signalpegel aufweisen, um nach seiner Invertierung ein Einschalten der ersten Schalteinrichtung 13a zu bewirken. Durch das Einschalten der ersten Schalteinrichtung 13a wird der Widerstand 17a überbrückt, so dass das Spannungsniveau am ersten Spannungsabgriff 18a auf das Spannungsniveau U₁ der ersten Spannungsquelle 12a gehoben wird. Entsprechend verändert sich auch das Spannungsniveau am zweiten Spannungsabgriff 18b, so dass in der Folge beide Komparatoren 20a und 20b ausgangsseitig ein Signal erzeugen und das Ausgangssignal A der Überwachungseinrichtung 19 entsprechend eine Abweichung der gemessenen Spannungsniveaus von den Vergleichsspannungen anzeigt. Dieses Ausgangssignal A kann einer in Fig. 1 nicht gezeigten Auswerteeinheit zugeführt werden, die ebenfalls Kenntnis über die Abgabe des ersten Prüfsignals P₁ besitzt und auf Funktionstüchtigkeit der ersten Schalteinrichtung schließt, wenn das Ausgangssignal A als Reaktion auf das erste Prüfsignal P₁ auftritt. Die Auswerteeinheit kann auch in die Steuereinrichtung 14 integriert sein.

[0042] Entsprechend werden als weitere Prüfsignale der von der Steuereinrichtung 14 abgegebenen Prüfsignalfolge die Prüfsignale P₂ und P₃ erzeugt und ihren jeweiligen Schalteinrichtungen 13b bzw. 13c zugeführt. Jedes dieser Prüfsignale P₂ bzw. P₃ führt bei funktionstüchtiger Schalteinrichtung 13b bzw. 13c eine Veränderung der Spannungsniveaus an den Spannungsabgriffen 18a bzw. 18b hervor, so dass von der Überwachungseinrichtung 19 als Reaktion ein entsprechendes Ausgangssignal A abgegeben wird, das der Auswerteeinheit zugeführt wird, die somit die Funktionstüchtigkeit der Schalteinrichtungen erkennt.

[0043] In Fig. 3 ist in der dritten Prüfsignalfolge 31 der Fall einer nicht funktionstüchtigen zweiten Schalteinrichtung 13b dargestellt. Hierbei bewirkt das zweite Prüfsignal P₂ aufgrund eines Defekts der zweiten Schalteinrichtung 13b kein Einschalten und damit keine Veränderung der Spannungsniveaus an den Spannungsabgriffen 18a und 18b. Entsprechend wird kein Ausgangssignal A erzeugt, das auf eine Abweichung von den Vergleichsspannungen hinweist. Die Auswerteeinheit erkennt, dass die erwartete Reaktion des Ausgangssignals A auf das Prüfsignal P₂ ausbleibt (Stelle 32 in Fig. 3) und schlie0t daher auf einen Defekt der zweiten Schalteinrichtung 13b. Dies kann z.B. in Form eines Alarmsignals oder einer Ausfallmeldung an einen Benutzer der Ansteuerschaltung 10 (z.B. den Benutzer eines Schutzgerätes, in das die Ansteuerschaltung eingebaut ist) mitgeteilt werden.

[0044] Auch der Fall einer defekten Relaisspule 11 lässt sich durch die Überwachungseinrichtung 19 erkennen. In diesem Fall ist aufgrund eines Drahtbruchs in der Relaisspule 11 kein Stromfluss über die Relaisspule 11 möglich, so dass die Spannungsniveaus an den Spannungsabgriffen 18a und 18b dauerhaft von ihren Vergleichsspannungen abweichen. Ebenso führt eine Überbrückung von Wicklungen der Relaisspule 11 z.B. durch eine defekte Isolierung der Wicklungen zu einem veränderten Widerstandswert der Relaisspule 11, der sich in dauerhaft veränderten Spannungsniveaus an den Spannungsabgriffen 18a und 18b niederschlägt und daher auch erkannt werden kann.

