CN103262198B - 用于电磁继电器的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于具有继电器线圈（11）和开关触点的电磁继电器的驱动电路（10），具有第一开关装置（13a），其布置在继电器线圈（11）的第一接头和第一电压源（12a）之间；第二开关装置（13b），其布置在继电器线圈（11）的第二接头和零电势之间；以及控制装置（14），其被构造为，为了产生流过继电器线圈（11）的电流闭合两个开关装置（13a，13b）。为了提供一方面具有尽可能短的响应时间并且另一方面能够结构简单且由此低成本地制造的驱动电路，建议设置第二电压源（12b），所述第二电压源经由第三开关装置（13c）与继电器线圈（11）的第一接头连接，其中第三开关装置（13c）与第一开关装置（13a）并联地布置，并且第二电压源（12b）具有比第一电压源（12a）更高的电压电平；并且所述控制装置（14）被构造为，为了产生流过继电器线圈（11）的电流首先闭合所有三个开关装置（13a，13b，13c），并且在预定的持续时间结束之后，一方面再次断开第三开关装置（13c）并且另一方面保持第一和第二开关装置（13a，13b）闭合。

Description

用于电磁继电器的驱动电路

技术领域

本发明涉及一种用于具有继电器线圈和开关触点的电磁继电器的驱动电路，具有在继电器线圈的第一接头和第一电压源之间布置的第一开关装置、在继电器线圈的第二接头和零电势之间布置的第二开关装置以及控制装置，其被构造为，为了产生流过继电器线圈的电流闭合两个开关装置。

背景技术

为了执行被控制的开关操作通常在电设备中采用电磁继电器。电磁继电器通常由继电器线圈和至少一对电开关触点组成。如果电流流过继电器线圈，则围绕继电器线圈产生磁场，由此（在所谓的自主断开的继电器中）引起继电器触点的闭合，从而电流可以流过继电器触点。如果流过继电器线圈的电流再次中断，则继电器触点的可运动的部分（例如借助弹簧装置）运动回到其起始位置，这引起继电器触点的断开并且流过其的电流中断。在自主闭合的继电器中，触点在继电器线圈无电流的状态下闭合并且在流过电流的状态下断开。

通常在如下位置采用电磁继电器，在该位置借助来自于驱动电路的相对小的控制电流来接通或断开在开关电路中相对较大的电流，和/或在如下位置采用电磁继电器，在该位置应当实现在驱动电路和开关电路之间的电分离。在该情况下，电磁继电器构成驱动电路和开关电路的电退耦。

电磁继电器例如在电保护设备中用于监视供电网，以便在供电网中发生故障（例如短路）的情况下，通过闭合所谓的“命令继电器”的继电器触点来触发电功率开关，并且由此中断故障电流。电磁继电器在保护设备中的另一种应用可能性在所谓的二进制输出中给出，在这里通过接通或断开继电器能够产生具有高信号电平（二进制“1”）或低信号电平（二进制“0”）的二进制通信信号。在安全关系重大的领域中使用电磁继电器时最重要的是，可靠地防止不期望的接通或断开，以便一方面在故障情况下确保高的可靠性，以及另一方面避免产生开销的错误触发。

可以如下地实现电磁继电器的驱动电路的尽可能无故障的构造，使继电器线圈不是只通过唯一的、可能易于产生错误的开关装置来驱动，而且取而代之通过两个位于继电器线圈的电流路径中的开关装置来驱动。由此仅在两个开关装置同时闭合时才驱动继电器线圈。只要断开一个开关装置，就中断流过继电器线圈的电流。由此针对继电器线圈的不期望的激活实现了驱动的相对高的可靠性，因为一个有缺陷的持续短路的开关装置不能单独引起继电器线圈的不期望的激活。这样的开关布置例如由国际专利申请WO2009/062536A1公开，从中得知一种用于驱动电磁继电器的开关布置，其中具有两个开关装置的继电器线圈这样布置在电流路径中，使得在继电器线圈的两个接头上分别设置了开关装置中的一个。通过驱动电路，闭合两个开关装置以用于产生流过继电器线圈的电流，而断开两个开关装置以用于中断电流。

