DE202004008137U1 - Elektronisches Relais - Google Patents

Abstract

Elektronisches Relais (1) mit einem von einem Steuerbaustein (4) schaltbaren Leistungsteil (3) mit einem Spannungseingang (5) für eine Versorgungsspannung (U_V) im Niedervoltbereich, insbesondere im DC12V- oder DC24V-Bereich, und mit einem Lastausgang (6) zum Anschluß einer Last (7), gekennzeichnet durch ein an einem Signalausgang (U_S) des Steuerbausteins (4) abgreifbares Analogsignal, das den aktuellen Laststrom (I_L) abbildet.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Relais mit einem von einem Steuerbaustein schaltbaren Leistungsteil mit einem Spannungseingang für eine Versorgungsspannung und mit einem Lastausgang zum Anschluss einer Last. Unter Versorgungsspannung wird hierbei insbesondere eine solche im Niedervoltbereich, beispielsweise im DC12V- oder DC24V-Bereich, verstanden.
• Ein solches elektronisches Relais wird häufig zur Absicherung und zum fernsteuerbaren Schalten sowie zur Diagnose von Stromkreisen elektrischer Anlage eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Anlagentechnik und der Fahrzeugelektronik ermöglicht das elektronische Relais ein indirektes Schalten der Lastkreise von elektrischen Verbrauchern und Zusatzkomponenten in Verbindung mit einer Überwachung und Absicherung des jeweiligen Lastkreises im Überlast- und/oder Kurzschlussfall.
• Das von der Firma E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH unter der Bezeichnung „Smart Power Relais" hergestellte und vertriebene Relais mit kubischer oder flacher Bauform beinhaltet für einen Betriebsspannungsbereich von DC9V bis DC32V und insbesondere für den Anschluss von DC12V- und DC24V-Lasten bzw. -Versorgungsspannungen die Kombination einer ausschließlich elektronischen Relaisfunktion mit einem zusätzlichen Überlast- und Kurzschlussschutz. Dabei wird ab typisch dem 1,3-fachen des Nennstroms (1,3 × I_N) der Strom nach einer vorgegebenen Zeit abgeschaltet, die je nach Anwendung im Bereich zwischen 50ms bis 200ms gewählt werden kann.
• Bei einem Kurzschluss wird der hohe Kurzschlussstrom zunächst begrenzt und innerhalb einer Millisekunde abgeschaltet. Der zum Einschalten der Last benötigte Steuerstrom für das elektronische Relais, der im mA-Bereich liegt, reduziert die benötigte Ansteuerleistung auf ein Minimum. Die in festen Stromstärken von 1A bis 25A verfügbaren elektronischen Relais ermöglichen ein verschleiß- und geräuschfreies Schalten hoher Einschaltströme von Motoren, Lampenlasten und kapazitiven Verbrauchern. Für die Überwachung des Zustands von Lastleitungen verfügt das elektronische Relais über Status- und Diagnosefunktionen. So können eine Ansteuermeldung und/oder eine Summenfehlermeldung angezeigt oder auch jeweils als Statusausgang an ein übergeordnetes Steuer- oder Managementsystem rückgemeldet werden.
• Bei dem bekannten Relais ist eine weitere Diagnosefunktion in Form eines Analogausgangs vorgesehen. Das dort abgreifbare analoge Spannungssignal im Bereich von 0V bis 5V ist bei den in dem elektronischen Relais üblicherweise eingesetzten kurzschlussfesten Leistungshalbleitern (Protected Field Effect Transistor), die für Lastströme bis zu 500A bei Raumtemperatur ausgelegt sind, im normalen Toleranzbereich nutzbar für Last- oder Nennströme bis 50A.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Relais der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem das Analogsignal auch für vergleichsweise kleine Nenn- oder Lastströme, insbesondere für Lastströme von kleiner 50A, nutzbar ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu bildet ein an einem Signalausgang des Steuerbausteins abgreifbares Analogsignal den aktuellen Laststrom ab. Zur Nutzung dieses laststromproportionalen Analogsignals ist zweckmäßigerweise ein Verstärkerbaustein vorgesehen, dem das am Signalausgang des Steuerbausteins des elektronischen Relais abgreifbare laststromproportionale Analogsignal zugeführt ist und an dem ausgangsseitig ein Steuersignal abgreifbar ist, das den aktuellen Laststrom zuverlässig abbildet.
• Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das bei einem elektronischen Relais der eingangs genannten Art bereits zur Verfügung stehende laststromproportionale Analogsignal auch bei kleinen Nennströmen unterhalb von 50A, insbesondere von 1A bis 25A, zur Abbildung des aktuellen Laststroms genutzt und zu Steuerzwecken für das elektronische Relais selbst oder ein übergeordnetes Steuersystem herangezogen werden kann, wenn das an sich für die Laststromabbildung oder -spiegelung nicht nutzbare Analogsignal in geeigneter Weise aufbereitet wird. Für eine solche Aufbereitung eignet sich besonders eine entsprechende Verstärkerschaltung, deren Ausgangssignal dann zu Diagnose- und/oder Steuerzwecken geeignet ist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur in einem Blockschaltbild ein elektronisches Relais mit einem von einem Steuerbaustein schaltbaren Leistungsteil sowie mit einer Verstärkerschaltung zur Aufbereitung eines laststromproportionalen Analogsignals.
• Die Figur zeigt das elektronische Relais 1 mit in einem ersten Funktionsbaustein 2 einem Leistungsteil 3 in Form eines Feldeffekttransistors (FET), insbesondere eines Protected Field Effect Transiastors, und einem Steuerbaustein 4. Der FET 3 ist drainseitig an einen Spannungseingang 5 (LINE₊) für eine Betriebs- oder Versorgungsspannung U_V und sourceseitig an einen Lastausgang 6 (LOAD) geführt, an dem ein Verbraucher oder eine Last 7 anschließbar ist. Die Versorgungsspannung beträgt beispielsweise U_V = 12V (DC) oder U_V = 24V (DC). Gateseitig ist der FET 3 mit einem Steuerausgang S_A verbunden. Der Steuerbaustein 4 ist zudem an einen Ground- oder Masseanschluß 8 (GND) geführt.
• Ein mit dem Steuerbaustein 4 verbundener Analogausgang U_S ist über eine Diode D1 zur Spannungsstabilisation und Stromdetektion sowie über einen ohmsche Widerstände R2 an einen Eingang E₍₊₎ eines Verstärkerbausteins 9 geführt. Zur Realisierung einer Temperaturkompensation sind zwischen einem Abgriff zwischen der Diode D1 und dem Widerstand R2 und Masse ein NTC-Widerstand R_T und ein Widerstand R1 parallel sowie hierzu in Reihe ein Widerstand R3 geschaltet. Ein am Eingang E₍₊₎ des zweckmäßigerweise als Operationsverstärker ausgeführten Verstärkerbausteins 9 ist ein Kondensator C gegen Masse geschaltet, der in Verbindung mit dem Widerstand R2 ein RC-Glied bildet. Dieses wirkt als Filter für die Regelung der Eingangsspannung des Verstärkerbausteins 9.
• Zur Einstellung der Verstärkung ist der weitere Eingang E_(–) des Verstärkerbausteins 9 über einen Widerstand R4 an den Ausgang A des Verstärkerbausteins 9 geführt. Der Ausgang A des Verstärkerbausteins 9 ist zudem über einen Widerstand R5 gegen Masse und über eine Diode D2 an einen Spannungsversorgung eines nachfolgend beschriebenen Funktionsbausteins 16 geführt. Diese Betriebsspannung U_B des Verstärkerbausteins 9 wird begrenzt auf typisch U_B = 43V.
• Der Verstärkerbaustein 9 liefert an dessen Ausgang A ein auswertbares Steuersignal S_I, das den über die Last 7 fließenden Laststrom I_L wiederspiegelt und diesem proportional ist. Ausgangsseitig ist der Verstärkerbaustein 9 an eine Normschnittstelle 10 geführt. Diese wandelt das am Verstärkerbaustein 9 ausgangsseitig abgreifbare Steuersignal S, in ein Stromsignal, ein Spannungssignal oder ein digitales Taktsignal um. Das an der Normschnittstelle 10 abgreifbare Steuersignal S_N (U(I)) kann an eine übergeordnete Steuerung geführt werden. Dieses wiederum dem über die Last 7 fließenden Laststrom I_L proportionale Steuersignal S_N ist ein Stromsignal mit Stromwerten von 0mA bis 20mA oder 4mA bis 20mA bzw. ein Spannungssignal mit Spannungswerten zwischen 0V und 5V, 1V und 5V, 0V und 10V oder 2V und 20V oder ein digitales Signal bzw. eine digitale Schnittstelle. Der jeweilige Wert dieses Strom- oder Spannungssignals S_N ist dabei proportional zum jeweiligen, tatsächlich über die Last 7 fließenden Laststrom I_L.
• Der Ausgang A des Verstärkerbausteins 9 ist des weiteren über einen Funktionsbaustein 11 zur Überlast- und/oder Kurzschlusserkennung sowie über ein Zeitglied 12 und einen Verknüpfungsbaustein 13 in Form eines UND-Gliedes mit einem an den Steuerbaustein 4 geführten Steuereingang S_E des Funktionsbausteins 2 verbunden.
