DE3925767A1

DE3925767A1 - Verfahren zum ansteuern eines elektromechanischen relais

Info

Publication number: DE3925767A1
Application number: DE19893925767
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl Ing Heuwieser; Helmut Dipl Ing Rabl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-10-25
Filing date: 1989-08-03
Publication date: 1990-04-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elek tromechanischen Relais nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektromechanische Relais sind seit langem als ideale Schaltele mente zur galvanischen Trennung zwischen einem Steuerkreis und einem Leistungskreis bekannt. Neben der Potentialtrennung zeich nen sich elektromechanische Relais unter anderem durch ihr si cheres Schaltverhalten, eine einfache Anpassung an die Steuer quelle und einen auf der Kontaktseite breiten Leistungsbereich aus. Besonders vorteilhaft bei elektromechanischen Relais ist, im Leistungskreis auch hohe Ströme schalten zu können. Da der Kontakt im Leistungskreis im allgemeinen niederohmig ist, erge ben sich im Schaltbetrieb des Relais nur geringe Verluste. Im Steuerkreis treten dagegen jedoch erhebliche Verluste der Erre gerwicklung des elektromechanischen Relais auf, die im Dauerbe trieb zu einer starken Erwärmung des gesamten Relais führen. Eine solche Eigenerwärmung des Relais kann die Funktionsfähig keit des Relais beeinträchtigen oder benachbarte Bauelemente schädigen.

Die statische Verlustleistung solcher elektromechanischen Relais kann z. B. durch Vorschalten eines Widerstandes, durch Impuls betrieb des Stromes mit einem festliegenden oder der Betriebs spannung und möglicherweise auch der Umgebungstemperatur ange paßten Taktverhältnis sowie einer analogen oder getakteten Stromregelung reduziert werden. Bei diesen bekannten Verfahren zur Stromminderung in der Erregerspule des elektromechanischen Relais setzt die Stromverminderung erst dann ein, wenn der Anker des Relais angezogen hat. Dazu wird stets ab dem Zeitpunkt des Anlegens der Betriebsspannung an die Erregerwicklung des Relais eine Zeitspanne von einigen 10 msec abgewartet, um anschließend den Strom durch die Erregerwicklung zu reduzieren. Diese Zeit spanne ist abhängig vom verwendeten Relaistyp und dessen Schalt zeit, die z. B. bei einigen msec liegen kann. Während der ange sprochenen Zeitspanne hat der Anker des funktionsfähigen Relais auf alle Fälle angezogen. Der Lastkreis ist damit geschlossen. Technisch realisiert wird eine solche Zeitspanne im allgemeinen durch ein Widerstands-Kondensator-Zeitglied. Zeitkonstanten von einigen 10 msec bedürfen relativ großer Kapazitäten. Kondensato ren großer Kapazitäten laufen jedoch dem Bestreben zuwider, mög lichst integrationsfähige Treiberschaltungen zum Ansteuern von elektromechanischen Relais zur Verfügung zu stellen. Die Konden satoren müssen nämlich extern der Treiberschaltung zugeordnet werden, was zusätzlich Kosten und Schwierigkeiten bei der Mon tage verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bisher bekannten Verfahren zum Ansteuern von elektromechanischen Relais so wei terzuentwickeln, daß der durch die Erregerwicklung fließende Strom nach dem Anziehen des Ankers ohne wesentliche Zeitverzö gerung reduziert wird, daß keine verhältnismäßig großen Kapa zitäten benötigt werden und auch bei schwankender Betriebsspan nung ein sicheres Ansteuern des elektromechanischen Relais mög lich ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß, nachdem der Anker im elektromechanischen Relais durch die magnetische Kraft erst einmal angezogen hat, der Erregerstrom wesentlich herabgesetzt werden kann, ohne daß eine Funktionsstörung auftritt. Dadurch können die Verluste in der Erregerwicklung auch bei Dauerbetrieb wesentlich reduziert und einer starken Eigenerwärmung des Relais entgegengewirkt werden. Die erfindungsgemäße Stromerfassung und Spannungserfassung an der Erregerwicklung ermöglicht es auch bei schwankender Betriebsspannung, der sogar Störimpulse überlagert sein können, die Verlustleistung im Steuerkreis zu begrenzen.

Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren in Bordnetzen von z. B. Kraftfahrzeugen und in der Industrieelektronik einzu setzen.

Als besonders vorteilhaft ist es auch anzusehen, daß das erfin dungsgemäße Verfahren mit Hilfe einer integrierten Schaltungsan ordnung durchführbar ist. Einer integriert ausgeführten Trei berschaltung werden die zum Ansteuern des elektromechanischen Relais notwendigen Regelgrößen zugeführt und mit Hilfe von Kom peratoren ausgewertet. Die Ansteuersignale für das Relais werden durch die integrierte Schaltungsanordnung bereitgestellt. Exter ne Kondensator-Widerstands-Zeitkonstanten sind nicht notwendig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer beispiel haften Ansteuerung eines elektromechanischen Relais bei schwankender Betriebsspannung.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild einer Schaltungsan ordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern eines elektromechanischen Relais zeigt einen Steuer kreis SK und einen Leistungskreis LK, die durch ein elektrome chanisches Relais REL galvanisch voneinander getrennt sind. Das elektromechanische Relais REL weist eine Erregerwicklung EW und mindestens einen Anker A auf. Fließt genügend Strom durch die Erregerwicklung EW, so wird infolge der elektromagnetischen Kraft der Anker A angezogen. In diesem Ausführungsbeispiel wird bei angezogenem Anker A der Leistungskreis LK geschlossen. Bei geschlossenem Anker A wird ein im Leistungskreis LK angeordneter Lastwiderstand RL an eine erste Spannungsquelle U _L geschaltet.

Die im Steuerkreis SK angeordnete Erregerwicklung EW des elek tromechanischen Relais REL ist durch eine Steuereinrichtung ST und einen Schalter S an eine zweite Spannung U _B schaltbar. Die Steuereinrichtung ST weist Klemmen 1, 2, 3 zur Erfassung der Spannung U _B und des durch die Erregerwicklung EW fließenden Stromes I _Rel auf. Die Spannung U _B liegt zwischen der ersten Klem me 1 und der auf Bezugspotential liegenden dritten Klemme 3 an. Der durch die Erregerwicklung EW fließende Strom I _Rel wird mit tels eines der Erregerwicklung EW in Serie geschalteten Shunt widerstandes RS erfaßt. Der durch die Erregerwicklung fließende Strom I _Rel ergibt sich aus dem Quotienten der am Shuntwiderstand abfallenden und zwischen der zweiten Klemme 2 und dritten Klemme 3 abfallenden Spannung, dividiert durch den Wert des Shuntwider standes RS. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Steuerkreis zusätzlich eine Stromverminderungseinrichtung SV angeordnet, die über eine vierte Klemme 4 der Steuereinrich tung ST ansteuerbar ist. Die Stromverminderungseinrichtung SV kann im einfachsten Fall ein durch einen Schalter überbrückbarer Widerstand oder ein Längsregeltransistor sein. Die Stromvermin derungseinrichtung SV kann auch ein Schaltregler sein. Wird die Stromverminderung durch ein Takten des Stromes bewirkt, so be steht die Stromverminderungseinrichtung aus einem Schalter, der durch die Steuereinrichtung pulsweitenmoduliert ansteuerbar ist. Bei der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Stromverminderungs einrichtung SV ist es vorteilhaft, die Erregerwicklung EW des elektromechanischen Relais REL mit einer Freilaufdiode zu ver sehen.