在一些应用情况下，对电磁继电器提出如下要求，即在电流流过继电器线圈的情况下具有尽可能短的响应时间，即极其快速地触发继电器的开关触点的开关操作。例如对这样的继电器提出所述要求，其用于电保护或控制设备的二进制输出端，因为这样的二进制输出端用于向其它设备，例如另外的保护或控制设备传输信息，并且为此应当保持信号运行时间尽可能短。因此，从电磁继电器的驱动至其开关触点的最终闭合的持续时间必须尽可能短。

为了实现具有尽可能短的响应时间的电磁继电器，例如由德国公开文件DE10203682A1公开了与电磁继电器的开关触点并行地使用半导体开关，其由于没有机械运动部件而具有极其快速的响应时间，并且可以确保产生电流直至最终闭合电磁继电器的开关触点。为此，在该情况下必须将这样的半导体开关构造为，能够流过相对高的电流，因为开关电路的总电流必须流过半导体开关直至继电器的开关触点闭合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种上面提到的类型的驱动电路，该驱动电路一方面具有尽可能短的响应时间，并且另一方面能够结构简单并且由此低成本地制造。

按照本发明，上述技术问题通过通用的驱动电路来解决，在该驱动电路中设置第二电压源，该第二电压源经由第三开关装置与继电器线圈的第一接头连接，其中第三开关装置与第一开关装置并联地布置并且第二电压源具有比第一电压源更高的电压电平，并且控制装置被构造为，为了产生流过继电器线圈的电流首先闭合所有三个开关装置，并且在预定的持续时间结束之后一方面再次断开第三开关装置并且另一方面保持第一和第二开关装置闭合。

按照本发明的驱动电路的特别的优点在于，仅仅通过设置具有比第一电压源更高的电压电平的第二电压源和在短持续时间中应用相应驱动的继电器线圈的第三开关装置可以传送更高的电压（并且由此驱使流过继电器线圈的较高的电流），从而其能够促使相对快速地接通开关触点。只要开关触点闭合，就可以使用第一电压源的电压电平作为保持电压，方法是通过断开第三开关装置再次将第二电压源与继电器线圈分离。

在此，可以通过彼此分开地与驱动电路相连的电压源来构成两个电压源，或者可以将唯一的电压源的电压分成两个电压电平，其中较低的电压电平用于第一电压源，而较高的电压电平用于第二电压源。开关装置例如可以构造为半导体开关（晶体管、MOSFET等）。

按照本发明的驱动电路的优选的实施方式，控制装置被构造为，为了驱动开关装置，产生单独的开关信号，其中开关信号经由彼此分开的信号路径向开关装置传送。

通过这种方式可以进行开关装置的多通道驱动，从而中断信号路径中的一个不会对所有开关装置产生影响。

就此而言，此外还可以或者在控制装置与第一和第三开关装置之间的信号路径中或者在控制装置与第二开关装置之间的信号路径中设置信号反向器（Signalinvertierer），其反转各个开关信号，并且控制装置被构造为，经由配备有信号反向器的信号路径为了闭合各个开关装置分别传送反向的开关信号。

由此可以有利地确保，由于从外部引入的干扰，例如电磁干扰对各个信号路径的影响不以相同的方式对在信号路径中传送的开关信号产生影响，并且由此不会导致电磁继电器的开关触点的不期望的接通。在该实施方式中，从外部引入的干扰更多是分别恰好对立地对在继电器线圈的两个接头上的开关装置产生影响，从而有效地避免了所有开关装置的不期望的同时接通和与之相连地产生流过继电器线圈的电流。

此外，为了能够监视继电器线圈以及各个开关装置的工作性能，按照本发明的驱动电路的另一种实施方式建议，与第一和第二开关装置并联地分别设置电阻，其电阻值这样选择，使得流过至少一个电阻和流过继电器线圈的电流不引起继电器的开关触点的响应，控制装置被构造为用于向各个开关装置发送检验信号序列，其中由控制装置在同一时间对于各一个开关装置仅产生一个检验信号，并且设置监视装置，该监视装置一方面与在继电器线圈和第一开关装置之间的第一电压抽头相连，而另一方面与在继电器线圈和第二开关装置之间的第二电压抽头相连，并且被构造为用于监视在第一和第二电压抽头上的电压。

