DE4116948A1 - Koppelrelaisschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Koppelrelaisschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 5.

Signalübertragungsrelaisschaltungen dienen als Verbindungsglied zwischen Steuerelektronik und Leistungselektronik. Es wird bei derartigen Schaltungen gefordert, daß das Nutzsignal prellfrei und ohne Einfluß von kleineren Rest- und Ruheströmen der Steuerglieder zur Steuer- bzw. Leistungselektronik durchgeschaltet wird.

Bei einer bekannten Signalübertragungsrelaisschaltung ist zur Reststromausblendung parallel zur Erregerwicklung des Relais die Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und einem Widerstand vorgesehen. Außerdem ist zur Funkentstörung parallel zur Erregerwicklung eine Diode geschaltet. Nachteilig hieran ist, daß durch den Widerstand stets ein zusätzlicher Strom fließt, der sich zum Nutzsteuerstrom addiert, wodurch sich der Steuerstrombedarf der Schaltung beträchtlich erhöht. Da die Zenerspannung der Zenerdiode in Reihe mit der Steuerspannung (der Erregerwicklung) für das Relais liegt, erhöht sich außerdem auch die benötigte Steuerspannung für diese Schaltung. Mit anderen Worten, der Steuerleistungsbedarf wird durch diese bekannte Reststromausblendung beträchtlich erhöht.

Bei einer bekannten Signalübertragungsrelaisschaltung die zur Verminderung bzw. Beseitigung des Kontaktprellens der elektromechanischen Schaltglieder dient, ist parallel zum Arbeitskontaktpaar ein RC-Reihenglied angeordnet. Im Betrieb wird der Kondensator beim Schließen des Arbeitskontaktpaares über den Strombegrenzungswiderstand schnell entladen und beim Öffnen des Kontaktes über den Verbraucher langsam wieder aufgeladen. Dadurch wird zwar die Auswirkung des Kontaktprellens gedämpft, jedoch findet hier keine Beseitigung sondern lediglich eine Dämpfung dieses Kontaktprellens statt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Schaltsignal verschleift wird und daher das Arbeitskontaktpaar zusätzlich mit dem Entladestrom des RC-Reihengliedes belastet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Koppelrelaisschaltung, insbesondere Signalübertragungsrelaisschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine Reststromausblendung ohne eine Erhöhung des Steuerleistungsbedarfes möglich ist und/oder mit der eine Beeinflussung der nachfolgenden Schaltung durch ein Kontaktprellen aufgehoben ist und/oder mit der beide Ziele zu erreichen sind, wobei dies in allen Fällen bei minimalem Steuerleistungsbedarf erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Koppelrelaisschaltung der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und/oder die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit dem gemäß Anspruch 1 ausgebildeten Ausführungsbeispiel ergeben sich insbesondere zwei Vorteile, nämlich daß aufgrund der größeren Steilheit des Steuerstromes durch das Relais die Schaltsicherheit dieses Relais steigt und daß, da der MOS-Feldeffekt-Transistor im Arbeitsbetrieb total sperrt, der sonst übliche zusätzliche Parallelstrom entfällt, was zu einer Verminderung benötigter Steuerleistung führt.

Mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß ein möglicher Prellvorgang des Schaltgliedes ohne Einfluß bleibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keine Hilfsspannungen benötigt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das gemäß Anspruch 13 die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 und der des Anspruchs 5 beinhaltet, ist ein nahezu ideales Verbindungsglied zwischen Steuerelektronik und Leistungselektrik bei minimalem Steuerleistungsbedarf erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der genannten Ausführungsbeispiele ergeben sich aus einem oder mehreren der Unteransprüche 2 bis 4 und/oder 6 bis 12.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert sind.

Es zeigt

Fig. 1 eine Signalübertragungsrelaisschaltung zur Reststromausblendung gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 2 eine Signalübertragungsrelaisschaltung zur Reststromausblendung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 3 eine Signalübertragungsrelaisschaltung zur Unterdrückung des Einflusses des Kontaktprellens gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung und

Fig. 4 eine Signalübertragungsrelaisschaltung zur Unterdrückung des Einflusses des Kontaktprellens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.

Die in den Fig. 1 und 2 gemäß zweier Ausführungsbeispiele dargestellte Signalübertragungsrelaisschaltung 11 bzw. 11′ ermöglicht die Ausblendung des Reststromes von elektronischen Schaltern, damit z. B. der störende Grundstrom von im Zweidrahtbetrieb betriebenen elektronischen Initiatoren wirkungslos wird.