Ansprüche

1. Ansteuerschaltung (10) für ein eine Relaisspule (11) und Schaltkontakte aufweisendes elektromagnetisches Relais mit

- einer ersten Schalteinrichtung (13a), die zwischen einem ersten Anschluss der Relaisspule (11) und einer ersten Spannungsquelle (12a) angeordnet ist;

- einer zweiten Schalteinrichtung (13b), die zwischen einem zweiten Anschluss der Relaisspule (11) und einem Nullpotenzial angeordnet ist; und

- einer Steuereinrichtung (14), die dazu eingerichtet ist, zum Herstellen eines Stromflusses durch die Relaisspule (11) beide Schalteinrichtungen (13a, 13b) zu schließen; wobei

- eine zweite Spannungsquelle (12b) vorgesehen ist, die über eine dritte Schalteinrichtung (13c) mit dem ersten Anschluss der Relaisspule (11) verbunden ist, wobei die dritte Schalteinrichtung (13c) in Parallelschaltung zu der ersten Schalteinrichtung (13a) angeordnet ist und die zweite Spannungsquelle (12b) ein höheres Spannungsniveau aufweist als die erste Spannungsquelle (12a); und

- die Steuereinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, zum beschleunigten Schließen der Schaltkontakte des Relais zum Herstellen eines Stromflusses durch die Relaisspule (11) zunächst alle drei Schalteinrichtungen (13a, 13b, 13c) zu schließen und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer einerseits die dritte Schalteinrichtung (13c) wieder zu öffnen und andererseits die erste und die zweite Schalteinrichtung (13a, 13b) geschlossen zu halten; wobei

- die Steuereinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen (13a, 13b, 13c) separate Schaltsignale (S₁, S₂, S₃) zu erzeugen, wobei die Schaltsignale (S₁, S₂, S₃) den Schalteinrichtungen (13a, 13b, 13c) über voneinander getrennte Signalpfade zugeführt werden; und wobei

- entweder in den Signalpfaden zwischen der Steuereinrichtung (14) und der ersten und dritten Schalteinrichtung (13a, 13c) oder im Signalpfad zwischen der Steuereinrichtung (14) und der zweiten Schalteinrichtung (13b) Signalinvertierer (15a, 15b) vorgesehen sind, die eine Invertierung des jeweiligen Schaltsignals (S₁, S₃) vornehmen; und

- die Steuereinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, über die mit Signalinvertierern (15a, 15b) versehenen Signalpfade zum Schließen der jeweiligen Schalteinrichtung (13a, 13b, 13c) jeweils inverse Schaltsignale (S₁, S₂, S₃) zu übertragen.

2. Ansteuerschaltung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass

- in Parallelschaltung zu der ersten und der zweiten Schalteinrichtung (13a, 13b) jeweils elektrische Widerstände (17a, 17b) vorgesehen sind, deren Widerstandswerte derart gewählt sind, dass ein über zumindest einen der Widerstände (17a, 17b) und durch die Relaisspule (11) fließender Strom kein Ansprechen der Schaltkontakte des Relais bewirkt;

- die Steuereinrichtung (14) zur Abgabe einer Folge von Prüfsignalen (P₁, P₂, P₃) an die jeweiligen Schalteinrichtungen (13a, 13b, 13c) eingerichtet ist, wobei von der Steuereinrichtung (14) jeweils nur ein Prüfsignal (P₁, P₂, P₃) für jeweils eine Schalteinrichtung (13a, 13b, 13c) zur selben Zeit erzeugt wird; und

- eine Überwachungseinrichtung (19) vorgesehen ist, die einerseits mit einem ersten Spannungsabgriff (18a) zwischen der Relaisspule (11) und der ersten Schalteinrichtung (13a) und andererseits mit einem zweiten Spannungsabgriff (18b) zwischen der Relaisspule (11) und der zweiten Schalteinrichtung (13b) in Verbindung steht und zur Überwachung der Spannungen an dem ersten und dem zweiten Spannungsabgriff (18a, 18b) eingerichtet ist.

3. Ansteuerschaltung (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass

- die Überwachungseinrichtung (19) zur Abgabe eines Ausgangssignals (A) eingerichtet ist, das eine Abweichung einer jeweiligen an dem ersten oder zweiten Spannungsabgriff (18a, 18b) gemessenen Spannung von einer jeweiligen Vergelichsspannung anzeigt.

