DE69405696T2 - Verbesserungen von elektromechanischen relais - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verhindern des Verschweißens der Schaltkontakte in einem hochleistungsfähigen elektromechanischen Relais. Sie ist für hochleistungsfähige Relais von besonderer Bedeutung, die in der Kraftfahrzeugindustrie Anwendung finden, wo kostenbezogene Erwägungen die Verwendung von Werkstoffen für die Schaltkontakte ausschließen, die für eine bessere mechanische Beständigkeit gegen das Verschweißen von Kontakten sorgen würden.
• In vielen Fällen verwenden hochleistungsfähige elektromagnetische Schaltkontakte einfache Kupferschaltkontakte, die stark dazu neigen sich beim Unterbrechen induktiver Hochstromlasten miteinander zu verschmelzen. Um zu verhindern, daß dieses geschieht wird das Schaltschütz häufig mit einer Rückstellfeder versehen, die einen hohen Last-versus-Kompressionsfaktor besitzt. Diese Feder übt genügend Kraft auf das sich bewegende Schütz aus, um jegliche Kontaktverschmelzung zu unterbrechen, die auftreten kann, während das Relais aberregt wird. Vorausgesetzt, daß die Relaisspule gut konstruiert ist, und die Spulenspannung nahe ihres Konstruktionsparameters ist, überlebt das Schütz gewöhnlich seine Nutzungsdauer ohne katastrophales Verschweißen Doch speziell im Kraftfahrzeugumfeld ist das Aufrechterhalten der Spulenspannung auf ihrem Konstruktionsparameter schwierig, weil selbst unter normalen Bedingungen, die von Hochleistungsmotoren verlangten Hochströme (z.B. Anlassermotoren) und Lichtstromkreise (z.B. der Kaitwiderstand von Halogenlampen) das Auftreten von Niederspannungsausschlägen verursachen kann. In dem Fall, wo ein elektromechanisches Relais die Versorgung von Starkstrom zu einem Gleichstrom- Anlassermotors steuert, tritt typischerweise folgende Situation auf.
• Die Potentialdifferenz über die Fahrzeugbatterie liegt nahe an der konzipierten Spulenspannung, typisch 12 Volt, doch aufgrund des hohen Widerstandspfads in der Batterie-/motorschaltung, im Moment der Hochstromentnahme, wird das Potential über die Spule auf einen Wert reduziert, der unter dem Abfallniveau des elektromagnetischen Schalters liegt. Demzufolge werden die Schaltkontakte getrennt.
• Jedoch in dem Augenblick, wo die Schaltkontakte getrennt werden, wird der Starkstrom entfernt und die Potentialdifferenz über die Spule kehrt auf ein Niveau zurück, bei dem die Schaltkontakte geschlossen werden. Diese Reihenfolge wiederholt sich und deshalb entsteht eine oszillierende Situation, in der die Schaltkontakte mit relativ hoher Häufigkeit ein- und ausgeschaltet werden. Dieses wird manchmal als "doorbelling" (Türklingel-) oder "fizzing" ((Summeffekt) bezeichnet. Wenn dieses eintritt, kommen natürlich ernsthafte Lichtbogenbildung und Plasmaerzeugung am Spalt zwischen den Schaltkontakten vor. Dieses erhöht schnell die Temperatur der Schaltkontakte, und wenn man den Zustand fortdauern läßt, kann das Versagen des elektromagnetischen Relais aus einem oder mehreren der folgenden Gründe auftreten:
• i) Verschweißen der Schaltkontakte
• ii) Kunststoffisolatoren versagen unter der erzeugten, intensiven Wärme
• iii) Rückstell und Schaltkontaktfedern verschlechtern sich unter der erzeugten, intensiven Wärme.
• Der hohe Widerstandspfad in der Batterie-/motorschaltung, der diesen Zustand hervorruft, kann durch mehrere Faktoren verursacht werden. Beispielsweise durch einen hohen Innenwiderstand der Batterie aufgrund unzureichender Aufladung, niedriger oder verunreinigter Säure; Sulfatierung oder falscher Batteriespezifikation. Der Zustand kann. aber ebenso. durch schlechte. Installation der Verdrahtung,. angebrachte falsche Drahtgrößen oder Klemmenkorrosion verursacht werden.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung mit einem hochleistungsfähigen, elektromagnetischen Relais bereitzustellen, die dem Problem des vorstehend beschriebenen "doorbelling" oder fizzing" vorbeugt oder es mindestens erheblich abschwächt, und dadurch das Verschweißen der Schaltkontakte verhindert.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verhinderung des Verschweißens von Schaltkontakten eines hochleistungsfähigen, elektromechanischen Relais bereitgestellt. Diese Vorrichtung umfaßt Mittel, die der Überwachung der Stromversorgung zur Relaisspule angepaßt sind und Niederspannungsausschläge darin feststellen, einen Zähler zum Zählen der Anzahl von Niederspannungsausschlägen in der genannten Spannungsversorgung zur
