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Schaltungsanordnung mit einem Relais, das einen prellbehafteten
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Arbeitskontakt aufweist Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
mit einem Relais, bei dem eine in einem Steuerkreis gelegene Wicklung an eine Steuergleichspannung
schaltbar ist und das einen prellbehafteten Arbeitskontakt aufweist.
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Es ist bereits aus der DT-PS 1 537 831 bekannt, bei der Erzeugung
von koinzidenten Impulsen Prellerscheinungen der dabei verwendeten mechanischen
Tasten zu vermeiden.
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Prellerscheinungen bei Relaiskontakten können sich insbesondere dann
störend auswirken, wenn Verbraucher definiert eingeschaltet werden sollen. Werden
mit Hilfe des Relaiskontaktes Induktivitäten geschaltet, die bei jedem Öffnen des
Relaiskontaktes eine Spannung induzieren, so kann sich dies ferner auf die Lebensdauer
des Kontaktes ungünstig auswirken.
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Man kann zur Vermeidung von Prellerscheinungen zwar Relais mit Quecksilberkontakt
verwenden. Derartige Relais sind jedoch für verschiedene Anwendungsfälle nicht ohne
weiteres geeignet.
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Während sich Prellerscheinungen bei mechanischen Kontakten häufig
nicht ohne weiteres vermeiden lassen, kann man für gewisse Anwendungen elektronische
Kontakte verwenden, bei denen Prellerscheinungen mit Sicherheit vermieden sind.
Derartige Kontakte sind jedoch häufig nicht ohne weiteres für sehr große Ströme
geeignet. Nachteilig kann dabei ferner sein, daß der Eingangs- und der Ausgangs
stromkreis nicht galvanisch voneinander getrennt sind. Weiterhin kann die am geschlossenen
Kontakt liegende Spannung einen gewissen Mindestwert nicht unterschreiten. Diese
Mindestspannung beträgt bei elektronischen Kontakten, die durch einen ein- oder
ausschaltbaren Transistor gebildet sind, beispielsweise etwa 0,7 V.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der vorstehend
näher bezeichneten Art derart auszubilden, daß mit möglichst einfachen Mitteln die
Auswirkungen von Prellungen an einem mechanischen Relaiskontakt unterdrückt werden.
Eine Erkenntnis im Rahmen der Erfindung ist es, daß sich die gestellte Aufgabe durch
die gemeinsame Verwendung eines mechanischen Relaiskontaktes und eines elektronischen
Schalters vorteilhaft lösen läßt.
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Gemäß der Erfindung wird die Schaltungsanordnung zur Lösung der gestellten
Aufgabe derart ausgebildet, daß dem ArDeitskontakt ein durch wenigstens einen Optokoppler
steuerbarer elektronischer Kontakt parallel geschaltet ist, und daß die im Optokoppler
enthaltene Leuchtdiode jeweils im Steuerkreis des Relais liegt, und daß der elektronische
Kontakt von der Art ist, daß er nur bei Spannungen oberhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung
stromführend ist, die insbesondere um ein vielfaches größer ist als die am stromführenden
Relaiskontakt liegende Spannung. Dem mechanischen Relaiskontakt ist dabei ein elektronischer
Kontakt parallel geschaltet, welcher schneller schaltet, als der Relaiskontakt und
daher
während des Einschaltens des Relais den Strom übernimmt. Als
Optokoppler können dabei solche Typen Verwendung finden, bei denen der Schaltzustand
des gesteuerten Elementes in jedem Augenblick vom Strom in der Leuchtdiode abhängt,
beispielsweise Optokoppler vom Typ Leuchtdiode /Fototransistor, Leuchtdiode/Fotodiode.
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Durch diese Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß die Auswirkungen
von Prellungen des mechanischen Kontaktes während des Einschaltvorganges wirksam
unterdrückt werden. Bedingt durch die Schwellenspannung des elektronischen Kontakt
es fließt im eingeschalteten Zustand des Relais praktisch der gesamte Strom über
den mechanischen Kontakt, so daß der elektronische Kontakt selbst bei größeren Strömen
thermisch nicht nennenswert beansprucht wird. Weiterhin wird durch die Schaltung
der mechanische Kontakt weniger beansprucht, da er beim Schalten zwar den vollen
Strom schaltet, die Schaltspannung jedoch nur der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung
des elektronischen Kontaktes entspricht.