Gemäß Fig. 1 ist ein Relais d1 vorgesehen, das mit einem Arbeitskontaktpaar 13 und mit einem Ruhekontaktpaar 14 versehen ist, die jeweils von einem Schaltglied 15 bzw. 16 überbrückbar sind.

Die Erregerwicklung 17 des Relais d1 ist einenends über eine Diode n1 und andernends über einen Widerstand r1 mit einer (Gleichspannungs-) Signalquelle 18 verbunden. Parallel zur Erregerwicklung 17 liegt die Source-Drain-Strecke eines MOS-Feldeffekt-Transistors (im folgenden MOSFET genannt) T1, der hier vom Verarmungstyp, also selbstleitend ist. Der Gate-Anschluß des MOSFET T1 ist mit dem der Erregerwicklung 17 abgewandten Ende des Widerstandes r1 verbunden. Die Diode n1, deren Anode mit dem einen Pol der Signalquelle 18 verbunden ist, dient zum Schutz des MOSFET T1 vor Falschpolung.

Die Wirkungsweise der Schaltung 11 ist folgende: Der Eingangsstrom von der Signalquelle 18 fließt zunächst über die in Reihe liegenden Bauelemente, nämlich Diode n1, MOSFET T1 und Widerstand r1. Bei steigendem Strom steigt der Spannungabfall an dem Widerstand r1 (negative Gate-Spannung an MOSFET T1) und der MOSFET T1 gelangt in den Sperrbereich, so daß der Strom durch ihn kleiner wird und nun durch das Relais d1 fließt. Der Spannungabfall am Widerstand r1 steigt weiter an und zu einem bestimmten Zeitpunkt sperrt der MOSFET T1 total, so daß der Gesamtstrom durch das Relais d1 fließt und somit dieses Relais d1 erregt wird und schaltet. Bei sich verringerndem Eingangsstrom wiederholt sich der beschriebene Vorgang in umgekehrter Weise. Zunächst nimmt der Strom durch die Bauelemente, nämlich die Diode n1, das Relais d1 und den Widerstand r1 ab, so daß der Spannungabfall am Widerstand r1 sinkt und der MOSFET T1 aus dem Sperrbereich in den Arbeitsbereich gerät und Strom übernimmt. Damit sinkt der Strom durch das Relais d1 und bei weiter abnehmendem Eingangsstrom übernimmt dann schließlich der MOSFET T1 den gesamten Strom, so daß das Relais d1 stromlos wird, also entregt wird und abschaltet.

Aufgrund der dadurch erreichten größeren Steilheit des Steuerstromes durch das Relais d1 steigt die Schaltsicherheit dieses Relais. Da der MOSFET T1 im Arbeitsbetrieb total sperrt, entfällt der sonst übliche zusätzliche Parallelstrom, was zu einer Verminderung der benötigten Steuerleistung führt.

Die Variante 11′ gemäß Fig. 2 ist gegenüber der Signalübertragungsrelaisschaltung 11 der Fig. 1 um eine vorgeschaltete Gleichrichterschaltung erweitert. Eine Brückengleichrichterschaltung n3 ist zwischen dem Drain-Anschluß und dem Gate-Anschluß des MOSFET T1 vorgesehen, wobei zwischen diesen beiden Anschlüssen eine Parallelschaltung von Ladekondensator k2 und Zenerdiode n2 zur Begrenzung der Relaisbetriebsspannung angeordnet ist. Die beiden eingangsseitigen Klemmen der Brückengleichrichterschaltung n3 führen einerseits unmittelbar und andererseits über einen Kondensator k1 als kapazitiven Vorwiderstand und einen Schutzwiderstand r2 zur Signalspannungsquelle 18′. Ein Varistor r3 zum Schutz der Schaltung vor hohen Spannungsspitzen ist einerseits an einer Eingangsklemme der Brückengleichrichterschaltung n1 und andererseits an der Verbindungsklemme von Kondensator k1 und Schutzwiderstand r2 eingeschaltet. Die weiteren Bauelemente, nämlich das Relais d1, der Widerstand r1 und der MOSFET T1 sind in derselben Weise vorhanden und elektrisch angeordnet, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Insoweit arbeitet auch die Schaltung 11′ genauso wie die Schaltung 11. Bei der Schaltungsvariante 11′ gemäß Fig. 2 wird durch die Ausblendung des Reststromes der sonst störende Einfluß der Kabelkapazität von Steuerleitungen auf das hochohmige Relais vermieden. Außerdem ist durch den niedrigen Steuerstrombedarf, verbunden mit dem kapazitiven Vorwiderstand k1 die Eigenerwärmung des Relais d1 äußerst gering.