• Im Überlastfall, bei dem ein Überstrom z. B. das 1,3-fache des Nennstroms I_N überschreitet, wird das Zeitglied 12 gestartet. Nach beispielsweise t = 200ms wird ein Abschaltsignal S_AUS an den Verknüpfungsbaustein 13 geführt. Im Kurzschlussfall erfolgt zuvor eine vom FET-Typ abhängige Strombrenzung auf ca. das 15-fache des Nennstroms I_N, wobei dann bereits nach beispielsweise t = 0,1 ms bis t = 1 ms ein entsprechendes Abschaltsignal S_AUS an den Verknüpfungsbaustein 13 geführt wird. Demzufolge wird im Überlast- oder Kurzschlussfall unabhängig davon, ob an diesem Verknüpfungsbaustein 13 ein externes Ein- oder Ausschaltsignal EIN/AUS (IN₊) anliegt, dem Steuerbaustein 4 ein Ausschaltsignal zugeführt. Der Steuerbaustein 4 sperrt dann über dessen Steuerausgang S_A das Leistungsteil 3 mit der Folge, dass die Last 7 abgeschaltet wird.
• Das hinter dem Zeitglied 12 abgreifbare Ausschaltssignal S_AUS wird auch einem Funktionsbaustein 14 zur Fehler- und Statusmeldung zugeführt. Diesem Funktionsbaustein 14 wird des weiteren ein einen Drahtbruch signalisierendes Meldesignal E_{D B} zugeführt, das von einem entsprechenden Funktionsbaustein 15 zur Ermittlung eines Mindestlaststroms erzeugt wird. Dieser Funktionsbaustein 15 ist ebenfalls mit dem Verstärkerbaustein 9 ausgangsseitig verbunden. Der Funktionsbaustein 15 erfaßt dabei das Unterschreiten des Laststroms I_L unterhalb eines bestimmten Schwellwertes, der zweckmäßigerweise bei kleiner 0,2 × I_N und somit unterhalb von etwa 20% des Nennstroms I_N liegt. Der Funktionsbaustein 15 erfaßt somit einen Drahtbruch im eingeschalteten Zustand des elektronischen Relais 1, bei dem der Laststrom I_L über den Verbraucher 7 fließt.
• Zur Detektion eines Drahtbruchs im ausgeschalteten Zustand ist der Lastausgang 6 des Funktionsbausteins 2 über einen Funktionsbaustein 16 an die Spannungsversorgung U_B des Verstärkerbausteins 9 geführt. Der Funktionsbaustein 16 liefert im Falle eines Drahtbruchs im ausgeschalteten Zustand ein Meldesignal A_{D B} an den Funktionsbaustein 14, der eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt. Am Funktionsbaustein 14 ist zudem eine Ansteuermeldung AS und eine Summen fehlermeldung SF abgreifbar. Beide Meldungen AS, SF können dort auch mittels LED's am Gerät separat angezeigt werden.
• An diesen Funktionsbaustein 14 zur Fehler- und Statusmeldung wird auch eine vom Steuerbaustein 4 erzeugte und an einem entsprechenden Meldeausgang S_F abgreifbare Summenfehlermeldung geführt, die einen vom Steuerbaustein 4 erkannten Überlast- oder Kurzschlussfall repräsentiert. Eine von dem Steuerbaustein 4 erzeugte Ansteuermeldung, die an einem entsprechenden Signalausgang S_AS des Funktionsbausteins 2 abgreifbar ist, wird ebenfalls zu dem Funktionsbaustein 14 zur entsprechenden Statusmeldung geführt. Die am Signalausgang S_AS abgreifbare Ansteuermeldung wird von dem Steuerbaustein 4 dann erzeugt, wenn dieser über den Steuereingang S_E ein Ein- oder Ausschaltsignal EIN bzw. AUS von dem Verknüpfungsbaustein 13 empfangen hat.
• Bei einem Nennstrom I_N des elektronischen Relais 1 im Bereich von 1A bis 5A wird zweckmäßigerweise als Leistungsteil 3 ein Feldeffekttransistor (FET) mit einem Nennstrom von 25A eingesetzt. Bei einem für einen Nennstrom I_N von 7,5A oder 10A ausgelegten Relais 1 wird ein FET mit einem Nennstrom von 33A eingesetzt. Bei einem Nennstrom I_N des Relais 1 von 15A wird ein FET mit einem Nennstrom von 115A eingesetzt. Bei einem Nennstrom I_N größer oder gleich 20A bzw. 25A wird ein FET mit einem Nennstrom von 165A eingesetzt. Der Einsatz des entsprechenden FET's mit dem jeweils genannten Nennstrom ermöglicht dessen Verwendung ohne zusätzliche Kühlmittel in Form beispielsweise eines Kühlkörpers. Demgegenüber würde der Einsatz eines FET mit vergleichsweise geringem Nennstrom zu dessen unzulässiger Aufheizung führen, wenn das Verhältnis zwischen dem Nennstrom I_N des Relais 1 und dem Nennstrom des FET zu klein dimensioniert ist.
• Der für die Temperaturkompensation als Temperatursensor vorgesehene NTC-Widerstand R_T kann alternativ auch durch einen entsprechenden, dem Rückführungswiderstand R4 des Verstärkerbausteins 9 parallel geschaltet NTC-Widerstand R_T, durch einen Silicium-Temperatursensor oder einen PT1000 realisiert sein. Die Temperaturkompensation ist zweckmäßigerweise vorgesehen ab einem Nennstrom von I_N = 15A.

