DE19738989A1 - Elektronisch gesteuertes Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisch gesteuertes Relais mit einer Ansteuerspule zum Betätigen von zumindest einem me­ chanischen Schalter und mit einem seriell zur Ansteuerspule geschalteten Halbleiterschalter, der als Funktion eines ex­ ternen EIN/AUS-Steuersignals gesteuert ist.

Der Typ des eingangs genannten Relais macht sich zunutze, daß der Ansteuerstrom für die Ansteuerspule relativ gering ist, so daß die Ansteuerung der Spule über einen Halbleiterschal­ ter erfolgen kann, der beispielsweise als Transistor ausge­ legt ist.

Als elektrisch gesteuerter mechanischer Schalter zeichnet sich ein Relais durch einen kleinen Widerstand auf der Schaltstrecke aus. Schutzfunktionen für diesen Typ von Schal­ ter, wie etwa eine Kurzschlußsicherung, die durch einen in­ telligenten Halbleiterschalter, wie beispielsweise Smart- Power-Schalter, bereitgestellt werden, stehen für herkömmli­ che Relais nicht zur Verfügung. Dies ist deshalb von Nach­ teil, weil ein Kurzschluß nicht nur das Relais, sondern auch die durch dieses zu schaltende Last beschädigen kann.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektronisch gesteuertes Relais zu schaffen, das zumindest angenähert mit den intelligenten Funktionen eines Smart- Power-Schalters ausgerüstet ist und wenigstens eine Kurz­ schluß- bzw. Überlastsicherung enthält.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Danach besitzt das Relais eine mittels zweier Eingangsklemmen an eine Leiterschleife des mechanischen Schalters angeschlos­ sene Ansteuerschaltung für den Halbleiterschalter zum Ermit­ teln eines Spannungsabfalls in der Leiterschleife und zur Ausgabe eines den Halbleiterschalter ausschaltendes Signals, wenn der ermittelte Spannungsabfall einen vorgegebenen Maxi­ malwert übersteigt.

Das erfindungsgemäße elektronisch gesteuerte Relais ist damit zumindest mit einem Kurzschluß- bzw. Überlastschutz ausge­ stattet. Die erfindungsgemäß vorgesehene Ermittlung einer Überlast auf der Schaltstrecke des Relais erlaubt jedoch auch die Realisierung weiterer intelligenter Schalterfunktionen, wie im übrigen nachfolgend ausgeführt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhafterweise sind die Eingangsklemmen an Klemmen des mechanischen Schalters angeschlossen. Man macht sich hierbei zunutze, daß das Relais auf der Schaltstrecke bei geschlosse­ nem mechanischen Schalter immer einen bestimmten Durchlaß­ widerstand aufweist. Wenn über den mechanischen Schalter des Relais ein Strom fließt, wird dementsprechend ein Spannungs­ abfall erzeugt. Bei Auftreten eines Kurzschlusses oder einer Überlast fließt ein großer Strom durch das Relais, woraus ein großer Spannungsabfall resultiert. Der Strom ist jedoch sehr klein bzw. Null, wenn eine Unterlast auftritt oder Leerlauf vorliegt, woraus ein geringer Spannungsabfall resultiert. Der Spannungsabfall am mechanischen Schalter kann daher als Si­ gnal für die Ansteuerschaltung der Halbleiterschaltung ver­ wendet werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Eingangsklemmen der Ansteuerschaltung an Klem­ men einer in Reihe zu dem mechanischen Schalter geschalteten Spannungsmeßanordnung angeschlossen sind. Die Spannungsmeß­ anordnung kann beispielsweise einen ohmschen Widerstand auf­ weisen, wobei der Spannungsabfall an dem Widerstand als Si­ gnal für die Ansteuerschaltung verwendet werden kann. Fließt bei geschlossenem mechanischen Schalter ein geringer Strom durch den Widerstand, so ergibt sich ein entsprechend gerin­ ger Spannungsabfall, während sich bei Fließen eines großen Stromes, beispielsweise bei Kurzschluß, ein entsprechend gro­ ßer Spannungsabfall ergibt.

Vorteilhafterweise ist die Ansteuerschaltung mit Logikelemen­ ten bzw. Logikschaltkreisen aufgebaut. Dies gestattet es, aus der Ansteuerschaltung Steuersignale zu gewinnen, durch welche das Relais mit intelligenten Funktionen ausgestattet werden kann.