Die Ausführungsbeispiele der Signalübertragungsrelaisschaltungen 21 bzw. 21′ dienen zur Unterdrückung der Auswirkungen eines Kontaktprellens der Kontaktpaare 13 und 14 des Relais d1 während des Schaltens. Als Relais d1 wird ein den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 entsprechendes Relais verwendet.

Gemäß Fig. 3 sind bei der Signalübertragungsrelaisschaltung 21 die einen Kontakte von Arbeitskontaktpaar 13 und Ruhekontaktpaar 14 miteinander und mit dem einen Ende eines Schutzwiderstandes r4 verbunden, dessen anderes Ende über einen Kondensator k3 mit dem anderen Kontakt des Arbeitskontaktpaares 13 verbunden ist. Außerdem ist der Verbindungspunkt von Widerstand r4 und Kondensator k3 mit dem Gate-Anschluß eines MOS-Feldeffekt-Transistors T3 (im folgenden MOSFET T3 genannt) verbunden. Die Drain-Source-Strecke dieses MOSFET T3 liegt zwischen den einander zugeordneten anderen Kontakten von Arbeitskontaktpaar 13 und Ruhekontaktpaar 14, wobei der Drain-Anschluß des MOSFET T3 mit dem anderen Kontakt des Arbeitskontaktpaares 13 und der Source-Anschluß des MOSFET T3 mit dem anderen Kontakt des Ruhekontaktpaares 14 verbunden ist. Der MOSFET T3 ist ein Feldeffekt-Transistor vom Anreicherungstyp, also selbstsperrend. Die Source-Gate-Strecke des MOSFET T3 ist durch eine Zenerdiode n5 geschützt, wobei deren Kathode mit dem Gate-Anschluß verbunden ist. Parallel zur Drain-Source-Strecke des MOSFET T3 ist außerdem ein Varistor r5 zum Schutz der Gesamtschaltung vor Spannungsspitzen und in Reihe dazu die betreffende, nicht dargestellte zu- und abzuschaltende Last angeordnet.

Die Funktion dieser Schaltung 21, die zum prellfreien Schalten kleiner Spannungen und Ströme von bspw. maximal 30 V/50 mA mit einer nur geringen Restspannung im durchgeschalteten Zustand dient, ist folgende: Wird das Relais d1 erregt, so wird zuerst das Ruhekontaktpaar 14 geöffnet, was auf die Gesamtschaltung ohne Einfluß bleibt, da der Ladungszustand der Gate-Source-Steuerstrecke des MOSFET T3 hierdurch nicht verändert wird. Mit dem darauffolgenden ersten Schließen des Arbeitskontaktpaares 13 wird über den Schutzwiderstand r4 die Steuerstrecke des MOSFET T3 positiv geladen. Der MOSFET T3 schaltet durch und das sich ggf. wiederholende kurzzeitige Öffnen des Arbeitskontaktpaares 13 während eines Prellvorganges bleibt ohne Einfluß, weil die Ladung des hochohmigen Steuerkreises des MOSFET T3 während der kurzen Öffnungsperiode des Prellvorganges nicht abfließen kann. Da die Gate-Elektrode des MOSFET T3 über den Schutzwiderstand r4 und das Arbeitskontaktpaar 13 des Relais d1 leitend mit der Drain-Elektrode des MOSFET T3 verbunden ist, ist die Steuerspannung des MOSFET T3 gleich dessen Restspannung im durchgeschalteten Zustand. Sie beträgt bei einem MOS-Feldeffekt-Transistor mit kleiner Schwellspannung bei einem Strom von ca. 5 mA<1 V; damit liegt der sichere Arbeitsbereich der Schaltung 21 zwischen ca. 1,3 V und 30 V.

