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Opto-gekoppeltes elektronisches Relais mit galvanischer Trennung
von Steuerkreis und Schaltkreis Die Erfindung betrifft ein opto-gekoppeltes elektronisches
Relais mit galvanischer Trennung des-Steuerkreises vom Schaltkreis.
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Es sirTd bereits sogenannte elektronische Relais bekanntgeworden,
bei welchen im Magnetfeld bereich einer Reloisspule ein magnetfeldabhdngiger Widerstand
angeordnet ist, der mit einer geeigneten Schalttransistoranordnung verbunden ist,
in deren Ausgangskreis zwischen dem Kollektor und Emitter des letzten Transistors
der zu schaltende Lastwiderstand angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, demgegen-Uber
ein opto-gekoppeltes elektronisches Relais mit galvanischer Trennung des Steuerkreises
vom Schaltkreis zu schaffen, welches von einet an sich bekannten Opto-Koppler ausgeht,
der aus in einem Gehäuse untergebrachter IichtemittLerenderDiode und einem im Lichtstrahlbereich
angeordneten Lichtempfindlichen Transistor, oder einer Fotodiode einem sogenannten
Fototransistor/besteht. Ein derartiger Opto-Koppler ist bezüglich seiner Scholtfunktion,
insbesondere was Schaltungen bei höheren Frequenzen anbelangt, stark temperaturabhangig,
weshalb bestimmte Vorkehrungen getroffen werden mUssen, um die Temperaturabhängigkeit
auszugleichen. Im allgemeinen sind derartige Schaltungs.aßnahmen zum Ausgleich der
Temperoturabhängigkeit verhaltnismaßig umfangreich und dadurch kostspielig.
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Durch die vorliegende Erfindung wird dies Aufgabe in einfacher Weise
und mit geringen Schaltungsaufwand'dadurch gelöst, daß bei einem opto-gekoppelten
elektronischen Relois der eingangs genannten Art, bestehend aus in einem Gehduse
untergebrachter oder einer Fotodiode lichtemitierender Diode und eine Fototransistor/mit
nachgeschalteter Transistorschaltung, der Kollektor des Fototransistors Uber einen
Vorwiderstand mit dem positiven Pol der Spannungsquelle und gegebenenfalls Uber
einen Sechsfach-Inverter mit der Basis einer ein- oder zweistufigen Transistoranordnung
verbunden ist, wobei im Kollektorkreis des letzten Transistors die zu schaltende
Last liegt und daß der Strom der lichtemittierenden Diode-durch geeignete Wohl des
Vorwiderstandes in Abhängigkeit von der Steuerspannung auf etwa 70 bis 80 A festgelegt
wird.
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Durch diese beiden Maßnahmen wird der Vorteil erreicht, daß das opto-gekoppelte
elektronische Relais gemäß der Erfindung in einem Frequenzbereich von 0 bis 10 kHz
und in einem Temperaturbereich von -45 bis +80 (90)"c stabil arbeitet. An und für
sich arbeitet die lichtenitierende Diode bei einer Temperatur von 250C bereits bei
einem Strom von 25 mA stabil, jedoch wird die Instabilitöt bei Erhöhen der Temperatur
in zunehmendem Maße
größer. Es hat sich nun gezeigt, daß, wenn der
Strom, der durch die lichtemitierende Diode fließt, entsprechend der Temperaturerhöhung
vergrößert wird, die Stabilität in dem angegebenen Temperaturbereich konstant bleibt.
Aus diesem Grunde'wurde gemäß der Erfindung bei dem einen Merkmal der Strombereich
des durch die Diode fließenden Stzromes so hoch gelegt, daß auch bei Temperaturen
bis zu 80 oder 90°C ein konstanter betrieb des Opto-Kopplers ermöglicht wird.
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Als zweite Maßnahme wurde in den Ausgangskreis des Fototransistors
ein weiterer Schalttransistor gelegt, dessen Basis mit dem-Kollektor des Fototransistors
verbunden ist und der gleichzeitig über einen Vorwiderstand mit dem positiven Pol
der Spannungsquelle in Verbindung steht. Dadurch wird erreicht, daß Schwankungen
im Fototransistor, die infolge der Temperaturabhöngig keit auftreten können, weitgehend
kompensiert werden. Am Ausgang des Schalttransistors, d.h. am Kollektor dieses Transistors,
tritt dann eine einwandfreie, von der Temperatur in dem angegebenen Temperaturbereich
nicht beeinflußbare Schaltfunktion auf, und der Lastwiderstand kann in dem Kollektorkreis
angeordnet werden.