• Relaisspule, und Schaltmittel zum Trennen der Spannungsversorgung zum Relais, wenn die Mzahl der gezählten Niederspannungsausschläge eine vorbestimmte Zahl überschreitet.
• Mit der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird die Anzahl der zugelassenen Schwingungen der Schaltkontakte auf eine sehr niedrige Zahl (die vom Zähler eingestellte Vorgabezahl) reduziert, dadurch wird "doorbelling" oder "fizzing" minimiert und Verschweißen der Schaltkontakte verhindert.
• Das Schaitmittel nimmt günstig die Gestalt eines elektronischen Schalters an, wie zum Beispiel eines MOS-Feldeffekttransistors.
• Vorzugsweise kann das genannte Mittel zur Überwachung und zum Nachweis von Niederspannungsausschlägen im Zustand der Spannungsversorgung zur Relaisspule vorübergehende Niederspannungsausschläge ignorieren. Dieses wird günstig durch Verwenden eines RC-Filternetzwerks mit einer geeigneten Zeitkonstante erreicht.
• Vorteilhaft umfaßt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weiter einen Thermosensor, der zur Montage in das Klemmengehäuse des Relais adaptiert ist, um dessen Überhitzung festzustellen. Dieses ermöglicht es einen hochohmige Fehlerzustand an den Schaltkontakten festzustellen, wie er beispielsweise vorkommen kann, wenn die Klemmen locker werden oder sich diese korrodieren.
• Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung weiter Mittel zum Verhindern der Betätigung des Relais, wenn sich die Batterieversorgung unter einem voreingestellten Niveau befindet.
• Die Vorrichtung kann außerdem Mzeigemittel zur Mzeige eines Fehlerzustands aufweisen.
• Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beispielsweise unter Bezugnahme auf den, in der Begleitzeichnung gezeigten, Stromlaufplan beschrieben.
• Im Stromlaufplan ist ein hochleistungsfähiges, elektromechanisches Relais gezeigt, allgemein mit Referenz 1 bezeichnet, das eine Relaisspule 2 und Kontakte 3 enthält. Wie gezeigt, regelt das Relais 1 die Stromversorgung ab einer Batterie (Vbat) zu einem Gleichstrom-Anlassermotor 4.
• Innerhalb des Gehäuses der Schaltkontakte 3 des Relais 1 befindet sich eine thermische Überwachungsvorrichtung 5, in Form eines Thermistors, die aber ebenso ein temperaturempfindlicher Halbleiter sein könnte. Diese wird dafür verwendet die Temperatur des Gehäuses, wie nachfolgend beschrieben, festzustellen und den Strom zur Relaisspule 2 abzuschalten, wenn Überhitzung der Schaltkontakte 3 auftritt.
• Der Thermistor 5 ist an ein Ende einer Referenzspannung (Vref) und am anderen Ende an einen Widerstand 6 angeschlossen, der seinerseits an die Erdleitung angeschlossen ist. Ein Spannungsteiler wird dadurch im Mittelpunkt zwischen dem Thermistor 5 und dem Widerstand 6 geformt. Sowie die Temperatur des Thermistors 5 ansteigt, verringert sich sein Widerstand (negativer Temperaturkoeffizient) und die Spannung erhöht sich im Mittelpunkt (Vt). Diese Spannung wird durch einen anlogen Vergleicher 7 überwacht, der die Miftelpunktspannung (Vt) mit einer Referenzspannung (Vref1) vergleicht. Der Wert dieser Referenzspannung (Vref1) ist so eingestellt, daß er der Mittelpunktspannung (Vt) entspricht, die erzeugt wird wenn die Thermistortemperatur auf einem Wert ist, der als die maximal zulässige Temperatur des Kontaktgehäuses angesehen wird. Wenn sich das Kontaktgehäuse daher einer überhitzten Kondition nähert, wechselt der Ausgang des Vergleichers 7 seinen Zustand.
• Der Ausgang des Vergleichers 7 wird von einem der drei Eingänge eines "ODER"-Gatters 8 mit drei Eingängen überwacht, das einen hohen Logikpegelausgang schafft, wenn der Ausgang des Vergleichers 7 gewechselt wird. Der Ausgang des "ODER"-Gatters 8 wird in ein Tiefpaß-RC-Filternetzwerk gespeist, das aus einem Kondensator 9 und einem Widerstand 10 besteht. Dieses filtert jegliche transiente Rauschsignale heraus, die von der Fahrzeugstromversorgung erzeugt werden können.
• Jedes Signal, das eine lmpulsdauer hat, die länger als die Zeitkonstante des RC- Filternetzwerks ist, löst dann einen 10-Sekunden-Zeitgeber 11 aus. Wird dieser Zeitgeber 11 ausgelöst, wechselt sein Ausgang den Zustand von einem hohen Logikpegel auf einen niedrigen Logikpegel. Der Ausgang des Zeitgebers 11 liefert normalerweise einen hchen Logikpegel an einen MOSFET-Leistungstransistor 12, der verwendet wird um die Relaisspule 2 mit Strom zu versorgen, entfernt jedoch diese Leistung, wenn die Gatterspannung aufgrund der Auslösung des Zeitgebers 11 entfernt wird. Der Zeitgeber 11 bleibt ausgelöst während sich sein Auslösereingang auf dem hohen Logikpegel befindet.
