Elektronisches Relais

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Relais mit einem von einem Steuer¬ baustein schaltbaren Leistungsteil mit einem Spannungseingang für eine Versorgungs¬ spannung und mit einem Lastausgang zum Anschluss einer Last. Unter Versorgungs¬ spannung wird hierbei insbesondere eine solche im Niedervoltbereich, beispielsweise im DC12V- oder DC24V-Bereich, verstanden.

Ein solches elektronisches Relais wird häufig zur Absicherung und zum fernsteuer¬ baren Schalten sowie zur Diagnose von Stromkreisen elektrischer Anlagen eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Anlagentechnik und der Fahrzeugelektronik ermöglicht das elektronische Relais ein indirektes Schalten der Lastkreise von elektrischen Ver- brauchern und Zusatzkomponenten in Verbindung mit einer Überwachung und Ab¬ sicherung 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 ins¬ besondere für den Anschluss von DC12V- und DC24V-Lasten bzw. -Versorgungs¬ spannungen die Kombination einer ausschließlich elektronischen Relaisfunktion mit einem zusätzlichen Überlast- und Kurzschlussschutz. Dabei wird ab typisch dem 1 ,3- fachen des Nennstroms (1 ,3 x IN) der Strom nach einer vorgegebenen Zeit abgeschal- tet, die je nach Anwendung im Bereich zwischen 50ms bis 200ms gewählt werden kann.

Bei einem Kurzschluss wird der hohe Kurzschlussstrom zunächst begrenzt und inner¬ halb einer Millisekunde abgeschaltet. Der zum Einschalten der Last benötigte Steuer- ström für das elektronische Relais, der im mA-Bereich liegt, reduziert die benötigte An¬ steuerleistung 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 Zustande 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 überge¬ ordnetes Steuer- oder Managementsystem rückgemeldet werden.

Bei dem bekannten Relais ist eine weitere Diagnosefunktion in Form eines Analog¬ ausgangs vorgesehen. Das dort abgreifbare analoge Spannungssignal im Bereich von OV bis 5V ist bei den in dem elektronischen Relais üblicherweise eingesetzten kurz¬ schlussfesten Leistungshalbleitern (Protected Field Effect Transistor), die für Last- ströme bis zu 500A bei Raumtemperatur ausgelegt sind, im normalen Toleranzbereich nutzbar für Last- oder Nennströme bis 5OA.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Relais der eingangs ge¬ nannten Art anzugeben, bei dem das Analogsignal auch für vergleichsweise kleine Nenn- oder Lastströme, insbesondere für Lastströme von kleiner 5OA, nutzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Da¬ zu bildet ein an einem Signalausgang des Steuerbausteins abgreifbares Analogsignal den aktuellen Laststrom ab. Zur Nutzung dieses laststromproportionalen Analogsignals ist ein Verstärkerbaustein vorgesehen, dem das am Signalausgang des Steuer¬ bausteins des elektronischen Relais abgreifbare laststromproportionale Analogsignal zugeführt ist und an dem ausgangsseitig ein Steuersignal abgreifbar ist, das den aktu¬ ellen 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 laststrompropor¬ tionale Analogsignal auch bei kleinen Nennströmen unterhalb von 5OA, insbesondere von 1A bis 25A, zur Abbildung des aktuellen Laststroms genutzt und zu Steuerzwecken für das elektronische Relais selbst oder ein übergeordnetes Steuersystem herange- zogen werden kann, wenn das an sich für die Laststromabbildung oder -Spiegelung nicht nutzbare Analogsignal in geeigneter Weise aufbereitet wird. Für eine solche Auf¬ bereitung eignet sich besonders eine entsprechende Verstärkerschaltung, deren Aus¬ gangssignal dann zu Diagnose- und/oder Steuerzwecken geeignet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran¬ sprüchen 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 Verstärker¬ schaltung zur Aufbereitung eines laststromproportionalen Analogsignals.

