DE102005043884B4

DE102005043884B4 - Ansteuerungsschaltung für ein Relais

Info

Publication number: DE102005043884B4
Application number: DE102005043884A
Authority: DE
Inventors: Gerald Hoerist
Original assignee: Siemens AG Oesterreich
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: EP1925010B1; ATE488854T1; WO2007031356A1; EP1925010A1; DE102005043884A1; DE502006008351D1

Abstract

Ansteuerungsschaltung für ein Relais, wobei eine Spule (1) des Relais und ein dazu in Reihe geschaltetes Schaltelement (2) von einer durch einen Kondensator (4) gebildeten ersten Spannungsquelle versorgt sind und wobei der Kondensator (4) über eine aus einer ersten Diode (5) gebildeten Ladeschaltung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Gleichspannungsquelle (U) vorgesehen ist, welche eine im Wesentlichen konstante Spannung, die niedriger als die Erregerspannung des Relais ist, bereitstellt und welche über eine zweite Diode (8) parallel zu der ersten Spannungsquelle geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerungsschaltung für ein Relais, wobei eine Spule des Relais und ein dazu in Reihe geschaltetes Schaltelement von einer durch einen Kondensator gebildeten ersten Spannungsquelle versorgt sind und wobei der Kondensator über eine aus einer ersten Diode gebildeten Ladeschaltung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist.
Ansteuerungsschaltungen für Relais, deren Spule in Reihe mit nur einem Schaltelement an eine Spannungsquelle angeschaltet ist, kennt man aus dem Stand der Technik. Bei diesen einfach aufgebauten Schaltungen wird ein Relais durch Ein- und Ausschalten des Schaltelements, beispielsweise eines Transistors, aktiviert und deaktiviert. Zur Entmagnetisierung der Relaisspule nach dem Abschalten des Schaltelements ist in der Regel eine Freilaufschaltung mit einer Diode vorgesehen.
Zur Anschaltung einer Spule eines Relais an ein Wechselspannungsnetz wird nach dem Stand der Technik eine Gleichrichterschaltung eingesetzt. Im einfachsten Fall besteht die Gleichrichterschaltung aus einer Diode und einem Kondensator. Die Diode ist dabei nur für die positiven Halbwellen der Wechselspannung durchlässig. Der Kondensator lädt sich bei abgeschaltetem Schaltelement mit jeder positiven Halbwelle zunehmend auf, wobei zumindest die Erregerspannung des Relais erreicht werden muss, damit das Relais beim Einschalten des Schaltelements anzieht.
Beispielsweise ist in der DE 196 04 208 eine solche Schaltungsanordnung für eine Relais angegeben, wobei die Spule des Relais in Reihe mit einem Schaltelement an einen Kondensator angeschlossen ist, welcher über einen Vorwiderstand und eine Gleichrichterdiode an eine Netzspannung anschließbar ist.
Schaltet das Schaltelement ein, beginnt Strom durch die Spule des Relais zu fließen und das Relais zieht nach einer Ansprechzeit im Bereich weniger Millisekunden an. Bei weiterhin fließendem Strom wird das Relais im angezogenen Zustand gehalten. Die Halteleistung liefert dabei die Wechselspannungsquelle, indem der Kondensator über die Diode laufend nachgeladen wird. Auf diese Weise erreichen beispielsweise Relais, die als Schalter in einem 230 V Wechselspannungsnetz dienen, Halteleistungen von einigen Watt.
Das trifft auch auf Relais zu, die nach dem Stand der Technik in Wechselrichtern zum Anschalten von alternativen Stromquellen an ein 230 V Wechselspannungsnetz dienen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Photovoltaikanlagen oder Brennstoffzellen, für deren wirtschaftlichen Einsatz ein hoher Gesamtwirkungsgrad gefordert ist. Hohe Halteleistungen der Relais wirken sich dabei negativ auf den Gesamtwirkungsgrad aus.
Die Ansteuerung eines Relais mittels zweier Spannungsquellen, wobei eine die Erregerspannung und die zweite die Haltespannung bereitstellt, ist in der AT 359 564 angegeben. Dabei ist ein Selbsthaltekontakt des Relais erforderlich, der beim Anziehen des Relais die zweite Spannungsquelle an die Spule des Relais schaltet.
Eine Anschaltung mehrerer Spannungsquellen an ein Relais wird auch in der DE 196 04 208 offenbart. Dabei wird das Problem störender Rückspannungen bei mehreren Ansteuerstromkreisen gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Ansteuerungsschaltung für ein Relais anzugeben.
Erfindungsgemäß geschieht dies mit einer Ansteuerungsschaltung der eingangs genannten Art, wobei eine zusätzliche Gleichspannungsquelle vorgesehen ist, welche eine im Wesentlichen konstante Spannung, die niedriger als die Erregerspannung des Relais ist, bereitstellt und welche über eine zweite Diode parallel zu der ersten Spannungsquelle geschaltet ist. Der Vorteil liegt dabei im einfachen Schaltungsaufbau mit nur einem Schaltelement und darin, dass eine der beiden Spannungsquellen für die Bereitstellung der Erregerspannung und die andere Spannungsquelle für die Lieferung des Haltestromes optimierbar ist. So stellt beispielsweise die erste Spannungsquelle die erforderliche Erregerspannung bereit und die zusätzliche Gleichspannungsquelle liefert einen Großteil des Haltestromes. Der Spannungswert der zusätzlichen Gleichspannungsquelle bestimmt dann im Wesentlichen die verbrauchte Halteleistung.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Ladeschaltung in Reihe zur ersten Diode einen Widerstand umfasst, der den Ladestrom des Kondensators begrenzt. Damit wird verhindert, dass der Strom aus der Ladeschaltung den Kondensator bei eingeschaltetem Schaltelement laufend nachlädt und so auf dem hohen Niveau der Wechselspannungsquelle hält. Eine entsprechende Begrenzung des Ladestromes ermöglicht eine Entladung des Kondensators über die Spule des Relais bis auf ein Spannungsniveau, das dem Spannungswert der zusätzlichen Gleichspannungsquelle abzüglich des Spannungsabfalls an der zweiten Diode entspricht.
Der Strom für das weitere Halten des Relais wird somit bis auf den geringen Anteil des Ladestroms der Gleichspannungsquelle entnommen. Die Spannung der Gleichspannungsquelle ist dabei geringer als die erforderliche Erregerspannung des Relais und bewirkt somit eine geringere Halteleistung. Die Gleichspannungsquelle muss allerdings genügend Strom liefern, damit das Relais nicht abfällt.