具体地，在此监视装置可以被构造为用于输出输出信号，该输出信号报告了在第一或第二电压抽头上各自测量的电压与各自的比较电压的偏差。

由此以相对简单的措施通过将在各个电压抽头上测量的电压与各自的比较电压相比较推断出继电器线圈和开关装置的工作性能。

在此，按照本发明的驱动电路的另一种优选的实施方式，监视装置包括两个比较器，向其输入端分别一方面施加各个电压抽头的电压，而另一方面施加比较电压，并且比较器的输出端与或门元件连接，在该或门元件的输出端可以量取输出信号。

由此可以以相对简单的电子部件以两个比较器和一个或门元件的形式实现用于驱动电路的监视装置。

附图说明

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。附图中：

图1示出了电磁继电器的驱动电路的实施例的原理图，

图2示出了用于解释驱动电磁继电器的开关信号的开关变化的线图，

图3示出了用于解释监视电磁继电器的驱动电路的检验信号的变化的线图。

具体实施方式

图1示出了电磁继电器的驱动电路10的实施例的原理图，对于该继电器在图1中为更清楚起见仅示出了继电器线圈11。此外，电的继电器还具有在图1中未示出的开关触点，其在存在流过继电器线圈11的电流的情况下可以执行开关操作。这样的开关触点例如可以应用为用于驱动功率开关的命令继电器的开关触点或者应用为用于监视和控制供电网的电保护设备的二进制的通信输出端的开关触点。

在处于电压电平U₁的第一电压源12a和继电器线圈11之间布置第一开关装置13a。此外，第二开关装置13a位于在继电器线圈11和零电势之间的电流路径中。此外设置处于电压电平U₂的第二电压源12b，其经由与第一开关装置13a并联地布置的第三开关装置13c与继电器线圈11相连。开关装置13a、13b、13c例如可以是半导体开关，例如晶体管。

控制装置14用于驱动开关装置13a、13b和13c。如在图1中所示，控制装置可以由唯一的逻辑电路组成，例如由相应编程的ASIC或FPGA组成；但与按照图1的示图不同，控制装置14也可以由单独的分别配备给各个开关装置13a、13b、13c的逻辑电路组成。

为了控制开关装置13a、13b、13c，由控制装置14产生开关信号S₁、S₂、S₃，其中开关信号S₁用于控制第一开关装置13a、开关信号S₂用于控制第二开关装置13b并且开关信号S₃用于控制第三开关装置13c。将开关信号S₁、S₂、S₃经由彼此分开的单独的信号路径输送到各自的开关装置13a、13b、13c，从而实现了多通道性以及由此各个开关信号的独立性，并且防止在一个开关信号故障或一个信号路径中断的情况下实施电磁继电器的可能不期望的开关操作。此外，在从控制装置14向第一和第三开关装置13a或13c传送的开关信号S₁和S₃的信号路径中设置信号反向器15a和15b，其反转由控制装置14分别输出的开关信号S₁或S₃，并且将相应反转的开关信号继续传送到各自的开关装置13a或13c。在该情况下，开关信号的反转意味着二进制的开关信号的信号电平这样反向，即在反转之前位于高信号电平（二进制“1”）的开关信号在反转之后转换为具有低信号电平（二进制“0”）的开关信号，并且反之亦然。设置将开关信号S₁和S₃的信号反转的信号反向器15a和15b是用于最小化外部干扰的有害影响，例如由于驱动电路电磁影响引起的外部干扰，否则其会以类似方式耦合到开关信号S₁、S₂、S₃的信号路径中，并且会引起对继电器线圈的不期望的驱动。通过信号反向器15a、15b可以很大程度上防止开关信号S₁、S₂、S₃的信号路径的这种类似方式的影响，因为通过信号反转，外部干扰总是以相反的方式一方面对第一和第三开关装置13a、13c而另一方面对第二开关装置13b产生影响。