Mit Hilfe der im Prinzipschaltbild dargestellten Schaltungsan ordnung ist es möglich, die Spannung U _B und den durch die Er regerwicklung EW fließenden Strom I _Rel zu erfassen. Beim Über schreiten der Spannung U _B über eine vorgegebene Mindestspannung U _G und beim Überschreiten des Stromes I _Rel, der durch die Erre gerwicklung EW fließt, über einen vorgegebenen Mindeststrom I _G, wird die Stromverminderungseinrichtung SV aktiviert und der Strom durch die Erregerwicklung EW vermindert. Der Strom I _Rel wird so weit vermindert, daß der Anker A des Relais REL angezogen bleibt. Die Mindestspannung U _G und der Mindeststrom U _G stehen der Steuereinrichtung ST als Referenzgrößen zur Verfügung. Wird zwischen der ersten Klemme 1 und der dritten Klemme 3 ein Unter schreiten der Spannung U _B unter die vorgegebene Mindestspannung U _G festgestellt, so wird erfindungsgemäß die Stromverminderung aufgehoben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 2 anhand einer bei spielhaften Ansteuerung des elektromechanischen Relais bei einer Spannung U _B von 12 V, wie es z. B. in Kraftfahrzeugen vorhanden ist, dargestellt. In Fig. 2 ist ein beispielhafter zeitlicher Ver lauf einer Spannung U _B, die an den Steuerkreis zum Zeitpunkt 0 angelegt wird, und der dazugehörende zeitliche Verlauf der in der Erregerwicklung des elektromechanischen Relais fließende Strom I _Rel dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit T in msec auf getragen, während die Ordinate die Spannung U _B in V und den Strom I _Rel in mA kennzeichnet. Die Spannung U _B kann z. B. die Batteriespannung eines Kraftfahrzeuges sein, die, wie der Verlauf zeigt, zeitlichen Schwankungen unterworfen ist. Diese schwan kende Spannung U _B kann durch Ein- bzw. Ausschalten zusätzlicher Verbraucher im Stromnetz des Kraftfahrzeuges bedingt sein. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Mindestspannung U _G, z. B. 9 V, und ein Mindeststrom I _G von z. B. 120 mA festgelegt. Der Mindeststrom I _G ist vorteilhafterweise als Funktion der Spannung U _B und insbesondere, wie in Fig. 2 gezeigt, linear zur Spannung U _B gewählt. Bei der Spannung U _B von 12 V ergibt sich ein Mindest strom S _G von z. B. 120 mA.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß die Spannung U _B und der durch die Erregerwicklung fließende Strom I _Rel er faßt wird. Überschreitet die Spannung U _B die vorgegebene Min destspannung U _G und überschreitet der durch die Erregerwicklung fließende Strom I _Rel den vorgegebenen Mindeststrom I _G, so wird der durch die Erregerwicklung fließende Strom I _Rel so weit re duziert, daß der Anker des Relais angezogen bleibt, aber die Verlustleistung in der Erregerwicklung und damit die Eigener wärmung des Relais verringert wird. Sobald die Spannung U _B aber unter die vorgegebene Mindestspannung U _G sinkt, wird die Strom verminderung aufgehoben.

Anhand von Fig. 2 stellt sich das erfindungsgemäße Verfahren so dar, daß im Zeitpunkt 0 die Spannung U _B von 12 V an die Erre gerwicklung des elektromechanischen Relais angelegt wird. Da mit beginnt zunächst der Strom I _Rel durch die Erregerwicklung exponential anzusteigen bis zu dem Zeitpunkt, wo der Anker des elektromechanischen Relais durch die magnetische Kraft des durch die Erregerwicklung fließenden Stromes und dem dadurch aufgebauten elektromagnetischen Feld anzieht. Dieser Zeitpunkt ist in Fig. 2 nach etwa 5 msec erreicht und durch ein kurzes Ab klingen des Stromes (vgl. dazu das Bezugszeichen ASA) mit an schließendem Stromanstieg gekennzeichnet. Nach etwa 13 msec setzt die Stromverminderung gemäß der Erfindung ein, weil sowohl die Mindestspannung U _G als auch der Mindeststrom I _G in diesem Augenblick überschritten werden. Der durch die Erregerwicklung fließende Strom I _Rel hat den Mindeststrom zu diesem Zeitpunkt erreicht. Der Strom wird zum Zeitpunkt A 1 des Überschreitens des Mindeststromes I _G vermindert, und zwar auf einen Mindeststrom I _Min von beispielsweise 50 mA, bei dem der Anker des elektro mechanischen Relais gerade noch angezogen bleibt.