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Sollen mit Hilfe des Relais Gleichströme geschaltet werden, so wird
die Schaltungsanordnung zweckmäßigerweise derart ausgebildet, daß der elektronische
Kontakt durch einen mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke parallel zum Kontakt des
Relais liegenden und mit seiner Basis an den Ausgang des Optokopplers angeschlossenen
Transistor gebildet ist. Der Arbeitskontakt wird dabei derart in den Gleichstromweg
eingefügt, daß die parallel zum Arbeitskontakt gelegene Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors mit der für den verwendeten Transistortyp üblichen Polung im Gleichstromweg
liegt.
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Soll mit Hilfe des Relais Wechselstrom geschaltet werden, so kann
man die Schaltungsanordnung in Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft derart ausbilden,
daß der elektronische
Kontakt durch zwei, mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken
mit einander entgegengesetzter Polung in Serie geschaltete Transistoren gebildet
ist, derart, daß die Serienschaltung parallel zum Kontakt des Relais angeordnet
ist, und daß bei beiden Transistoren jeweils parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke
eine derart gepolte Diode angeordnet ist, daß bei einem npn-Transistor der Emitter
mit der Anode und bei einem pnp-Transistor der Emitter mit der Kathode verbunden
ist. Eine derartige Ausbildung der Schaltungsanordnung empfiehlt sich auch für solche
Anwendungsfälle, bei denen eine beliebige Polung eines zu schaltenden Gleichstromes
möglich sein soll.
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Andererseits kann man in weitere Ausgestaltung der Erfindung die Schaltungsanordnung
derart ausbilden, daß der elektronische Kontakt durch zwei, mit ihren Emitter-Eollektor-Strecken
antiparallel geschaltete Transistoren gebildet ist, und daß der Emitter-Kollektor-Strecke
jeweils eine derart gepolte Diode in Serie geschaltet ist, daß sie einen inversen
Betrieb des zughörigen Transistors verhindert.
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Man kann zur Unterdrückung von induzierten Spannungen, die an der
Relaiswicklung bei ihrem Abschalten von der Steuergleichspannung entstehen, in an
sich bekannter Weise unmittelbar an die Relaiswicklung eine Freilaufdiode anschließen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung lassen sich Auswirkungen von Prellungen
des Arbeitskontaktes auch beim Abschalten des Relais mit besonders einfachen Mitteln
dadurch unterdrücken, daß parallel zu einer aus der Wicklung des Relais und der
Leuchtdiode bzw. den Leuchtdioden bestehenden Serienschaltung eine derart gepolte
Diode angeordnet ist, daß die Diode und die Leuchtdiode bzw. die Leuchtdioden mit
gleicher Polung zueinander in Serie liegen. Dabei ist in vorteilhafter Weise mit
Hilfe ein- und derselben Diode zugleich eine Prellunterdrückung beim Abschalten
des Relais als auch eine Spannungsbegrenzung erzielt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen 6-bis 13.
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Die Erfindung wird anhar.d der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele--näher
erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Prellunterdrückung bei
einem Arbeitskontakt eines Relais, der zum Schalten von Gleichstrom vorgegebener
Polarität vorgesehen ist, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Preilunterdrückung
mit einer zusätzlichen Einschaltverzögerungsschaltung und Fig. 3 eine Schaltungsanordnung
zur Prellunterdrückung bei einem für Wechselstrom vorgesehenen Arbeitskontakt eines
Relais.
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Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung enthält ein Relais, das
eine Wicklung A und einen Arbeitskontakt a aufweist. Das Relais ist in einen Adapter
eingesetzt, und zwar in der Weise, daß der Arbeitskontakt a mit den Anschlüssen
3' und 4' unmittelbar verbunden ist und die Wicklung A unmittelbar an den Anschlüssen
1' und 2' liegt. Der Adapter hat ferner die Anschlüsse 1 ...4, von denen der Anschluß
3 unmittelbar mit dem Anschluß 3', der Anschluß 4 unmittelbar mit dem Anschluß 4'
und der Anschluß 2 unmittelbar mit dem Anschluß 2' verbunden ist. Zwischen den Anschlüssen
1 und 1' liegt die Leuchtdiode 71, die Bestandteil des Optokopplers 7 ist. Die Leuchtiode
71 liegt mit der Anode am Anschluß 1' und mit der Kathode am Anschluß 1.