下面参考图2详细解释在驱动继电器线圈11的情况下的驱动电路10的工作原理。图2为此示出了如下线图，其给出了开关装置13a、13b、13c的开关信号S₁、S₂、S₃的信号变化以及通过继电器线圈11驱动的开关触点的相应反应（“继电器接通/断开”）。

在利用t₁标记的第一时间点之前，由控制装置14向各个开关装置13a、13b、13c输出具有高信号电平的第一开关信号S₁、具有低信号电平的第二开关信号S₂和具有高信号电平的第三开关信号S₃。通过信号反向器15a和15b将第一开关信号S₁和第三开关信号S₃如上面描述的那样反转，并且以这种反转的形式传送到开关装置13a或13c，从而最终在第一时间点t₁之前向所有三个开关装置13a、13b、13c输送具有低信号电平的开关信号，从而所有三个开关装置保持在断开位置。相应地，在第一时间点t₁之前的继电器的开关触点位于断开状态，如从线图下部曲线中可得出的那样。

在时间点t₁，通过相应地改变开关信号S₁、S₂、S₃的电平来接通三个开关装置13a、13b、13c。具体而言，第一以及第三开关信号S₁和S₃在时间点t₁呈现低信号电平，而第二开关信号S₂在时间点t₁呈现高信号电平。由于反转开关信号S₁和S₃，从时间点t₁开始向所有三个开关装置13a、13b、13c输送具有高信号电平的开关信号，从而接通所有的开关装置13a、13b、13c。

由此实现了流过继电器线圈11的电流，该电流最终引起电磁继电器的开关触点的接通。因为在时间点t₁出现的电流由于被接通的第三开关装置13c而通过具有较高电压电平U₂的第二电压源12b引起，则该电流在时间点t₁接通继电器时是相对高的，并且引起开关触点的加速闭合，方法是继电器线圈11根据流经的相对高的电流产生相对强的磁场，该磁场用于快速接通电磁继电器的开关触点。二极管16防止电流从高电压电平U₂流向第一电压源12a的较低的电压电平U₁。

在预定的持续时间结束之后，该持续时间尤其根据继电器的接通时间决定并且位于几毫秒的数量级中，控制装置14在时间点t₂改变第三开关信号S₃的信号电平，由此断开第三开关装置13c。在第三开关装置13c断开之后，现在在继电器线圈11上仅还施加第一电压源12a的较低的电压电平U₁并且提供电流继续流过继电器线圈11，并且由此继续接通继电器的开关触点。因为在该时间点继电器触点已经被加速接通，所以较低的电压电平U₁足以保持电流流过继电器线圈11。

在时间点t₃，控制装置14改变第一和第二开关信号S₁和S₂的信号电平，从而也断开第一和第二开关装置13a或13b并且使流过继电器线圈的电流（尽可能）停止。因此，从时间点t₃开始断开电磁继电器的开关触点。

通过按照图1的驱动电路10，除了加速接通电磁继电器的开关触点之外也可以监视三个开关装置13a、13b、13c以及继电器线圈11的工作性能。为此一方面设置两个电阻17a和17b，其分别与第一开关装置13a和第二开关装置13b并联地布置，从而持续地通过第一电压源12a的电压电平U₁引起流过继电器线圈11和两个电阻17a和17b的电流。但是，为了使得该电流不会引起电磁继电器的开关触点的不期望的接通，电阻17a和17b关于其电阻值这样高地设定，使得流过继电器线圈11的电流极小，而不能引起电磁继电器的开关触点的接通。

通过电阻17a和17b，在位于继电器线圈11的两侧的电压抽头18a和18b上设置了在开关装置13a、13b、13c断开的情况下的定义的电压电平，因为在该情况下固定电阻17a、17b以及继电器线圈11的欧姆电阻值构成分为三部分的分压器，通过该分压器明确规定了在电压抽头18a和18b上的电压电平。

在电压抽头18a和18b上连接监视装置19，其测量在电压抽头18a和18b上存在的电压并且监视偏差，并且在输出端侧产生输出信号A，该输出信号指出，至少一个在电压抽头18a和18b上的电压是否与通过电阻17a和17b设置的电压电平偏差。