4. Ansteuerschaltung (10) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass

- die Überwachungseinrichtung (19) zwei Komparatoren umfasst, deren Eingänge jeweils einerseits mit der Spannung des jeweiligen Spannungsabgriffs (18a, 18b) und andererseits mit einer Vergleichsspannung beaufschlagt sind; und

- die Komparatoren ausgangsseitig mit einem Oder-Glied verbunden sind, an dessen Ausgang das Ausgangssignal (A) abgreifbar ist.

Claims

1. Drive circuit (10) for an electromagnetic relay having a relay coil (11) and switch contacts, comprising

- a first switching device (13a), which is arranged between a first terminal of the relay coil (11) and a first voltage source (12a),

- a second switching device (13b), which is arranged between a second terminal of the relay coil (11) and a zero potential; and

- a control device (14), which is set up to close both switching devices (13a, 13b) to produce a current flow through the relay coil (11),

wherein

- a second voltage source (12b) is provided, which is connected by way of a third switching device (13c) to the first terminal of the relay coil (11), wherein the third switching device (13c) is connected parallel to the first switching device (13a) and the second voltage source (12b) has a higher voltage level than the first voltage source (12a); and

- to speed up the closure of the switching contacts of the relay the control device (14) is set up initially to close all three switching devices (13a, 13b, 13c) to produce a current flow through the relay coil (11) and at the end of a predefined time period on the one hand to open the third switching device (13c) again and on the other hand to keep the first and second switching devices (13a, 13b) closed; wherein

- the control device (14) is set up to generate separate switching signals (S₁, S₂, S₃) to drive the switching devices (13a, 13b, 13c), wherein the switching signals (S₁, S₂, S₃) are fed to the switching devices (13a, 13b, 13c) by way of mutually isolated signal paths; and wherein

- signal inverters (15a, 15b) are provided either in the signal paths between the control device (14) and the first and third switching devices (13a, 13c) or in the signal path between the control device (14) and the second switching device (13b), to bring about an inversion of the respective switching signal (S₁, S₃) ; and

- the control device (14) is set up to transmit inverse switching signals (S₁, S₂, S₃) in each instance by way of the signal paths provided with signal inverters (15a, 15b) to close the respective switching device (13a, 13b, 13c).

2. Drive circuit (10) according to claim 1,
characterised in that

- electrical resistors (17a, 17b) are provided parallel to the first and second switching devices (13a, 13b) in each case, their resistance values being selected so that a current flowing by way of at least one of the resistors (17a, 17b) and through the relay coil (11) does not bring about any response on the part of the switch contacts of the relay;

- the control device (14) is set up to emit a sequence of test signals (P₁, P₂, P₃) to the respective switching devices (13a, 13b, 13c), with just one test signal (P₁, P₂, P₃) being generated for one switching device (13a, 13b, 13c) respectively at the same time by the control device (14); and

- a monitoring device (19) is provided, which is connected on the one hand to a first voltage tap (18a) between the relay coil (11) and the first switching device (13a) and on the other hand to a second voltage tap (18b) between the relay coil (11) and the second switching device (13b) and set up to monitor the voltages at the first and second voltage taps (18a, 18b).

3. Drive circuit (10) according to claim 2,
characterised in that

- the monitoring device (19) is set up to emit an output signal (A), which indicates that a respective voltage measured at the first or second voltage tap (18a, 18b) deviates from a respective comparison voltage.

4. Drive circuit (10) according to claim 2 or 3,
characterised in that

- the monitoring device (19) comprises two comparators, to the respective inputs of which on the one hand the voltage of the respective voltage tap (18a, 18b) is applied and on the other hand a comparison voltage is applied; and

- the comparators are connected on the output side to an OR element, at the output of which the output signal (A) can be tapped.