Wird das Relais d1 entregt, so wird zunächst sein Arbeitskontaktpaar 13 geöffnet, was durch den Ladungserhalt der hochohmigen Steuerstrecke des MOSFET T3 ohne Einfluß bleibt. Mit dem anschließenden ersten Schließen des Ruhekontaktpaares 14 wird die Steuerstrecke des MOSFET T3 entladen und der MOSFET T3 wird gesperrt. Der Schaltkreis ist damit geöffnet. Die nun ggf. folgenden kurzzeitigen Schließ- und Öffnungszyklen während des Prellvorganges bleiben ohne Einfluß auf das Schaltverhalten des MOSFET T3, da die einmal gelöschte Ladung seiner Steuerstrecke nur durch das Schließen des Arbeitskontaktpaares 13 des Relais d1 wieder aufgebaut werden kann. Der Kondensator k3 dient dabei zur Verhinderung von Einschwingvorgängen an den Schaltflanken.

Die Signalübertragungsrelaisschaltung 21 ermöglicht ein prellfreies exaktes Schalten mit einem mechanischen Umschaltkontakt, wobei das Schließen des elektronischen Schaltkreises mit dem ersten Schließen des Arbeitskontaktpaares 13 und das Öffnen des elektronischen Schaltkreises mit dem ersten Schließen des Ruhekontaktpaares 14 erfolgt.

Die in Fig. 4 dargestellte Variante einer Signalübertragungsrelaisschaltung 21′ dient zum prellfreien Schalten höherer Spannung bei kleineren Strömen, von bspw. maximal 250V Gleichspannung/50mA, bei einer höheren Restspannung im durchgeschalteten Zustand als bei der Schaltung 21 nach Fig. 3.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die einen Kontakte von Arbeitskontaktpaar 13 und Ruhekontaktpaar 14 mit dem einen Ende des Schutzwiderstandes r4 verbunden, dessen anderes Ende einerseits über den Ladekondensator k3 mit dem anderen Kontakt des Arbeitskontaktpaares 13 und andererseits mit dem Gate-Anschluß eines MOSFET T4 verbunden ist, der hier vom Verarmungstyp, also selbstleitend ist. Der Source-Anschluß des MOSFET T4 ist einerseits unmittelbar mit dem anderen Kontakt des Arbeitskontaktpaares 13 und andererseits über eine Zenerdiode n6 mit dem anderen Kontakt des Ruhekontaktpaares 14 verbunden, wobei die Kathode der Zenerdiode n6 mit dem Source-Anschluß des MOSFET T4 verbunden ist. Zwischen dem anderen Kontakt des Ruhekontaktpaares 14 und dem Drain-Anschluß des MOSFET T4 ist ein Varistor r6 und die betreffende Last vorgesehen. Der Varistor r6 dient zum Schutz der Schaltung vor höheren Spannungsspitzen und die Zenerdiode n6 zur Gewinnung der Sperrspannung für den Schalttransistor T4.

Die Wirkungsweise der Signalübertragungsrelaisschaltung 21′ ist folgende: Im entregten Zustand des Relais d1 ist dessen Ruhekontaktpaar 14 geschlossen und der Gate-Anschluß des MOSFET T4 über den Schutzwiderstand r4 mit der Anode der Zenerdiode n6 verbunden. Über den MOSFET T4 und die Zenerdiode n6 fließt ein kleiner Strom, der Reststrom der Schaltung 21′, und erzeugt an der im Sperrbereich arbeitenden Zenerdiode n6 einen Spannungabfall. Dadurch gelangt eine negative Steuerspannung auf die Gate-Elektrode des MOSFET T4 und läßt den Strom durch ihn sinken. Dabei stellt sich ein geregelter Reststrom von bspw. <5 µA ein.

Wird das Relais d1 erregt, so öffnet zunächst sein Ruhekontaktpaar 14. Dies bleibt ohne Einfluß auf den Zustand der Gesamtschaltung, da die Sperrladung von der Steuerelektrode (der Gate-Elektrode) des MOSFET T4 nicht abfließen kann. Mit dem darauffolgenden ersten Schließen des Arbeitskontaktpaares 13 wird die Gate-Source-Steuerstrecke des MOSFET T4 über den Widerstand r4 entladen, die Steuerspannung wird zu Null und der MOSFET T4 wird leitend. Es fließt nun der Arbeitsstrom über den MOSFET T4 und die Diode n6, an der der Spannungsabfall im Arbeitsbereich entsteht, so daß sich die Restspannung der Schaltung 21′ im durchgeschalteten Zustand als Summe der Zenerspannung an der Zenerdiode n6 und der Restspannung am MOSFET T4 ergibt (sie beträgt bspw. ca. 4V). Ein kurzzeitiges Schließen und Öffnen des Arbeitskontaktpaares 13 während eines evtl. Prellvorganges bleibt ohne Einfluß auf den Zustand der Schaltung, da sich ohne Schließen des Ruhekontaktpaares 14 keine Sperrladung im Steuerkreis des MOSFET T4 ausbilden kann. Der Kondensator k3 dient auch hier zur Verhinderung von Einschwingvorgängen an den Schaltflanken. Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 führt auch bei der Schaltung 21′ das erste Schließen des Arbeitskontaktpaares 13 des Relais d1 zum Durchschalten der Schaltung und das erste Schließen des Ruhekontaktpaares 14 des Relais d1 zum Sperren der Schaltung.