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Gemäß einer einfachen Ausfuhrungsform zur Schaffung eines Relais
mit
einer Uffner-Funktion ist an den Kollektor des Fototransistors die Basis eines Schalttransistors
angeordnet, der beim Erregen der lichtemittierenden Diode eine Uffner-Funktion ausübt,
d.h. den Stromkreis in diesem Fall öffnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen
-opto-gekoppelten/Relais ist an den Kollektor des ersten Schalttransistors die Basis
eines zweiten Schalttransistors geschaltet, die ebenfalls Uber einen Vorwiderstand
mit dem positiven Pol der Spannungsquelle in Verbindung steht, während die beiden
Emitter an dem gemeinsamen Minuspol der Spannungsquelle den liegen. In fiollektorkreis
des zweiten Schalttransistors ist die zu schaltende Last geschaltet, und das so
aufgebaute Relais übt bei Erregung und Lichtaussendung der lichtaussendenden Diode
eine Schließerfunktion aus, d.h. der Stromkreis mit dem Lastwiderstand wird geschlossen.
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Nach einer weiteren Ausfuhrungsform des Relais gemäß der Erfindung
ist zwischen die Basis von zwei Schalttransistoren ein Mehrfachinverter geschaltet.
Dadurch wird es ermdglicht daß der Stromkreis des Lastwiderstandes, der zwischen
dem Kollektor und dem Emitter eines Transistors liegt, geöffnet, und der Lastwiderstand,
der zwischen Emitter und Kollektor des
anderen Transistors liegt,
geschlossen wird. Das Relais übt in diesem Falle eine Wechsler-Funktion aus.
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Es können schließlich auch die vier Eingänge eines Mekrfcchinverters,
der in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet ist, an den Kollektor des Foto
transistors geschaltet werden. Die vier Ausgänge des Inverters stehen mit den Basen
je eines Schalttransistors in Verbindung, wobei die Kollektoren der vier Transistoren
mit je einem Lastwiderstand verbunden sind, die jeweils zum positiven Pol der Spannungsquelle
führen. In dieser Schaltung übt das Relais eine Doppel-Wechsler-Funktion aus, d.
h. zwei der Lastwiderstdnde sind eingeschaltet, während die anderen beiden Lastwiderstönde
ausgeschaltet sind und umgekehrt.
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Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel von einigen bevorzugten Ausführungsformen
das opto-gekoppelte elektronische Relais gemäß der Erfindung näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein opto-gekoppeltes elektronisches Relais
fUr eine Uffner-Funktion.
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Fig. 2 zeigt schematisch ein opto-gekoppeltes elektronisches Relais
mit Schließer-Funktion.
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Fig. 3 zeigt ein opto-gekoppeltes elektronisches Relais mit Wechsler-Funktion.
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Fig. 4 zeigt ein opto-gekoppeltes elektronisches Relais mit Doppel-Wechsler-Funktion.
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Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 zeigt das in einem gege striche
lot dartellten Kastchen 1 untergebrachte opto-gekoppelte elektronische Relais. Die
Shaltungsanordnung besteht aus einem opto-gekoppelten System 2, welches als integrierter
Schaltkreis ausgebildet ist und in welchen beispielsweise eine lichtemittierende
Gallium-Arsenid-Diode 3 mit einem Fototransistor 4 angeordnet ist. Die beiden Anschlüsse
5 und 6 der Gallium-Arsenid-Diode führen über einen Vorwiderstand 7 an die Klemmen
für die Steuerspannung. An die Stelle des Fototransistors 4 kann auch eine Fotodiode
treten.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Vorwiderstand
7 so bemessen, daß entsprechend der Höhe der Steuerspannung ein Strom von etwa 70
bis 80 mA durch die Gallium-Arsenid-Diode 3 fließt.
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Der Kollektor des Fototransistors 4 ist mit der Basis eines Schalttransistors
8 verbunden und steht gleichzeitig über einen
Vorwiderstand 9 mit
dem positiven Pol der Spannungsquelle in Verbindung.
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Der Kollektor des Schalttransistors 8 ist an eine Klemme RL geführt,
welche mit dem einen Ende der zu schaltenden Last verbunden wird. Der Emitter des
Transistors 8 ist mit dem Emitter des Fototransistors 4 verbunden, und beide Anschlüsse
füh-.
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ren an den negativen Pol der Spannungsquelle.