Zur Gewinnung eines logischen Signals weist die Ansteuer­ schaltung bevorzugt einen Komparator auf, der die zwischen den Eingangsklemmen abfallende Spannung mit einer Bezugs­ spannung vergleicht, die dem vorgegebenen Maximalwert des Spannungsabfalls entspricht. Ein Ausgangssignal des Kompara­ tors nimmt entsprechend des Vergleichsergebnisses einen hohen oder niedrigen logischen Pegel an. Mit Hilfe dieses Ausgangs­ signals kann der Halbleiterschalter zur Ansteuerung der An­ steuerspule direkt gesteuert werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Ansteuerung des Halbsteuerschalters jedoch indi­ rekt über einen Logikschaltkreis, in welchem das Komparator- Ausgangssignal mit dem externen EIN/AUS-Steuersignal ver­ knüpft wird, um das Ansteuersignal für den Halbleiterschalter bereitzustellen. Diese Maßnahme gewährleistet zum einen eine optimale Ansteuerung des Halbleiterschalters auf der Basis des EIN/AUS-Steuersignals für den Fall, daß auf der Schalt­ strecke des Relais keine Überlast vorliegt, und zum anderen, falls eine solche Überlast anliegt, ein sofortiges Abschalten des Relais. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Logik­ schaltkreises ist, daß durch ihn problemlos ein Statussignal gewinnbar ist, das für einen Mikrocomputer nutzbar ist, der zur Steuerung des elektronisch gesteuerten Relais vorgesehen ist.

Der Logikschaltkreis kann seiner beabsichtigten Funktion ent­ sprechend beliebig ausgelegt sein. Bevorzugt weist der Logik­ schaltkreis ein NAND-Gatter, das vom externen EIN/AUS-Steu­ ersignal und vom Komparator-Ausgangssignal beaufschlagt ist und ein AND- bzw. UND-Gatter auf, das vom Ausgangssignal des NAND-Gatters und vom EIN/AUS-Steuersignal beaufschlagt ist und den Halbleiterschalter ansteuert.

Insbesondere bei direktem Anschluß der Eingangsklemmen der Ansteuerschaltung an die Klemmen des mechanischen Schalters wird das EIN/AUS-Signal dem NAND-Gatter bevorzugt über ein Verzögerungsglied zugeführt, um beim Einschalten des Relais einen definierten Steuerzustand für den Halbleiterschalter bereitzustellen. Bei geöffnetem mechanischem Schalter liegt eine hohe Spannung zwischen dessen Klemmen an. Da bei Schlie­ ßen des Halbleiterschalters der mechanische Schalter übli­ cherweise erst etwas verzögert geschlossen wird, würde die bis zum Schließen des mechanischen Schalters zwischen dessen Klemmen anliegende hohe Spannung, die auch bei geschlossenem Schalter und Überlastung auftritt, ein sofortiges Abschalten des Halbleiterschalters bewirken. Das Verzögerungsglied sorgt dafür, daß der frühestmögliche Zeitpunkt des Abschaltens des Halbleiterleistungsschalters wenigstens um die Zeitdauer ent­ sprechend der Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds verzö­ gert nach dem Einschalten des Halbleiterschalters erfolgen kann.

Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Ansteuerschal­ tung monolithisch in das Relais integriert, was der Packungs­ dichte einer mit dem erfindungsgemäßen Relais ausgestatteten Schaltung zugute kommt.

Nachfolgend wird die Erfindung mittels Ausführungsbeispielen anhand von Figuren beispielhaft näher erläutert. In den Figu­ ren zeigen:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä­ ßen Relais mit Anschluß der Eingangsklemmen der Ansteuer­ schaltung an Klemmen des mechanischen Schalters;

Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä­ ßen Relais mit Anschluß der Eingangsklemmen der Ansteuer­ schaltung an einen in Reihe zu dem mechanischen Schalter ge­ schalteten Widerstand.

Wie in den Figuren dargestellt, besteht das Relais aus einer Ansteuerspule L1 und einem mechanischen Schalter S1. In Reihe zu der Ansteuerspule L1 ist ein Halbleiterschalter H1 ge­ schaltet, der bei der dargestellten Ausführungsform des elek­ tronisch gesteuerten Relais mit dem Minuspol einer nicht dar­ gestellten Spannungsversorgung verbunden ist, deren Pluspol direkt an die Ansteuerspule L1 angeschlossen ist. Der Halb­ leiterschalter H1 ist indirekt über eine Diode D1 mit der An­ steuerspule L1 verbunden, deren Kathode mit dem Halbleiter­ schalter H1 verbunden ist. Die Diode D1 unterdrückt einen Stromfluß bei Verpolung der angeschlossenen Spannungsversor­ gung, beispielsweise einer Batterie. Bei dem Halbleiterschal­ ter H1 handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform um einen Leistungs-MOSFET.