Revendications

1. Circuit (10) d'excitation d'un relais électromagnétique, ayant une bobine (11) de relais et des contacts d'interruption, comprenant

- un premier dispositif (13a) d'interruption, qui est monté entre une première borne de la bobine (11) du relais et une première source (12a) de tension;

- un deuxième dispositif (13b) d'interruption, qui est monté entre une deuxième borne de la bobine (11) du relais et un potentiel zéro et

- un dispositif (14) de commande, qui est conçu pour fermer les deux dispositifs (13a, 13b) d'interruption, afin de produire un flux de courant dans la bobine (11) du relais, dans lequel

- il est prévu une deuxième source (12b) de tension, qui est reliée à la première borne de la bobine (11) du relais par un troisième dispositif (13c) d'interruption, le troisième dispositif (13c) d'interruption étant monté dans un circuit en parallèle au premier dispositif (13a) d'interruption et la deuxième source (12b) de tension ayant un niveau de tension plus haut que la première source (12a) de tension et

- le dispositif (14) de commande est conçu pour fermer d'abord tous les trois dispositifs (13a, 13b, 13c) d'interruption pour la fermeture accélérée des contacts d'interruption du relais, afin de produire un flux de courant dans la bobine (11) du relais et, après écoulement d'une durée donnée à l'avance, réouvrir, d'une part, le troisième dispositif (13c) d'interruption et maintenir fermés, d'autre part, le premier et le deuxième dispositifs (13a, 13b) d'interruption, dans lequel

- le dispositif (14) de commande est conçu pour produire, afin d'exciter les dispositifs (13a, 13b, 13c) d'interruption, des signaux (S₁, S₂, S₃) d'interruption distincts, les signaux (S₁, S₂, S₃) d'interruption étant envoyés aux dispositifs (13a, 13b, 13c) d'interruption par des trajets de signal séparés les uns des autres et dans lequel

- il est prévu, soit dans les trajets de signal entre le dispositif (14) de commande et le premier et le troisième dispositifs (13a, 13c) d'interruption, soit dans le trajet de signal entre le dispositif (14) de commande et le deuxième dispositif (13b) d'interruption, des inverseurs (15a, 15b) de signal, qui effectuent une inversion du signal (S1, S3) d'interruption respectif et

- le dispositif (14) de commande est conçu pour transmettre, respectivement des signaux (S1, S2, S3) d'interruption inverses par les trajets de signal pourvus d'inverseurs (15a, 15b) de signal, afin de fermer le dispositif (13a, 13b, 13c) d'interruption respectif.

2. Circuit (10) d'excitation suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que

- il est prévu, dans un circuit en parallèle au premier et au deuxième dispositifs (13a, 13b) d'interruption, respectivement des résistances (17a, 17b) électriques, dont les valeurs sont choisies de manière à ne pas provoquer de réaction des contacts d'interruption par un courant passant dans l'une au moins des résistances (17a, 17b) et dans la bobine (11) du relais;

- le dispositif (14) de commande est conçu pour émettre une séquence de signaux (P₁, P₂, P₃) de contrôle vers les dispositifs (13a, 13b, 13c) d'interruption respectifs, dans lesquels il est produit, dans le même temps, seulement un signal (P₁, P₂, P₃) de contrôle pour un dispositif (13a, 13b, 13c) d'interruption respectif et

- il est prévu un dispositif (19) de contrôle, qui est en liaison, d'une part avec une première prise (18a) de tension entre la bobine (11) du relais et le premier dispositif (13a) d'interruption, et d'autre part avec une deuxième prise (18b) de tension entre la bobine (11) du relais et le deuxième dispositif (13b) d'interruption, et qui est conçu pour contrôler les tensions à la première et à la deuxième prises (18a, 18b) de tension.

3. Circuit (10) d'excitation suivant la revendication 2,
caractérisé en ce que

- le dispositif (19) de contrôle est conçu pour émettre un signal (A) de sortie, qui indique un écart d'une tension mesurée à la première ou à la deuxième prise (18a, 18b) de tension à une tension de comparaison respective.

4. Circuit (10) d'excitation suivant la revendication 2 ou 3,
caractérisé en ce que

- le dispositif (19) de contrôle comprend deux comparateurs aux entrées desquels sont appliqués respectivement, d'une part la tension de la prise (18a, 18b) de tension respective et d'autre part une tension de comparaison et

- les comparateurs sont reliés, du côté de la sortie, à un élément OU, à la sortie duquel le signal (A) de sortie peut être prélevé.

Zeichnung