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RELAIS ELECTROMAGNETIQUES La présente invention revendique la priorité d'une demande de brevet déposée en Suisse le 10 juin 1982 sous le nO 3579/82-5 au nom de STANDARD TELEPHON UND RADIO Aktiengesellschaft.
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La présente invention se rapporte à un relais électromagnétique comprenant au moins une unité de contact scellée hermétiquement avec un contact inverseur dont la partie mobile consiste en un diaphragme ferromagnétique élastique et dont les contacts fixes sont constitués par des pôles de contact en matériau ferromagnétique montés à l'intérieur d'anneaux polaires par scellement hermétique et des connexions isolantes tant au point de vue magnétique qu'électrique, les deux anneaux polaires et le diaphragme d'une unité de contact étant connectés l'un à l'autre d'une manière conductrice tant magnétiquement qu'électriquement, et magnétiquement avec le noyzu de la bobine d'excitation, le circuit magnétique étant fermé par des éléments extérieurs.
Des relais électromagnétiques utilisant des contacts à diaphragme comme unités de contact sont déjà connus et décrits en détails par exemple dans le brevet belge No 692 490.
Des unités de contact de ce type sont particulièrement connues du brevet belge No 653 538 où plusieurs constructions de diaphragmes et de contacts sont décrites afin d'être utilisés comme contact de travail, de repos ou inverseur. En outre, il est connu d'utiliser des aimants permanents pour des relais afin de réaliser une adhérence magnétique des contacts après ladispan- tion du flux de commande et/ou pour obtenir une plus grande sensibilité du relais. Un relais à blocage magnétique de ce genre est décrit par exemple dans le brevet belge No 723 566.
Dans les relais polarisés pour la réception des signaux télé-
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graphiques, des aimants permanents ont été utilisés depuis des décennies pour améliorer la sensibilité.
Parmi ces relais, nombreux sont ceux qui présentent le désavantage qu'ils ne peuvent être montés sur des plaques de circuits imprimés suite à leurs dimensions et presque tous ces relais offrent le désavantage qu'ils ne peuvent être commandés directement par les signaux de sortie à basse puissance des circuits logiques conventionnels. En outre, on utilise des structures fondamentalement différentes pour différentes fonctions.
C'est par conséquent un but de la présente invention que de fournir une famille de relais électromagnétiques miniatures qui sont tous basés sur la même structure et ont une taille comparable à celle des circuits intégrés utilisés dans les circuits logiques électroniques et qui peuvent être contrôlés directement par les signaux de sortie habituels pour de tels circuits.
Le relais électromagnétique suivant l'invention est caractérisé en ce que l'on prévoit dans le circuit magnétique extérieur au moins un aimant permanent dont le circuit magnétique est fermé seulement à travers le noyau de la bobine, la commutation des contacts du relais étant accomplie en produisant un flux électromagnétique dans le noyau de la bobine ayant une direction opposée à celle du flux magnétique permanent.
L'invention sera mieux comprise de la description qui fait suite d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels :
La Fig. 1 montre une vue en coupe à travers une unité de contact qui peut être utilisée dans tous les relais suivant l'invention ;
La Fig. 2 montre un diaphragme utilisé dans l'unité de contact suivant la Fig. 1 ;
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La Fig. 3a montre une vue en plan d'un relais bistable ayant deux contacts de transfert ;
La Fig. 3b montre une vue en coupe du relais suivant la Fig. 3 ;
La Fig. 4 montre une vue en coupe d'un relais monostable ayant deux contacts de transfert ;
La Fig. 5 montre une vue en coupe d'un relais bistable ayant un seul contact de transfert ; et
La Fig. 6 montre une vue en coupe d'un relais monostable ayant un seul contact de transfert.