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Parallel zum Arbeitskontakt a liegt die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 51. Dabei ist der Transistor 51 mit seinem Emitter mit dem Anschluß
3' und mit seinem Kollektor mit dem Anschluß 4' verbunden. Zwischen den Anschlüssen
1
bzw. n,a und 2 bzw. "+" liegt die Diode 61, deren Anode mit der
Kathode der Leuchtdiode 71 verbunden ist, so daß die Leuchtdiode 71 und die Diode
61 mit gleicher Polung in Serie geschaltet sind.
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Von dem im Optokoppler 7 enthaltenen Transistor 72 ist der Emitter
mit der Basis des Transistors 51 und der Kollektor mit dem Kollektor des Transistors
51 verbunden.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Entprellschaltung für den Relaiskontakt
a des Relais A ist ein elektronischer Kontakt dem mechanischen Kontakt a parallel
geschaltet. Der elektronische Kontakt, gebildet durch den mittels des Optokopplers
7 steuerbaren Transistors 51 übernimmt während des Ein- und Ausschaltens überlappend
zu Kontakt a den Kontaktstrom.
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Da der Transistor 51 schneller als der Kontakt a einschaltet und länger
verzögert als der Kontakt a ausschaltet, werden alle Kontaktprellungen überbrückt.
Bedingt durch die Kollektor-Emitter-Schwellenspannung fließt im eingeschalteten
Zustand bzw. nach Beendigung des Prellens der gesamte Strom über den Kontakt a,
so daß der Transistor 51 thermisch nicht beansprucht wird. Der Optokoppler 7 stellt
für das Relais die galvanische Trennung zwischen dem Eingangskreis mit der Spule
A und dem Ausgangskreis mit dem Arbeitskontakt a sicher.
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Die Relaisspule A dient zugleich als Vorwiderstand für die Leuchtdiode
71 und bewirkt dabei eine Strombegrenzung. Die Freilauf- bzw. Löschdiode 61 liegt
nicht, wie an sich bekannt, direkt an der Relaisspule A, sondern in Reihe zur Leuchtdiode
71, wobei die Serienschaltung der be den Dioden 61 und 71 an der Relaisspule A liegt.
Dadurch wird erreicht, daß beim Ausschalten der an die Relaisspule A geführten Steuergleichspannung
die in der Relaisspule A gespeicherte Energie in Form
eines abklingenden
Stromes über die Leuchtdiode 71 und die Löschdiode 61 abfließt und dadurch über
dem Optokoppler 7 den Transistor 51 noch bis nach dem endgültigen Abschalten des
Kontaktes a leitend hält.
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-Die Schaltungsanordnung nach Fig. f ehält wie die In Fig. 1 gezeigte
Anordnung einelLadapter mit eingesetztem Relais A und seinem Kontakt a. Zusätzlich
ist bei der Entprellschaltung nach Fig. 2 im Steuerkreis eine Einschaltverzögerungsschaltung
angeordnet. Di e Die Einschaltverzögerungsschaltung besteht aus dem Widerstand 9,
dem Kondensator 8, der Zeneriode 62 und dem Transistor 52. Der Transistor 52 ist
mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke im Steuerkreis angeordnet und dabei mit seinem
Emitter an den Anschluß 1 des Steuereinganges, mit seinem Kollektor an den Verbindungspunkt
der Dioden 61 und 71, und mit seiner Basis über die Zenerdiode 62 an den Verbindungspunkt
des Kondensators 8 und des Widerstandes 9 geführt. Die Serienschaltung aus dem Kondensator
8 und dem Widerstand 9 liegt am Steuereingang 1, 2.
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Ferner ist der Transistor 51 als Transistor in Darlington-Schaltung
mit integrierten Emitterwiderständen ausgebildet.
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Dabei ist die Stromverstärkung des Tranistors 51 derart bemessen,
daß der Transistor 51 gegenüber dem Arbeitskontakt a schneller einschaltet und länger
verzögert abschaltet.
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Weiterhin ist parallel zum Arbeitskontakt a eine Zenerdiode 63 geschaltet,
die mit ihrer Anode am Emitter des Transistors 51 liegt. Die Zenerdiode ist dabei
so gepolt, daß sie bei Abschalten einer über den Arbeitskontakt a geschalteten Induktivität
aufgrund der gegenüber der Zenerspannung größeren induzierten Spannung leitend wird.