An eine Leiterschleife, in der der mechanische Schalter S1 des Relais enthalten ist, ist erfindungsgemäß eine Ansteuer­ schaltung mittels einer ersten und zweiten Eingangsklemme EK1, EK2 angeschlossen. Die Ansteuerschaltung umfaßt eine Auswerte- bzw. Vergleichsstufe mit einem Komparator KOMP1, dessen invertierender Eingang mit der zweiten Eingangsklemme EK2 verbunden ist und dessen nicht invertierender Eingang mit einer Bezugsspannungsquelle RV1 verbunden ist, die außerdem an die erste Eingangsklemme EK1 angeschlossen ist. Zwischen den Eingangsklemmen des Komparators KOMP1 liegt in den darge­ stellten Ausführungsbeispielen damit die Differenz zwischen der zwischen den Eingangsklemmen EK1, EK2 anfallenden Span­ nung und einer von der Bezugsspannungsquelle RV1 gelieferten Bezugsspannung an. Überschreitet die zwischen den Eingangs­ klemmen EK1, EK2 anliegende Spannung den Wert der Bezugsspan­ nung, so besitzt in den dargestellten Ausführungsbeispielen ein Ausgangssignal V1 des Komparators KOMP1 einen hohen logi­ schen Pegel, während bei Unterschreiten der zwischen den Ein­ gangsklemmen EK1, EK2 anliegenden Spannung unter den Wert der Bezugsspannung das Ausgangssignal V1 einen niedrigen logi­ schen Pegel besitzt. Der Wert der Bezugsspannung entspricht dem Wert der zwischen den Eingangsklemmen EK1, EK2 anliegen­ den Spannung, ab welchem der Halbleiterschalter H1 und damit der mechanische Schalter S1 abgeschaltet werden sollen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Eingangsklemmen EK1, EK2 direkt mit Klemmen des mechanischen Schalters S1 verbunden; mittels der Bezugsspannungsquelle RV und des Komparators KOMP1 wird somit der Spannungsabfall VR zwischen Klemmen des mechanischen Schalters S1 ausgewertet. An einem Steuereingang der Ansteuerschaltung liegt ein exter­ nes EIN/AUS-Steuersignal IN1 für den Halbleiterschalter H1 an. Das Steuersignal IN1 liegt über ein Zeitverzögerungsglied T1 an einem Eingang eines NAND-Gatters G1 an, an dessen ande­ rem Eingang das Ausgangssignal V1 des Komparators KOMP1 an­ liegt. Ein Ausgangssignal V2 des NAND-Gatters G1, das sich durch NAND-Verknüpfung des Ausgangssignals V1 des Komparators KOMP1 und eines am Ausgang des Verzögerungsglieds T1 anlie­ genden zeitverzögerten Steuersignals IN1D ergibt, liegt an einem Eingang eines AND-Gatters G2 an. An einem weiteren Ein­ gang des AND-Gatters G2 liegt das Steuersignal IN1 an. Ein Ausgangssignal V3 des AND-Gatters G2, welches sich durch AND- Verknüpfung des Ausgangssignals V2 und des Steuersignals IN1 ergibt, dient zur Ansteuerung des Halbleiterschalters H1.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung er­ gibt sich wie im Folgenden beschrieben.

Der Halbleiterschalter H1, und damit der mechanische Schalter S1, ist nur dann eingeschaltet, wenn sich sowohl das an den Eingängen des AND-Gatters G2 anliegende Ausgangssignal V2 und das Steuersignal IN1 auf einem hohen logischen Pegel befin­ den. Das Ausgangssignal V2 des NAND-Gatters G1 erreicht nur dann einen niedrigen logischen Pegel, wenn sich sowohl das Ausgangssignal V1 des Komparators KOMP1 als auch das zeitver­ zögerte Steuersignal IN1D auf einem hohen logischen Pegel be­ finden, also dann, wenn der Halbleiterschalter H1 bedingt durch einen hohen logischen Pegel des Steuersignals IN1 ein­ geschaltet werden soll, wenn aber gleichzeitig eine Überlast auftritt, so daß eine über dem mechanischen Schalter S1 ab­ fallende Spannung VR über dem Wert der Bezugsspannung liegt.