Ein vorteilhafter Aufbau der Ansteuerungsschaltung sieht vor, dass die Spule mit einem ersten Anschluss über den Widerstand, die erste Diode und den Kondensator an einen Leiter der Wechselspannungsquelle und über die zweite Diode an die Gleichspannungsquelle angeschaltet ist und mit einem zweiten Anschluss über das Schaltelement mit einem Bezugspotenzial verbunden ist und dass die beiden Anschlüsse der Spule über eine dritte Diode zur Entmagnetisierung miteinander verbunden sind. Durch diese Anordnung entmagnetisiert sich die Spule nach dem Abschalten des Schaltelements über die dritte Diode und ist für den nächsten Zyklus bereit.
Für die Auslegung des Schaltelements ist es vorteilhaft, parallel zum Kondensator eine Zenerdiode anzuordnen. Diese hat eine niedrigere Durchbruchspannung als der Scheitelwert der pulsierenden gleichgerichteten Wechselspannung. Die vom Schaltelement zu schaltende Spannung wird dann auf diese Durchbruchspannung begrenzt, sodass ein kostengünstiges Schaltelement zum Einsatz kommen kann, da von diesem dann nicht der volle Scheitelwert der pulsierenden gleichgerichteten Wechselspannung geschaltet werden muss.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 Beispielhafte Anordnung einer Ansteuerungsschaltung
Das Relais im Ausführungsbeispiel dient beispielsweise als Schalter zur Anschaltung einer Stromquelle an ein 230 V Wechselspannungsnetz. Der Leistungskreis ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Das 230 V Wechselspannungsnetz mit einem Leiter (L1_Netz) und einem Nullleiter als Bezugspotenzial (N_Netz) bildet auch die Wechselspannungsquelle, an die die Ansteuerungsschaltung über eine Ladeschaltung, bestehend aus einer Diode 5 und einem Widerstand 7 (z. B. 400 kOhm), angeschlossen ist. Über diese Ladeschaltung wird ein Kondensator 4 (z. B. 4,7 μF) aufgeladen.
Der Kondensator 4 bildet eine erste Spannungsquelle, an die die Spule 1 des Relais mit einem nachgeschalteten Schaltelement 2 angeschlossen ist. Das Schaltelement 2 ist beispielsweise ein Transistor. Die Basis des Transistors liegt über einen weiteren Widerstand 3 an einem Steuersignal S an. Dieses Steuersignal S ist zum Beispiel eine Rechteckspannung zwischen 0 V und plus 5 V. Das Schaltelement 2 ist ausgeschalten, wenn das Steuersignal S einen Wert von 0 V aufweist.
Parallel zum Kondensator 4 ist eine Zenerdiode 9 angeordnet. Die am Schaltelement 2 anliegende Spannung wird auf die Durchbruchspannung der Zenerdiode 9 begrenzt, wodurch das Schaltelement 2 entsprechend klein dimensioniert werden kann. Es können auch mehrere Zenerdioden in Reihe geschaltet werden, um eine höhere Durchbruchspannung zu erreichen (z. B. 4 × 62 V).
Die Spule 1 des Relais ist parallel zum Kondensator 4 über eine zweite Diode 8 an eine weitere Gleichspannungsquelle U angeschaltet. Dabei ist die Anode der Diode 8 mit der Gleichspannungsquelle U verbunden. Die Gleichspannungsquelle U liefert beispielsweise einen konstanten Spannungswert von 15 V.
In der Regel werden Relaisschaltungen in Vorrichtungen eingesetzt, die zusätzliche Schaltungsanordnungen für Steuer-, Melde- oder Messaufgaben umfassen. Günstigerweise steht dann als Gleichspannungsquelle U ein positives Potenzial an einem Punkt dieser zusätzlichen Schaltungsanordnungen zur Verfügung; es entsteht dann kein zusätzlicher Aufwand zur Bereitstellung der Gleichspannungsquelle U.
Über eine parallel zur Spule 1 des Relais angeordnete dritte Diode 6 entmagnetisiert die Spule 1 nach Abschaltung des Schaltelements 2.
Bei ausgeschaltetem Schaltelement 2 (Steuersignal S gleich 0 V) lädt sich der Kondensator 4 über die Ladeschaltung auf. Die Diode 5 der Ladeschaltung ist dabei für die positiven Halbwellen der Wechselspannungsquelle durchlässig, die beiden anderen Dioden 6 und 8 sind gesperrt. Der Kondensator 4 lädt dabei so lange, bis die Spannung am Kondensator 4 der Durchbruchspannung der Zenerdiode 9 entspricht und diese durchlässig wird oder wenn vor dem Erreichen der Durchbruchspannung das Schaltelement einschaltet. Dabei ist darauf zu achten, dass die Spannung am Kondensator 4 zumindest die Erregerspannung des Relais erreicht, damit dieses Anziehen kann.
Zum Anziehen des Relais wechselt das Steuersignal S auf plus 5 V, das Schaltelement 2 schaltet ein und zieht das positive Potenzial des Kondensators 4 über die Spule 1 des Relais auf das Bezugspotenzial N_Netz. Es fließt Strom durch die Spule 1 und nach dem Verstreichen einer Ansprechzeit zieht das Relais an.
Der Stromfluss durch die Spule 1 entleert den Kondensator 4 so lange, bis das am Kondensator 4 anliegende positive Potenzial der Spannung der Gleichspannungsquelle U abzüglich des Spannungsabfalls an der zweiten Diode 8 entspricht. Die zweite Diode 8 wird dann durchlässig, die parallel zur Spule 1 angeordnete dritte Diode 6 sperrt weiterhin. Der Kondensator 4 behält sein Spannungspotenzial und der Strom durch die Spule 1 wird bis auf den Anteil des weiterhin fließenden Ladestroms aus der Gleichspannungsquelle U entnommen. Die Halteleistung wird also zum Großteil aus der Gleichspannungsquelle U abgedeckt.
Gegenüber herkömmlichen Relaisansteuerungen lässt sich mit dieser Art der Haltestrombereitstellung zum Beispiel für Relais des Fabrikats Finder 62.22.8.230.4300 oder Tyco Electronics RM900271 eine Reduktion der Halteleistung von ca. 2,8 VA auf 0,1 W erreichen.
Zum Abfallen des Relais wechselt das Steuersignal S wieder auf 0 V und das Schaltelement 2 schaltet aus. Nach einer kurzen Abfallzeit, in der die Spule entmagnetisiert, fällt das Relais ab. Der Entmagnetisierungsstrom der Spule 1 fließt dabei in Durchlassrichtung der dritten Diode 6 so lange durch die Spule 1, bis die Magnetisierungsenergie abgebaut ist und damit die Diode 6 erneut sperrt. Der Kondensator 4 wird dann wieder für das nächste Einschalten über die Ladeschaltung aufgeladen.