具体地，监视装置19可以由两个比较器20a和20b以及逻辑或门元件21构成。向第一比较器20a的输入侧传送在第一电压抽头18a上测量的电压。此外，向第一比较器20a的比较输入端传送比较电压U_V1，其值相应于在开关装置13a、13b、13c打开的情况下通过电阻17a和17b在第一电压抽头18a上设置的电压。相应地，向第二比较器20b的输入侧传送在第二电压抽头18b上测量的电压。此外，向第二比较器20b的比较输入端传送比较电压U_V2，其值相应于在开关装置13a、13b、13c打开的情况下通过电阻17a和17b在第二电压抽头18b上设置的电压。两个比较器20a、20b在输出侧与逻辑或门元件21相连。

如果在第一电压抽头18a上施加的电压和第一比较电压U_V1之间存在偏差，则第一比较器20a在输出侧输出信号。如果在第二电压抽头18b上施加的电压和第二比较电压U_V2之间存在偏差，则第二比较器20b在输出侧输出信号。优选地，第一比较器20a实施为反相比较器并且第二比较器20b实施为非反相比较器。在该情况下，两个比较电压U_V1和U_V2可以正向地实施，并且同时可以监视在电压抽头18a和18b上的电压是大于还是小于比较电压U_V1和U_V2。

如果至少一个比较器的信号报告了所测量的电压与各自的参考电压偏差，则或门元件21在输出侧输出输出信号。

为了执行开关装置13a、13b、13c的工作性能监视，由控制装置14经由开关信号的信号路径在开关装置13a、13b、13c上产生短的检验信号P₁、P₂和P₃，这些检验信号在时间上不重叠，并且促使其相应的开关装置13a、13b、13c短时地接通。输出检验信号的持续时间典型地是几毫秒。

以下参考图3来解释监视开关装置13a、13b、13c的过程。在图3中为此示出了如下线图，其呈现了由控制装置14输出的检验信号P₁、P₂和P₃的信号序列以及由监视装置19输出的输出信号A的相应变化。

所述监视仅能在继电器线圈11断开时进行。在该情况下由控制装置14产生检验信号P₁作为检验信号序列的第一检验信号，并且将其传送到第一开关装置13a。因为在至第一开关装置13a的信号路径中布置了信号反向器15a，所以检验信号P₁必须相应地具有低信号电平，以便在其反转之后接通第一开关装置13a。通过接通第一开关装置13a来桥接电阻17a，从而在第一电压抽头18a上的电压电平升高到第一电压源12a的电压电平U₁。相应地也改变在第二电压抽头18b上的电压电平，从而之后在两个比较器20a和20b的输出侧产生信号，并且监视装置19的输出信号A相应地报告所测量的电压电平与比较电压的偏差。当输出信号A作为对第一检验信号P₁的响应出现时，该输出信号A可以被传送到图1中未示出的分析单元，该分析单元同样识别第一检验信号P₁的输出，并且推断出第一开关装置的工作性能。分析单元也可以集成在控制装置14中。

相应地，产生检验信号P₂和P₃作为由控制装置14输出的检验信号序列的另外的检验信号，并且将其传送到其各自的开关装置13b或13c。对于具有工作性能的开关装置13b或13c，该检验信号P₂或P₃中的每一个改变在电压抽头18a或18b上的电压电平，从而由监视装置19输出相应的输出信号A作为响应，该输出信号被传送到分析单元，其由此识别到开关装置的工作性能。

在图3中在第三检验序列31中示出了不能工作的第二开关装置13b的情况。在此，第二检验信号P₂由于第二开关装置13b损坏而不能接通并且由此不能改变在电压抽头18a和18b上的电压电平。相应地不能产生指出与比较电压偏差的输出信号A。分析单元识别出，缺少输出信号A对检验信号P₂的预计的反应（图3中位置32），并且因此推断出第二开关装置13b损坏。这例如可以以报警信号或故障消息的形式通知驱动电路10的使用者（例如嵌入了驱动电路的保护设备的使用者）。