Der Halbleiterschalter H1 ist bei einem niedrigen logischen Pegel des Steuersignals IN1 geöffnet. Nimmt das Steuersignal IN1 den Wert eines hohen logischen Pegels an, so bleibt das verzögerte Steuersignal IN1D bis zum Ablauf der durch das Verzögerungsglied T1 vorgegebenen Verzögerungszeit auf einem niedrigen logischen Pegel. Damit liegt das Ausgangssignal V2 des NAND-Gatters G1 auf einem hohen logischen Pegel; das Aus­ gangssignals V3 des AND-Gatters G2 liegt auf einem hohen lo­ gischen Pegel, wodurch der Halbleiterschalter H1 geschlossen wird. Erst nach Ablauf der Verzögerungszeit liegt auch das verzögerte Steuersignal IN1D auf einem hohen logischen Pegel. Liegt dann das Ausgangssignal V1 des Komparators KOMP1 eben­ falls auf einem hohen logischen Pegel, beispielsweise bedingt durch eine Überlast, nimmt das Ausgangssignal V2 des NAND- Gatters G1 einen niedrigen logischen Pegel an, wodurch auch das Ausgangssignal V3 des AND-Gatters G2 einen niedrigen lo­ gischen Pegel annimmt und der Halbleiterschalter H1 abschal­ tet. Das Verzögerungsglied T1 bestimmt die minimal zu ver­ streichende Zeitdauer zwischen dem Vorliegen eines hohen lo­ gischen Pegels an dem Steuersignal IN1 und dem erneuten Ab­ schalten des Halbleiterschalters H1. Dies ist erforderlich, da das Ausgangssignal V1 des Komparators KOMP1 so lange auf einem hohen logischen Pegel liegt, so lange der mechanische Schalter S1 geöffnet ist und da der mechanische Schalter S1 funktionsbedingt nicht sofort nach Schließen des Halbleiter­ schalters H1 geschlossen wird. Würde das Steuersignal IN1 di­ rekt mit dem Eingang des NAND-Gatters G1 verbunden, würde der Halbleiterschalter H1 sofort nach Anliegen eines hohen logi­ schen Pegels an dem Steuersignal IN1 wieder abschalten, da direkt nach dem Einschalten das Ausgangssignal V1 des Kompa­ rators KOMP1 noch auf einem hohen logischen Pegel liegt und das Ausgangssignal V2 des NAND-Gatters G1 ohne Verzögerungs­ glied T1 damit sofort auf einem niedrigen logischen Pegel liegen würde.

Der Halbleiterschalter H1 wird somit dann abgeschaltet, wenn das Steuersignal IN1 einen niedrigen logischen Pegel annimmt oder wenn das Steuersignal IN1 einen hohen logischen Pegel annimmt und das Ausgangssignal V1 des Komparators KOMP1 nach Ablauf der Verzögerungszeit ebenfalls einen hohen logischen Pegel annimmt, was eine Überlastung bedeutet.

Anstelle eines direkten Anschlusses der Eingangsklemmen EK1, EK2 an Klemmen des mechanischen Schalters S1 besteht, wie in Fig. 2 dargestellt, ferner die Möglichkeit, die Eingangsklem­ men EK1, EK2 an Klemmen einer in Reihe zu dem mechanischen Schalter S1 geschalteten Spannungsmeßanordnung, die in Fig. 2 als Widerstand R realisiert ist, anzuschließen. Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig. 1 vereinfachte Ansteuerschaltung, bei welcher das Ausgangssignal V1 des Komparators KOMP1 über ei­ nen Invertierer G3 mit einem Eingang des AND-Gatters G2 ver­ bunden ist, während das Steuersignal IN1 mit dem anderen Ein­ gang des AND-Gatters G2 verbunden ist. Das Ausgangssignal V1 des Komparators befindet sich so lange auf einem niedrigen logischen Pegel, so lange der mechanische Schalter S1 ge­ schlossen ist und so lange die über dem Widerstand R anfal­ lende Spannung VR geringer ist, als die durch die Bezugsspan­ nungsquelle RV1 vorgegebene Spannung. Der Halbleiterschalter H1 ist bedingt durch das Ausgangssignal V3 des AND-Gatters G2 nur dann eingeschaltet, wenn sich das Steuersignal IN1 auf einem hohen logischen Pegel und gleichzeitig das Ausgangs­ signal V1 des Komparators KOMP1 auf einem niedrigen logischen Pegel befindet.

Bei Anschluß der Eingangsklemmen EK1, EK2 an eine in Reihe zu dem mechanischen Schalter S1 befindliche Spannungsmeßanord­ nung, wie in Fig. 2 dargestellt, könnte auch die in Fig. 1 dargestellte Ansteuerschaltung verwendet werden, wobei auf das Verzögerungsglied T1 verzichtet werden könnte.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung wird das Relais elektronisch gesteuert, beispielsweise mittels eines Mikroprozessors, dem ein Statussignal ("STATUS" in der Figur, entsprechend dem Signal V2) zugeführt wird, gesteuert. Mit Hilfe dieses Statussignals kann ein Kurzschluß/eine Überlast oder ein fehlerhaftes Relais diagnostiziert werden, ähnlich wie bei einem Smart-Power-Schalter.