Nach 20 msec weist die Spannung U _B einen Spannungseinbruch auf 7 V auf. Die Mindestspannung U _G wird dadurch um 2 V unterschrit ten, was z. B. mittels bekannter Differenzverstärker bzw. Kompe ratoren feststellbar ist, wenn die Mindestspannung U _G als Refe renzgröße und die Batteriespannung U _B als Meßgröße zugeführt werden. Die Stromverminderung wird deshalb aufgehoben (vgl. E 1). Der durch die Erregerwicklung fließende Strom I _Rel wurde erfin dungsgemäß während der Zeitspanne R 1 vermindert.

Ähnliche Verhältnisse ergeben sich nach etwa 34 msec. Die erfin dungsgemäßen Bedingungen zum Zurückregeln des Stromes sind er neut erfüllt. Zum Zeitpunkt A 2 setzt die Stromverminderung durch die Erregerwicklung ein, um im Zeitpunkt E 2 wegen des Ab fallens der Spannung U _B unter die Mindestspannung U _G wieder auf gehoben zu werden. Der Strom wird für die Zeitspanne R 2 herabge regelt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es in einfacher Weise möglich, die Verlustleistung in der Erregerwicklung eines elektromechanischen Relais erheblich zu reduzieren. Damit kann die Eigenerwärmung des Relais deutlich herabgesetzt werden.

Bezugszeichenliste

A Anker
A 1 Anfang des 1. Regelungsvorganges
A 2 Anfang des 2. Regelungsvorganges
ASA Zeitpunkt des Ankeranziehens
E 1 Ende des 1. Regelungsvorganges
E 2 Ende des 2. Regelungsvorganges
EW Erregerwicklung des Relais
I _Rel Strom durch die Erregerwicklung
I _Min verminderter Strom
LK Leistungskreis
SK Steuerkreis
SV Stromverminderungseinrichtung
REL elektromechanisches Relais
RL Lastwiderstand
R 1 1. Regelungsvorgang
R 2 2. Regelungsvorgang
RS Shuntwiderstand
U _B zweite Spannung
U _L erste Spannung
1, 2, 3, 4 Klemmen der Steuereinrichtung
ST Steuereinrichtung
T Zeit
S Schalter

Claims

1. Verfahren zum Ansteuern eines elektromechanischen Relais durch Anlegen einer Spannung U _B an eine Erregerwicklung des elektromechanischen Relais, dessen Anker dadurch anzieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung U _B und der durch die Erregerwicklung fließende Strom I _Rel erfaßt werden, daß beim Überschreiten der Spannung U _B über eine vorgegebene Mindestspannung U _G und beim Überschreiten des durch die Erregerwicklung fließenden Stromes I _Rel über einen vorgegebenen Mindeststrom I _G der Strom I _Rel so vermindert wird, daß der Anker des Relais angezogen bleibt, und daß beim Unter schreiten der Spannung U _B unter die vorgegebene Mindestspannung U _G die Stromverminderung aufgehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stromverminderung durch getaktetes Anlegen der Spannung U _B an die Erregerwicklung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stromverminderung durch Vorschalten eines Widerstandes an die Erregerwicklung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindeststrom I _G als Funktion der Spannung U _B und insbesondere linear zur Spannung U _B gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Erregerwick lung des Relais fließende Strom I _Rel mittels Shuntwiderstand erfaßt wird.