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Beim Anlegen von Spannung an die Anschlüsse 1 und 2 muß der
Kondensator
8 über den Widerstand 9 erst soweit aufgeladen werden, daß die Zenerdiode 62 und
damit der Transistor 52 leitend wird.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist der elektronische Kontakt
durch die beiden; mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken mit einander entgegengesetzter
Polung in Serie geschalteten Transistoren 53 und 54 gebildet. Die Serienschaltung
der beiden Emitter-Ksllektor-Strecken ist parallel zum Kontakt a des Relais. Außerdem
ist bei beiden Transistoren 53 und 54 jeweils parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke
eine Diode 531 bzw. 541 angeordnet.
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Die Transistoren 53 und 54 sind jeweils Transistoren in Darlington-Schaltung.
Die in integrierter Schaltung ausgeführten Transistorsysteme enthalten Jeweils zwei
kollektorseitig miteinander verbundene Transistoren, bei denen jeweils zwischen
Emitter und Basis ein Widerstand liegt. Der Emitter eines eingangsseitigen Transistors
ist mit der Basis eines ausgangsseitigen Transistors verbunden. Parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke
des am Ausgang angeordneten Transistors liegt jeweils eine Diode 531 bzw. 541. Die
Transistoren 53 und 54 sind npn-Transistoren. Daher ist der Emitter des Transistors
53 mit der Anode der Diode 531, der Emitter des Transistors 54 mit der Anode der
Diode 541 verbunden.
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Jeder der beiden Transistoren 53 und 54 wird durch einer.
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eigenen Optokoppler angesteuert. Die in den beiden Optokopplern 74
und 75 enthaltenen Leuchtdioden sind in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung
der beiden Leuchtdioden 72 und 73 ihrerseits in Reihe zur Wicklung A des Relais
liegt.
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Die beiden Optokoppler 74 und 75 sind ausgangsseitig mit den Kollektoren
der in ihnen enthaltenen Transistoren
zusammengeführt. Ferner sind
die Kollektorverbindungen der Optokoppler 74 und 75 einerseits und die der Transistoren
53 und 54 zusammengeführt, so daß die Kollektoren der vier Transistoren unmittelbar
miteinander verbunden sind. Weiterhin ist der Emitter des im Optokoppler 74 enthaltenen
Transistors mit der Basis des Transistors 53 und der Emitter des im Optokoppler
75 enthaltenen Transistors mit der Basis des Transistors 54 verbunden.
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Bei den Schaltungen nach den Figuren 1 und 2 muß auf richtige Polung
der Kontaktanschlüsse geachtet werden. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 braucht
auf die Polung nicht geachtet zu werden. Dieser Kontakt ist damit insbesondere zum
Schalten von Wechselstrom geeignet. Die Wirkungsweise entspricht weitgehend der
Schaltungsanordnung von Fig. 1, wobei allerdings für jede Stromrichtung ein eigener
Darlingtontransistor 53 bzw. 54 und Optokoppler 74 bzw. 75 vorgesehen fond, Die
integrierte Diode 531 bzw. 541 jedes Darlingtontransistors 53 bzw. 54 überbrückt
diesen jeweils für die falsche Stromrichtung.
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Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Schaltungsanordnung
in einem Adapter untergebracht, der zwischen einer Relaisfassung und dem zugehörigen
Relais eingefügt wird. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß sie sich nachträglich
verwenden läßt, beispielsweise dann, wenn sich beim Betrieb einer Relaisschaltung
herausstellt, daß Prellerscheinungen des Relais beseitigt werden müssen.
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Andererseits kann man die Schaltungsanordnung von vornherein vorteilhaft
im Relaissockel unterbringen oder mit dem Relais baulich vereinigen.
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Bei Optokopplern, bei deren Fototransistoren der Basisanschluß
herausgeführt
ist, kann man zweckmäßigerweise die Basis über einen hochohmigen Widerstand an den
Emitter legen und auf diese Weise gegebenenfalls störende Restströme des Fototransistors
beseitigen.
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Die in den Optokopplern 7, 74 bzw. 75 enthaltenen Fototransistoren
sind npn-Transistoren. Bei der Verwendung von pnp-Fototransistoren sind Emitter
und Kollektor miteinander zu vertauschen.
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13 Patentansprüche 3 Figuren