Die Figur zeigt das elektronische Relais 1 mit in einem ersten Funktionsbaustein 2 ei¬ nem Leistungsteil 3 in Form eines Feldeffekttransistors (FET), insbesondere eines Protected Field Effect Transistors, und einem Steuerbaustein 4. Das Leistungsteil 3 ist drainseitig an einen Spannungseingang 5 (LINE+) für eine Betriebs- oder Versorgungs¬ spannung Uv und sourceseitig an einen Lastausgang 6 (LOAD) geführt, an dem ein Verbraucher oder eine Last 7 anschließbar ist. Die Versorgungsspannung beträgt bei¬ spielsweise Uv = 12V (DC) oder Uv = 24V (DC). Gateseitig ist das Leistungsteil 3 mit einem Steuerausgang SA verbunden. Der Steuerbaustein 4 ist zudem an einen Ground- oder Masseanschluss 8 (GND) geführt.

Ein mit dem Steuerbaustein 4 verbundener Analogausgang Us ist über eine Diode D1 zur Spannungsstabilisation und Stromdetektion sowie über einen ohmschen Wider¬ stand R2 an einen Eingang E(+) eines Verstärkerbausteins 9 geführt. Zur Realisierung einer Temperaturkompensation sind zwischen einem Abgriff zwischen der Diode D1 sowie dem Widerstand R2 und Masse ein NTC-Widerstand RT sowie ein Widerstand R1 parallel und hierzu in Reihe ein Widerstand R3 geschaltet. Am (+)-Eingang Ei 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 E2 des Verstärkerbausteins 9 über einen Widerstand R4 an den Ausgang A des Verstärkerbausteins 9 geführt. Der Eingang E2 und/oder der Ausgang A des Verstärkerbausteins 9 ist zudem über einen Widerstand R5 gegen Masse und über eine Diode D2 an eine Spannungsversorgung eines nachfolgend beschriebenen Funktionsbausteins 16 geführt. Die Betriebsspan¬ nung UB des Verstärkerbausteins 9 wird begrenzt auf typisch UB = 43V.

s Der Verstärkerbaustein 9 liefert an dessen Ausgang A ein auswertbares Steuersignal Si, das den über die Last 7 fließenden Laststrom IL wiederspiegelt und diesem propor¬ tional ist. Ausgangsseitig ist der Verstärkerbaustein 9 an eine Normschnittstelle 10 ge¬ führt. Diese wandelt das am Verstärkerbaustein 9 ausgangsseitig abgreifbare Steuer¬ signal Si in ein Stromsignal, ein Spannungssignal oder ein digitales Taktsignal um. Das o an der Normschnittstelle 10 abgreifbare Steuersignal SN (U(I)) kann an eine übergeord¬ nete Steuerung geführt werden. Dieses, wiederum dem über die Last 7 fließenden Laststrom IL proportionale Steuersignal SN ist ein Stromsignal mit Stromwerten von OmA bis 20 mA oder 4mA bis 2OmA bzw. ein Spannungssignal mit Spannungswerten zwischen OV und 5V, 1V und 5V, OV und 10V oder 2V und 20V oder ein digitales Signal 5 bzw. eine digitale Schnittstelle. Der jeweilige Wert dieses Strom- oder Spannungssig¬ nals SN ist dabei proportional zum jeweiligen, tatsächlich über die Last 7 fließenden Laststrom IL.

Der Ausgang A des Verstärkerbausteins 9 ist des weiteren über einen Funktionsbau- o stein 11 zur Überlast- und/oder Kurzschlusserkennung sowie über ein Zeitglied 12 und einen Verknüpfungsbaustein 13 in Form eines UND-Gliedes mit einem an den Steuer¬ baustein 4 geführten Steuereingang SE des Funktionsbausteins 2 verbunden.

Im Überlastfall, bei dem ein Überstrom z. B. das 1 ,3-fache des Nennstroms IN über- 5 schreitet, wird das Zeitglied 12 gestartet. Nach beispielsweise t = 200ms wird ein Ab¬ schaltsignal SAUS an den Verknüpfungsbaustein 13 geführt. Im Kurzschlussfall erfolgt zuvor eine vom Typ des Leistungsteils 3, insbesondere vom FET-Typ, abhängige Strombrenzung auf ca. das 15-fache des Nennstroms IN, wobei dann bereits nach bei¬ spielsweise t = 0,1 ms bis t = 1 ms ein entsprechendes Abschaltsignal SAUS an den Ver- 0 knüpfungsbaustein 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 zuge- führt. Der Steuerbaustein 4 sperrt dann über dessen Steuerausgang SA das Leistungs¬ teil 3 mit der Folge, dass die Last 7 abgeschaltet wird.