• Ein zweiter Vergleicher 13 sorgt für Schutz gegen Niederspannungsbetrieb der Relaisspule 2. Dieser Vergleicher 13 überwacht die Batterieversorgung (Vbat) des Fahrzeugs durch Vergleichen eines Bruchteils der ankommenden Spannung (bereitgestellt durch eine Spannungsteilerkette der Widerstände 14,15 und 16) mit einer Referenzspannung Vref2. Ein Netzfilter 17 schützt den Eingang des Vergleichers 13 vor irgendwelchen Hochspannungs-Übergangsströmen, die von der Batterieversorgung des Fahrzeugs generiert werden. Fällt die Batteriespannung auf einen Wert ab, der zum korrekten Betrieb der Relaisspule 2 für zu niedrig erachtet wird, dann wechselt der Vergleicherausgang von einem Tiefpegel- auf einen Hochpegelzustand. In dieser Situation entfernt der Ausgang des Vergleichers 13 den Strom zur Relaisspule 2 durch Einspeisen des zweiten Eingangs des "ODER"-Gatters 8 mit drei Eingängen und Auslösen der dazugehörigen Schaltung, die den Zeitgeber 11, wie vorstehend beschrieben, für die Hochtemperaturunterbrechung umfaßt.
• Da das Relais 1 zur Verwendung in Fahrzeugen beabsichtigt ist, muß die Schutzschaltung die unvermeidlichen, vorübergehenden, Niederspannungsausschläge ignorieren, die erzeugt werden, wenn der Gleichstromanlassermotor 4 erstmals eingeschaltet wird. Das Tiefpaß-RC-Filternetzwerk, das vom Widerstand 10 und Kondensator 9 bereitgestellt wird, verhindert, daß die Schutzschaltung fälschlicherweise auslöst, wenn diese Situation auftritt (die Impulslänge eines Übergangsvorgangs ist kürzer als die Zeitkonstante der Filterbauteile R und C).
• Um ausgedehnte Kontaktschwingung zu verhindern, die starke Kontakterosion oder Verschweißen verursachen kann, wird zusätzliche Schaltung einbezogen, die diesen Zustand feststellt und den Strom zur Relaisspule 2 entfernt.
• Ein fiinfstufiger "Johnson" Zähler/Teiler 14 wird jedesmal getaktet, wenn die Schaltkontakte 3 geschlossen und danach geöffnet werden. Dieses Taktsignal wird durch Abtastung der Spannung an der Ausgangsklemme des Schaltschützes 3 bereitgestellt. Das Signal ist von einem Widerstand 15 und einem Netzfilter 16 konditioniert jegliche Spannungsspitzen zu entfernen, und wird weiter durch einen Signalfilter 17 gefiltert, der ein geeignetes Taktsignal für den "Johnson" Zähler 14 liefert. Der "Johnson" Zähler 14 wird normalerweise permanent rückgestel lt. Wird jedoch die Relaisspule 2 durch Schließen des Schalters 30 bestromt, wird ein Rückstellsignal ab der Batterie (Vbat) über einen Widerstand 18, einen Netzfilter 19 und ein "ODER"-Gatter 20 mit zwei Eingängen an den "Johnson" Zähler 14 angelegt. Der "Johnson" Zähler 14 wird deshalb, während Betätigung der Relaisspule 2, durch jegliche Schwingungen der Schaltkontakte 3 getaktet, die stark genug sind, um die Verbindung zwischen den Schaltkontakten tatsächlich zu unterbrechen. Wenn die Kontakte fünfmal schwingen, so ändert der Ausgang des "Johnson" Zählers 14 seinen Logikzustand und löst den dritten Eingang des "ODER"-Gatters 8 mit drei Eingängen und danach den Eingang des Zeitgebers 11 über das Tiefpaß-RC-Filternetzwerk 9,10 aus. Dadurch wird der Strom von der Relaisspule 2 entfernt und weiterer Betrieb wird für zehn Sekunden inhibiert. Die Konstruktion der Schaltkontakte 3 ist so, daß sie sicher fünf Schwingungen innerhalb einer Zeitspanne von 10 Sekunden tolerieren, und deshalb verhindert die Schaltung ernsthaften Schaden, der auftreten würde (d.h. ernsthafte Lichtbogenbildung oder ernsthaftes Verschweißen), wenn man den Schaltkontakten 3 erlauben würde unbegrenzt unter Last zu schwingen, wie das bei normalen Schaltkontakten der Fall ist.
• Wird der Strom zur Relaisspule 2 entfernt, so wird der "Johnson" Zähler 14 rückgestellt.
• Es werden zwei Einschalt-Rückstellschaltungen 21, 22 verwendet, um den Zehn-Sekunden-Zeitgeber 11 und den "Johnson" Zähler 14 auf ihre "normalen" Zustände einzustellen, wenn die Schaltung erstmals bestromt wird.
• Eine Diode 23 und ein Widerstand 24 unterdrücken die negativen Hochspannungsspitzen, die über die Relaisspule 2 erzeugt werden, wenn die Spannung entfernt wird.