L'unité de'contact connue de l'état de la technique sera maintenant décrite en relation avec les Figs. 1 et 2 autant qu'il est nécessaire pour la compréhension de la présente invention. L'unité de contact comprend un diaphragme circulaire 1 en matériau ferromagnétique conducteur électriquement comportant une zone limite 2, une zone élastique 3 et une zone de contact 4. La zone limite 2 du diaphragme 1 est connectée par des espaceurs 9 aux anneaux polaires 7 et 8, cette connexion étant de préférence effectuée par soudure.
Au centre de chaque anneau polaire 7 et 8 sont disposées des tiges ferromagnétiques constituant respectivement les contacts polaires 5 et 6, et qui sont connectés par un scellement verre-métal 10 à l'anneau polaire correspondant. Une alternative consisterait à utiliser un scellement céramique-métal. Le diaphragme 1 constitue le contact mobile et les deux poles 5 et 6 sont les contacts fixes d'un contact de transfert. Les surfaces des parties du diaphragme et des poles effectuant le contact peuvent être élaborées suivant leur fonction, elles peuvent par exemple être prévues avec un recouvrement en métal précieux.
Le diaphragme 1 peut être disposé dans la position médiane entre les deux poles comme montré à la Fig. 1, mais les dispositifs d'espacement pourraient aussi avoir des épaisseurs différentes de telle sorte que le diaphragme d'une unité
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de contact, lorsqu'il n'est pas sujet à des forces magnétiques, peut être plus proche de l'une ou l'autre pièce polaire de telle sorte que pendant l'opération, différentes forces élastiques en résultent pour les deux positions de contact. Les dispositifs d'espacement peuvent être choisis de telle sorte que le diaphragme se trouve dans la position de repos sur une pièce polaire avec une certaine pression de façon à obtenir le contact repos faisant partie d'un contact inverseur.
Puisque le diaphragme, les pièces d'espacement et les anneaux polaires sont soudés ensemble tandis que ces derniers sont connectés par des scellements verre-métal aux pièces polaires correspondantes, il en résulte une cavité de contact scellée hermétiquement qui peut être où bien complètement évacuée ou remplie d'un gaz ayant une composition désirée.
Suite à sa forme et à ses dimensions, dans ce qui suit l'unité de contact sera appelée pastille de contact.
LoeFigs. 3a et 3b montrent la structure de base d'un relais bistable ayant deux contacts inverseurs. Il comprend deux pastilles de contact 31 et 32 ayant une structure correspondant à celle montrée aux Figs. 1 et 2 avec des références analogues. En outre, le contact entre le diaphragme 1 et la pièce polaire 5 porte la référence a et celui entre le diaphragme et la pièce polaire 6 la référence b.
Los pièces polaires 5 et 5'des pastilles de contact 31 et 32 sont magnétiquement, mais non électriquement, interconnectées par une culasse 33 de matériau ferromagnétique. De la même manière, les pièces polaires 6 et 6'sont interconnectées par la culasse 34. Les anneaux polaires 7 et 8 de la pastille de contact 31 sont aussi interconnectés magnétiquement avec les anneaux polaires 7'et 8'de la pastille de contact 32 par l'intermédiaire du noyau ferromagnétique 37 d'une bobine d'excitation 36. Un aimant permanent 35 est connecté aux culasses 33 et 34 d'une manière telle que chacun de ses
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pôles est situé sur l'une desdites culasses.
On décrira maintenant le mode d'opération d'un tel relais bistable. Il est connu de la technique antérieure que l'opération de contact d'un relais ayant des contacts sous forme de diaphragme est accomplie par l'attraction magnétique de la partie du contact du diaphragme ferromagnétique vers un pole travaillant comme contact avec probablement le soutien d'une action produite par la répulsion magnétique du pôle opposé.