继电器线圈11损坏的情况也可以通过监视装置19识别。在该情况下，由于继电器线圈11中的电线断裂使电流不能流过继电器线圈11，从而在电压抽头18a和18b上的电压电平与其比较电压持续地偏差。同样，桥接继电器线圈11的绕组（例如由于绕组的损坏的绝缘体）导致继电器线圈11的电阻值改变，该电阻值改变可以在电压抽头18a和18b上的持续变化的电压电平中反映出来，并由此也可被识别。

Claims (7)

1.一种用于具有继电器线圈(11)和开关触点的电磁继电器的驱动电路(10)，具有：

-第一开关装置(13a)，其布置在继电器线圈(11)的第一接头和第一电压源(12a)之间；

-第二开关装置(13b)，其布置在继电器线圈(11)的第二接头和零电势之间；以及

-控制装置(14)，其被构造为，为了产生流过继电器线圈(11)的电流闭合两个开关装置(13a，13b)；

其特征在于，

-设置第二电压源(12b)，所述第二电压源经由第三开关装置(13c)与继电器线圈(11)的第一接头连接，其中第三开关装置(13c)与第一开关装置(13a)并联地布置，并且第二电压源(12b)具有比第一电压源(12a)更高的电压电平；并且

-所述控制装置(14)被构造为，为了产生流过继电器线圈(11)的电流，首先闭合所有三个开关装置(13a，13b，13c)，并且在预定的持续时间结束之后，一方面再次断开第三开关装置(13c)并且另一方面保持第一和第二开关装置(13a，13b)闭合。

2.根据权利要求1所述的驱动电路(10)，其特征在于，

-所述控制装置(14)被构造为，为了驱动开关装置(13a，13b，13c)，产生单独的开关信号(S₁，S₂，S₃)，其中所述开关信号(S₁，S₂，S₃)经由彼此分开的信号路径向开关装置(13a，13b，13c)传送。

3.根据权利要求2所述的驱动电路(10)，其特征在于，

-或者在控制装置(14)与第一开关装置(13a)之间和控制装置(14)与第三开关装置(13c)之间的信号路径中设置信号反向器(15a，15b)，其分别反转对应的开关信号(S₁，S₃)，或者在控制装置(14)与第二开关装置(13b)之间的信号路径中设置信号反向器，其反转对应的开关信号(S₂)；并且

-所述控制装置(14)被构造为，经由配备有信号反向器的信号路径为了闭合各个开关装置分别传送反向的开关信号。

4.根据上述权利要求中任一项所述的驱动电路(10)，其特征在于，

-与第一和第二开关装置(13a，13b)并联地分别设置电阻(17a，17b)，其电阻值这样选择，使得流过至少一个电阻(17a，17b)和流过继电器线圈(11)的电流不引起继电器的开关触点的响应；

-所述控制装置(14)被构造为用于向各个开关装置(13a，13b，13c)发送检验信号(P₁，P₂，P₃)序列，其中由控制装置(14)在同一时间对各一个开关装置(13a，13b，13c)仅产生一个检验信号(P₁，P₂，P₃)；并且

-设置监视装置(19)，所述监视装置一方面与在继电器线圈(11)和第一开关装置(13a)之间的第一电压抽头(18a)相连，而另一方面与在继电器线圈(11)和第二开关装置(13b)之间的第二电压抽头(18b)相连，并且被构造为用于监视在第一和第二电压抽头(18a，18b)上的电压。

5.根据权利要求4所述的驱动电路(10)，其特征在于，

-所述监视装置(19)被构造用于输出输出信号(A)，所述输出信号指示在第一或第二电压抽头(18a，18b)上各自测量的电压与各自的比较电压的偏差。

6.根据权利要求4所述的驱动电路(10)，其特征在于，

-所述监视装置(19)包括两个比较器，向其输入端分别一方面施加各个电压抽头(18a，18b)的电压而另一方面施加比较电压；并且

-所述比较器的输出端与或门元件连接，在该或门元件的输出端可以量取输出信号(A)。

7.根据权利要求5所述的驱动电路(10)，其特征在于，

-所述监视装置(19)包括两个比较器，向其输入端分别一方面施加各个电压抽头(18a，18b)的电压而另一方面施加比较电压；并且

-所述比较器的输出端与或门元件连接，在该或门元件的输出端可以量取输出信号(A)。