Claims (10)

1. Eine Vorrichtung zum Verhindern des Verschweißens der Schaltkontakte (3) eines elektromechanischen Relais (1) für schwere Beanspruchung, welche Vorrichtung Mittel (13) umfaßt, im Gebrauch adaptiert für die Überwachung der Spannungsversorgung zur Relaisspule (2) und Feststellen darin vorhandener Niederspannungsausschläge, ein Zähler (14) zum Zählen der Anzahl von Niederspannungsausschlägen in der genannten Spannungsversorgung zur Relaisspule (2), und Schaltmillel (12) zum Trennen der Spannungsversorgung zum Relais (1), falls die Mzahl der Niederspannungsausschläge eine vorbestimmte Anzahl überschreitet.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Schaltmittel (12) die Form eines elektronischen Schalters nimmt.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der elektronische Schalter einen MOSFET-Transistor (12) enthält.

4. Eine Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, oder 3 worin das genannte Mittel (13) für die Überwachung und Feststellung von Niederspannungsausschlägen im Zustand der Spannungsversorgung zur Relaisspule (2) weitere Mittel (9,10) umfaßt, die ermöglichen transiente Niederspannungsausschläge zu ignorieren.

5. Eine Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das Filtermittel ein RC-Filternetzwerk (9,10) mit einer geeigneten Zeitkonstante enthält.

6. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, die außerdem einen Thermosensor (5) enthält, der im Gebrauch adaptiert ist an das Klemmengehäuse eines Relais (1) montiert zu werden, um dessen Überhitzung festzustellen.

7. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, worin sich die Schaltkontakte (3) jedesmal öffnen und schließen, wenn ein Niederspannungsausschlag in der Spannungsversorgung zur Relaisspule (2) vorliegt und der Zähler (14) einen Takteingang hat, der jedesmal getaktet wird, wenn sich die Schaltkontakte (3) nach dem Mschluß einer Spannungsversorgung an die Relaisspule (2) öffnen und schließen.

8. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen vorhergehendem Anspruch, worin der Takteingang an einen der Schaltkontakte (3) über einen Signalverarbeitungskreis (15,16,17) angeschlossen ist.

9. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Mspruch, worin der Zähler (14) jedesmal rückgestellt wird, wenn Strom an die Relaisspule (2) angelegt wird.

10. Eine Vorrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, die eine Zeitgebervorrichtung (11) umfaßt, die weiteren Betrieb des Relais für eine vorbestimmte Zeit nach Betätigen des Schaltmittels (12) inhibiert, um die Relaisspule von der Stromversorgung zu trennen.