Weitere nicht dargestellte jedoch bevorzugte Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung ergeben sich aus der Kombination der Signalübertragungsrelaisschaltung 11 oder 11′ gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 mit einer der Signalübertragungsrelaisschaltungen 21 und 21′ gemäß den Fig. 3 und 4. Durch eine der dadurch erreichbaren Schaltungskombinationen ist ein nahezu ideales Verbindungsglied zwischen Steuerelektronik und Leistungselektrik geschaffen.

Claims (13)

1. Koppelrelaisschaltung, insbesondere Signalübertragungsrelaisschaltung, mit einem Relais (d1), dessen Erregerwicklung (17) und ein Widerstand (r1) mit dem Signaleingang verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Erregerwicklung (17) des Relais (d1) und mit dem Widerstand (r1) ein MOS-Feldeffekt-Transistor (T1) derart gekoppelt ist, daß ein Parallelweg zur Erregerwicklung (17) bei anstehendem Eingangssignal geöffnet und bei nicht vorhandenem Eingangssignal geschlossen ist.

2. Koppelrelaisschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Source-Strecke des MOS-Feldeffekt-Transistors (T1) parallel zur Erregerwicklung (17) liegt und der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekt-Transistors (T1) mit dem der Erregerwicklung (17) abgewandten Ende des Widerstandes (r1) verbunden ist.

3. Koppelrelaisschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Feldeffekt-Transistor (T1) selbstleitend ist.

4. Koppelrelaisschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaleingang über eine Gleichrichterschaltung (n3) zwischen Gate- und Drain-Anschluß des MOS-Feldeffekt-Transistors (T1) angekoppelt ist.

5. Koppelrelaisschaltung, insbesondere Signalübertragungsrelaisschaltung, mit einem Relais (d1), dessen Arbeitskontaktpaar (13) mit einem Kondensator (k3) und einem dem Kondensator (k3) zugeordneten Strombegrenzungswiderstand (r4) verbunden ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (d1) ein Hilfskontaktpaar (14) aufweist und daß zwischen zugeordneten Kontakten von Arbeitskontaktpaar (13) und Hilfskontaktpaar (14) ein MOS-Feldeffekt-Transistor (T3) geschaltet ist.

6. Koppelrelaisschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfskontaktpaar durch ein Ruhekontaktpaar (14) gebildet ist.

7. Koppelrelaisschaltung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (d1) derart ausgebildet ist, daß das Ruhekontaktpaar (14) öffnet, bevor das Arbeitskontaktpaar (13) schließt, und das Arbeitskontaktpaar (13) öffnet, bevor das Ruhekontaktpaar (14) schließt.

8. Koppelrelaisschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Feldeffekt-Transistor (T3) selbstsperrend ist.

9. Koppelrelaisschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekt-Transistors (T3) am dem einen Kontakt des Arbeitskontaktpaares (13) abgewandten Ende des Strombegrenzungswiderstandes (r4) liegt und der Source-Anschluß des MOS-Feldeffekt-Transistors (T3) am anderen Kontakt des Ruhekontaktpaares (14) angeschlossen ist.

10. Koppelrelaisschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Feldeffekt-Transistor (T4) selbstleitend ist.

11. Koppelrelaisschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekt-Transistors (T4) am dem einen Kontakt des Arbeitskontaktpaares (13) abgewandten Ende des Strombegrenzungswiderstandes (r4) liegt und der Source-Anschluß am anderen Kontakt des Arbeitskontaktpaares (13) angeschlossen ist.

12. Koppelrelaisschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einander zugeordneten Kontakten von Arbeits- und Ruhekontaktpaar (13, 14) eine Zenerdiode (n6) angeordnet ist.

13. Koppelrelaisschaltung, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 und ggf. mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4 und denen des Anspruchs 5 und ggf. mindestens einem der Ansprüche 6 bis 12.