Aux fins de la présente description on supposera que le pôle nord de l'aimant permanent 35 est du côté de la culasse 33 et son pôle sud du côté de la culasse 34. On voit que seulement deux positions de contact stables existent, c'est-à-dire : a) Les contacts a et b'sont fermés. Le flux magnétique s'écoule du pôle nord de l'aimant permanent 35 par la culasse 33, le pôle 5, le contact a, le diaphragme 1 vers les anneaux polaires 7/8 à travers le noyau de la bobine 37 vers les anneaux polaires 7'/8', par le diaphragme l', le contact b', le pôle 6' vers la culasse 34 et le pôle sud de l'aimant permanent 35. b) Les contacts b et a'sont fermés.
Le flux magnétique s'écoule du pôle nord de L'aimant permanent 35 à travers la culasse 33, le pôle 5', le contact a', le diaphragme 1'vers les anneaux polaires 7'/8'à travers le noyau de la bobine 37 vers les anneaux polaires 7/8, par le diaphragme 1, le contact b, 1 e pô le 6 vers la culasse 34 et le pôle sud de l'aimant permanent 35.
D'autres positions de contact stable ne sont pas possibles car la boucle magnétique pour le flux de l'aimant permanent 35 doit être fermée. La commutation d'une position de contact vers l'. autre est obtenue en produisant à l'aide de la bobine de commande 36 un flux d'une grandeur et d'une polarité telle qu'il compense le flux de l'aimant permanent 35 s'écoulant à travers le noyau de la bobine.
En supposant la condition initiale a) mentionnée
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ci-dessus, le flux de l'aimant permanent 35 s'écoule des anneaux polaires 7/8 à travers le noyau de la bobine 37 vers les anneaux polaires 7'/8'. Pour produire une commutation, la bobine 36 doit par conséquent fournir un flux dans la direction opposée, c'est-à-dire des anneaux polaires 7'/8' vers les anneaux polaires 7/8 produisant un pôle nord en 7/8 et un pôle sud en 7'/8'qui fait face au pôle nord de l'aimant permanent 35 à la culasse 33 (entrefer a + a') et son pôle sud à la culesse 34 (entrefer b + b'), d'une manière telle qu'une répulsion a lieu entre le diaphragme 1 et la pièce polaire 5 et aussi entre le diaphragme l'et la pièce polaire 6',
tandis que l'on obtient une attraction entre le diaphragme 1 et la pièce polaire 6 et également entre le diaphragme l'et la pièce polaire 5'ce qui provoque la commutation du relais. Aussitôt que le diaphragme 1 est passé au-delà de la position médiane, en peut voir qu'une commutation du circuit magnétique pour le flux de l'aimant permanent 35 prend place, après quoi les flux magnétiques provoqués par la bobine d'excitation 36 et par l'aimant permanent 35 s'écoulent dans la même direction à travers le noyau 37 de la bobine, de telle sorte que leurs amplitudes s'ajoutent pour fermer le contact dans la nouvelle position (dans l'exemple présent, la position b). Le courant dans la bobine peut maintenant être commuté sans que la nouvelle position de contact soit changée.
Une description du retour dans la position a) n'est pas nécessaire puisqu'elle se produit de manière analogue.
Dans la condition de repos, c'est-à-dire lorsque la bobine 36 n'est pas activée, la pression de contact entre le diaphragme 1 et le pôle correspondant est déterminée par la force d'attraction provoquée par le flux de l'aimant permanent 35 moins la force élastique du diaphragme 1 car sa zone de contact 4 n'est plus dans la position médiane entre les pôle 5 et 6, provoquant une déformation élastique de la zone
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résiliente 3. La force élastique de la zone 3 du diaphragme 1 contribue à l'augmentation de sensibilité du relais puisque le flux de la bobine d'excitation 36 doit produire une force d'attraction dépassant la pression de contact d'une petite quantité seulement.
Pendant la seconde phase de la procédure de commutation, c'est-à-dire lorsque le diaphragme a dépassé la position médiane entre les pôles, les flux de l'aimant permanent 35 et de la bobine d'excitation 36 s'ajoutant, comme déjà mentionné, de telle façon qu'une force suffisante est fournie pour déformer la zone résiliente 3 du diaphragme 1 dans le sens opposé avant que le courant à travers la bobine ne soit interrompu. La même chose se produit pour le diaphragme l'et les pôles correspondants 5'et 6'.