Die in der Figuren gezeigten Schaltungen stellen lediglich bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektro­ nisch gesteuerten Relais dar. So kann beispielsweise in Ab­ wandlung dieser Schaltung der Halbleiterschalter H1 statt am Pluspol auch am Minuspol der Spannungsversorgung angeschlos­ sen sein. In diesem Fall handelt es sich bei dem Halbleiter­ schalter H1 bevorzugt um einen PMOS-Transistor oder eine so­ genannte Ladungspumpe.

Die erfindungsgemäße vorgesehene Ansteuerschaltung für das Relais kann monolithisch durch einen smarten Leistungsprozeß hergestellt werden. Die Ansteuerschaltung kann ohne weiteres im Relais integriert werden, so daß das Relais zu einem Smart-Relais entsprechend einem Smart-Power-Schalter wird, das sich durch intelligente Funktionen auszeichnet.

Claims (11)

1. Elektronisch gesteuertes Relais, mit einer Ansteuerspule (L1) zum Betätigen von zumindest einem mechanischen Schalter (S1) und mit einem seriell zur Ansteuerspule (L1) geschalte­ ten Halbleiterschalter (H1), der als Funktion eines externen EIN/AUS-Steuersignals (IN1) gesteuert ist, gekennzeichnet durch eine mittels zweier Eingangsklemmen (EK1, EK2) an eine Lei­ terschleife des mechanischen Schalters (S1) angeschlossene Ansteuerschaltung für den Halbleiterschalter (H1) zum Ermit­ teln eines Spannungsabfalls (VR) in der Leiterschleife und zur Ausgabe eines den Halbleiterschalter (H1) ausschaltenden Signals (V3), wenn der ermittelte Spannungsabfall (VR) einen vorgegeben Maximalwert (RV1) übersteigt.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemmen (EK1, EK2) an Klemmen des mechani­ schen Schalters (S1) angeschlossen sind.

3. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemmen (EK1, EK2) an Klemmen einer in Reihe zu dem mechanischen Schalter geschaltetem Spannungsmeßanord­ nung (R) angeschlossen sind.

4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung einen Komparator (KOMP1) aufweist, der die zwischen den Eingangsklemmen (EK1, EK2) abfallende Spannung mit einer Bezugsspannung (RV1) vergleicht, die dem vorgegebenen Maximalwert des Spannungsabfalls entspricht, und dessen Ausgangssignal (V1) entsprechend dem Vergleichsergeb­ nis einen hohen oder niedrigen logischen Pegel annimmt.

5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung einen Logikschaltkreis (G1, G2; G3, G2) zum Verknüpfen des Komparator-Ausgangssignals (V1) mit dem externen EIN/AUS-Steuersignal (IN1) zu einem Ansteuersi­ gnal (V3) für den Halbleiterschalter (H1) aufweist.

6. Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Logikschaltkreis (G1, G2; G3, G2) ein NAND-Gatter (G1), das vom externen EIN/AUS-Steuersignal (IN1) und vom Komparator-Ausgangssignal (V1) beaufschlagt ist, und ein AND- Gatter (G2) das vom Ausgangssignal (V2) des NAND-Gatters (G1) und vom EIN/AUS-Steuersignal (IN1) beaufschlagt ist und den Halbleiterschalter (H1) ansteuert, aufweist.

7. Relais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das EIN/AUS-Steuersignal (IN1) dem NAND-Gatter (G1) über ein Verzögerungsglied (T1) zugeführt ist.

8. Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Logikschaltkreis (G1, G2; G3, G2) einen Invertierer (G3), der vom Komparator-Ausgangssignal (V1) beaufschlagt ist, und ein AND-Gatter (G2), das von einem Ausgangssignal (V4) des Invertierers (INV) und vom EIN/AUS-Steuersignal (IN1) beaufschlagt ist und den Halbleiterschalter (H1) an­ steuert, aufweist.

9. Relais nach einem der vorangehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrocomputer zur elektronischen Steuerung der An­ steuerschaltung vorgesehen ist, wobei das Ausgangssignal (V2) des NAND-Gatters (G1) dem Mikrocomputer als Statussignal zu­ geführt ist.

10. Relais nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (H1) ein Leistungs-MOSFET ist.

11. Relais nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung, vor allem monolithisch in das Re­ lais integriert ist.