1

Relais

2

Funktionsbaustein

3

Leistungsteil/FET

4

Steuerbaustein

5

Spannungseingang

6

Lastausgang

7

Last/Verbraucher

8

Masseanschluß

9

Verstärkerbaustein

10

Normschnittstelle

11

Funktionsbaustein

12

Zeitglied

13

Verknüpfungsbaustein

14

Funktionsbaustein

15

Funktionsbaustein

16

Funktionsbaustein

A_DB

Meldesignal

S_A

Steuerausgang

S_AS,SF

Signal-/Meldeausgang

S_AUS

Ausschaltsignal

E_DB

Meldesignal

U_B

Betriebsspannung

U_S

Analogausgang

U_V

Versorgungsspannung

Claims (10)

1. Elektronisches Relais (1) mit einem von einem Steuerbaustein (4) schaltbaren Leistungsteil (3) mit einem Spannungseingang (5) für eine Versorgungsspannung (U_V) im Niedervoltbereich, insbesondere im DC12V- oder DC24V-Bereich, und mit einem Lastausgang (6) zum Anschluß einer Last (7), gekennzeichnet durch ein an einem Signalausgang (U_S) des Steuerbausteins (4) abgreifbares Analogsignal, das den aktuellen Laststrom (I_L) abbildet.
2. Elektronisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang (U_S) an einen Verstärkerbaustein (9) eingangsseitig geführt ist.
3. Elektronisches Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Versterkerbaustein (9) ausgangsseitig das den aktuellen Laststrom (I_L) abbildende Steuersignal (S_I) abgreifbar ist.
4. Elektronisches Relais nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkerbaustein (9) ausgangsseitig mit einem Steuereingang (S_E) des Steuerbausteins (4) verbunden ist.
5. Elektronisches Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkerbaustein (9) ausgangsseitig mit dem Steuereingang (S_E) des Steuerbausteins (4) über einen Verknüpfungsbaustein (13) verbunden ist, dem eingangsseitig ein Ein- und Ausschaltbefehl (IN₊) zuführbar ist.
6. Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkerbaustein (9) ausgangsseitig an eine Normschnittstelle (10) mit einem Strom- und/oder Spannungsausgang geführt ist, an dem das Steuersignal (S_I) als Strom- bzw. Spannungssignal oder als digitales Taktsignal (S_N) abgreifbar.
7. Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkerbaustein (9) ausgangsseitig an einen Funktionsbaustein (11) zur Überlasterkennung geführt ist.
8. Elektronisches Relais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Funktionsbaustein (11) ein Zeitglied (12) nachgeschaltet ist.
9. Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkerbaustein (9) ausgangsseitig an einen Funktionsbaustein (15) zur Drahtbrucherkennung geführt ist.
10. Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verstärkerbaustein (9) eingangsseitig ein Temperatursensor (R_T) zur Temperaturkompensation des den aktuellen Laststrom (I_L) abbildenden Steuersignals (S_I) zugeordnet ist.