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Wenn die Gallium-Arsenid -Diode 3 mit einer Steuer spannung beaufschlagt
wird, wobei der durch sie hindurchfließende Strom etwa. 80 bis 90 mA beträgt, wird
durch die Lichtaussendung im Fototransistor 4 eine Kollektorstromänderung bewirkt,
die ihrerseits den Schalttransistor 8 in einen solchen Zustand bringt, daß dieser
Transistor den Kollektorstromkreis öffnet, so daß in diesem Falle das Relais eine
Uffner-Funktion ausübt. Unter Berucksichtigung der beiden geschilderten Merkmale
ist das opto-gekoppelte elektronische Relais weitgehend von Temperaturdnderungen
im Bereich von -45 bis +80 oder 900C unabhangig und schaltet einwandfrei in einem
Frequenzbereich von 0 bis 10 kHz.
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Um das Relais in Schließer-Funktion auszufUhren, ist, wie sich
aus
Fig. 2 ergibt, ein weiterer Schalttransistor 10 vorgesehen, dessen Basis mit dem
Kollektor des Schalttransistors 8 in Verbindung steht, die ebenfalls über einen
weiteren Vorwiderstand 11 mit dem Pluspol der Spannungsquelle in Verbindung steht.
Der Kollektor des Schattransistors 10 ist- an- die Klemme RL geführt, an welcher
das eine Ende des zu schaltenden Lastwiderstandes angeschlossen ist. Bei der in
Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung bewirkt der zweite Transistor die Umkehrung
der Funktion, d.h. wenn die Gallium-Arseni-d Diode 3 mit einem Strom zur Lichtaussendung
beaufschlagt wird, schließt der Transistor 10 den Kollektorkreis, so daß nunmehr
die Last eingeschaltet ist.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsmögl.ichkeit des optogekoppelten
elektronischen Relais.gemöß der Erfindung dargestellt, das eine Wechsler-Funktion
ausübt. In dem dargestellten Beispiel ist der Kollektor des Fototransistors 4 mit
einem als integrierter Schaltkreis ausgebildeten Mehrfachinverter 12 mit zwei Eingängen
verbunden. Ein derartiger Mehrfachinverter ist- beispielsweise unter. der Bezeichnung
SN 7404 N im Handel erhdltlich. Die beiden Ausgänge des. Mehrfachinverters sind
an je eines Schalttronsistor 13 und 14 angeschlossen, deren Kollektoren mit zwei
Ausgangskleimmen RL1 und RL2 in Verbindung
stehen. Die Emitter
der beiden Schalttransistoren 13 und 14 liegen mit dem Emitter des Fototransistors
4 am negativen Pol der Sponnungsquelle. Der Inverter 12 ist ferner mit einem Vorwiderstand
15 verbunden, der zum positiven Pol der Spannungsquelle führt.
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Durch das dargestellte Relais können die beiden Lastwiderstunde L1
und L2 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, ie nachdem, in welchem Zustand
sich das opto-gekoppelte System 3, 4 befindet.
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In Fig. 4 ist ein opto-gekoppeltes elektronisches Relais mit Doppel-Wechsler-Funktion
dargestellt, In dem dargestellten Beispiel sind vier Eingänge des Mehr fach inverters
12 mit dem Kollektor des Fototransistors 4 verbunden. Die vier Ausgange des Mehrfochinverters
12 sind mit den Basen von vier Transistoren 13, 14, 15 und 16 verbunden, deren Kollektoren
mit den Ausgangsklemmen 1 RL2, RL3 und RL4 verbunden sind. Die Emitter der vier
Schalttransistoren 13 bis 16 sind mit dem Emitter des Fototransistors 4 an den Minuspol
der Sponnungsquelle gelegt.
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Entsprechend dem in Fig. 3 gezeigten Relais können abwechselnd je
zwei Lastwiderstände an den Klemmen RL1 und RL4 bzw. RL1 und RL3 je nach dem Zustand
des opto-gekoppelten Systems 3, 4
ein- bzw. ausgeschaltet werden.
Das Relais arbeitet damit in einer Doppel-Wechsler-Funktion.
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Es ist selbstverständlich denkbar, noch andere Kombinationen mit dem
opto-gekoppelten System 3, 4 zu verbinden, wobei Mehrfachinverter größerer Eingangs-
bzw. Ausgangszahlen verwendet werden können und wobei auch durch geeignete Impulsschaltungen
eine oder mehrere Wechsler-Funktionen mit einer Selbsthalteschaltung versehen werden
können, wobei eine beliebige Anzahl von Kombinationen möglich ist Mit dem opto-gekoppelten
elektronischen Relais gemäß der Erfindung können somit beliebige Schaltaufgaberi
mi-t : einet Steuerspannung, die galvanisch von den Schaltkreisen getrennt ist,
durchgeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung der erfindungsgamößen
Maßnahmen eine Schaltfrequenz von 0 bis 10 kHz in einem Temperaturbereich von -45
bis +80 bzw. 900C durchgefUhrt werden kann.