Claims

Ansteuerungsschaltung für ein Relais, wobei eine Spule (1) des Relais und ein dazu in Reihe geschaltetes Schaltelement (2) von einer durch einen Kondensator (4) gebildeten ersten Spannungsquelle versorgt sind und wobei der Kondensator (4) über eine aus einer ersten Diode (5) gebildeten Ladeschaltung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Gleichspannungsquelle (U) vorgesehen ist, welche eine im Wesentlichen konstante Spannung, die niedriger als die Erregerspannung des Relais ist, bereitstellt und welche über eine zweite Diode (8) parallel zu der ersten Spannungsquelle geschaltet ist.
Ansteuerungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung einen Widerstand (7) umfasst.
Ansteuerungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) mit einem ersten Anschluss über den Widerstand (7), die erste Diode (5) und den Kondensator (4) an einen Leiter (L1_Netz) der Wechselspannungsquelle und über die zweiten Diode (8) an die Gleichspannungsquelle (U) angeschaltet ist und mit einem zweiten Anschluss über das Schaltelement (2) mit einem Bezugspotenzial (N_Netz) verbunden ist und dass die beiden Anschlüsse der Spule über eine dritte Diode (6) zur Entmagnetisierung miteinander verbunden sind.
Ansteuerungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator (4) eine Zenerdiode (9) angeordnet ist.