Das hinter dem Zeitglied 12 abgreifbare Ausschaltsignal SAUS wird zudem einem Funk- tionsbaustein 14 zur Fehler- und Statusmeldung zugeführt. Diesem Funktionsbaustein 14 wird des weiteren ein einen Drahtbruch signalisierendes Meldesignal EDB zugeführt, das von einem entsprechenden Funktionsbaustein 15 zur Ermittlung eines Mindestlast¬ stroms erzeugt wird. Dieser Funktionsbaustein 15 ist ebenfalls mit dem Verstärkerbau¬ stein 9 ausgangsseitig verbunden. Der Funktionsbaustein 15 erfaßt dabei das Unter- schreiten des Laststroms IL unterhalb eines bestimmten Schwellwertes, der zweckmä¬ ßigerweise bei kleiner 0,2 x IN und somit unterhalb von etwa 20% des Nennstroms IN liegt. Der Funktionsbaustein 15 erfaßt somit einen Drahtbruch im eingeschalteten Zu¬ stand des elektronischen Relais 1 , bei dem der Laststrom IL 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 Spannungsversor¬ gung UB des Verstärkerbausteins 9 geführt. Der Funktionsbaustein 16 liefert im Falle eines Drahtbruchs im ausgeschalteten Zustand ein Meldesignal ADB an den Funktions- baustein 14, der eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt. Am Funktionsbaustein 14 ist zudem eine Ansteuermeldung AS und eine Summenfehlermeldung 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 SF abgreif¬ bare Summenfehlermeldung geführt, die einen vom Steuerbaustein 4 erkannten Über¬ last- oder Kurzschlussfall repräsentiert. Eine von dem Steuerbaustein 4 erzeugte An¬ steuermeldung, die an einem entsprechenden Signalausgang SAs des Funktionsbau- steins 2 abgreifbar ist, wird ebenfalls zu dem Funktionsbaustein 14 zur entsprechenden Statusmeldung geführt. Die am Signalausgang SAs abgreifbare Ansteuermeldung wird von dem Steuerbaustein 4 dann erzeugt, wenn dieser über den Steuereingang SE ein Ein- oder Ausschaltsignal EIN bzw. AUS von dem Verknüpfungsbaustein 13 empfan¬ gen hat.

Bei einem Nennstrom IN des elektronischen Relais 1 im Bereich von 1 A bis 5A wird zweckmäßigerweise als Leistungsteil 3 ein Feldeffekttransistor (FET) mit einem Nenn¬ strom von 25A eingesetzt. Bei einem für einen Nennstrom IN von 7,5A oder 10A ausge¬ legten Relais 1 wird ein FET mit einem Nennstrom von 33A eingesetzt. Bei einem Nennstrom IN des Relais 1 von 15A wird ein FET mit einem Nennstrom von 115A ein¬ gesetzt. Bei einem Nennstrom IN größer oder gleich 2OA bzw. 25A wird ein FET mit ei- nem Nennstrom von 165A eingesetzt. Der Einsatz des entsprechenden FET's mit dem jeweils genannten Nennstrom ermöglicht dessen Verwendung ohne zusätzliche Kühl¬ mittel in Form beispielsweise eines Kühlkörpers. Demgegenüber würde der Einsatz ei¬ nes FET mit vergleichsweise geringem Nennstrom zu dessen unzulässiger Aufheizung führen, wenn das Verhältnis zwischen dem Nennstrom IN des Relais 1 und dem Nenn- ström des FET zu klein dimensioniert ist.

Der für die Temperaturkompensation als Temperatursensor vorgesehene NTC-Wider- stand Rτ kann alternativ auch durch einen entsprechenden, dem Rückführungswider¬ stand R4 des Verstärkerbausteins 9 parallel geschaltet NTC-Widerstand Rτ, durch ei- nen Silicium-Temperatursensor oder einen PT1000 realisiert sein. Die Temperatur¬ kompensation ist zweckmäßigerweise vorgesehen ab einem Nennstrom von IN = 15A. Bezugszeichenliste

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

ADB Meldesignal SA Steuerausgang SAS.SF Signal-/Meldeausgang SAUS Ausschaltsignal SE Steuereingang EDB Meldesignal UB Betriebsspannung Us Analogausgang Uv Versorgungsspannung