Puisque les pastilles de contact sont connectées magnétiquement en série, il y a un couplage magnétique des deux contacts inverseur de telle sorte que l'un peut être utilisé pour contrôler l'autre ce qui est souhaitable parfois pour des relais bistables à verrouillage. Même si le contact contrôlé demeure dans l'une de ses positions suite à un défaut, le contact de contrôle passe dans la position correspondant à la position réelle du contact contrôlé aussitôt que le signal de commande est déconnecté.
La description ci-dessus concernait le mode d'opération d'un relais polarisé bistable. Sur base des mêmes principes, d'autres fonctions de relais peuvent être réalisées qui sont décrites en relation avec les Figs. 4 à 6, chacune montrant une vue en coupe d'un relais, les parties similaires étant désignées par des références analogues comme dans les figures précédentes et la vue en plan pouvant être analogue à celle de la Fig. 3a.
La Fig. 4 montre un relais monostable avec un aimant permanent et deux contacts inverseurs. Ce relais a la même structure que celui montrée à la Fig. 3 à l'exception du fait que l'aimant permanent 35, disposé à la Fig. 3 entre les
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culasses 33 et 34, a été omis et que cette dernière culasse ferromagnétique a été remplacée par une culasse 41 comprenant un aimant permanent. Dans la condition de repos, les contacts b et b'sont fermés. Si le pôle nord de l'aimant permanent 41 se trouve sur le pôle 6, le chemin suivant est obtenu pour le flux magnétique : pôle nord de l'aimant permanent 41, pôle 6, diaphragme 1, anneauxpolairoe7/8, noyau de bobine 37, anneauKpolairs37'/8', diaphragme 1', pôle 6', pôle sud de l'aimant 41.
Lorsque la bobine d'excitation est alimentée et que son flux dépasse celui de l'aimant permanent d'une petite quantité, les diaphragmes 1 et 1'basculent respectivement dans leurs autres positions et les contacts de travail a et a'sont fermés. Le chemin suivant est alors obtenu pour le flux de la bobine d'excitation : noyau de bobine 37, anneaux polaires 7/8, diaphragme 1, pôle 5, culasse 33, pôle 5', diaphragme l', anneau polaires 7'/8', noyau de bobine 37. Après que le courant dans la bobine a été coupé, le flux de l'aimant permanent provoque la refermeture des contacts de repos b et b'.
La Fig. 5 montre un relais bistable comprenant un aimant permanent et pourvu d'un contact inverseur unique.
Contrairement au relais suivant la Fig. 3, on a prévu une seule pastille de contact 31. Puisqu'il s'agit encore d'un relais bistable, une boucle magnétique particulière pour le flux de l'aimant permanent doit être fournie pour chacune des deux conditions de contacts. Pour cette raison, les deux pôles 5,6 sont chacun interconnectés par les culasses 51,52 en matériau fenomagnétique avec les pôles opposés des deux aimants permanents 53,54. Les autres pôles de ceux-ci sont connectés magnétiquement au noyau 55 de la bobine d'excitation
3 6. Dans chacune des deux positions de contact, la boucle magnétique est fermée pour un des aimants permanents et ouverte pour l'autre.
A la place des deux aimants permanents 53 et 54, un
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seul pourrait être prévu ayant sa partie médiane connectée au noyau 55 afin d'obtenir le même effet.
La Fig. 6 montre un relais monostable comprenant un aimant permanent et pourvu d'un contact inverseur unique.
La structure est semblable à celle de la Fig. 5 mais la connexion série de la culasse 51 et de l'aimant permanent 53 de la Fig. 5 est remplacée par une culasse unique 61 réalisée en matériau ferromagnétique. Lorsque la bobine d'excitation 36 n'est pas alimentée, on obtient exactement la même boucle magnétique pour la flux de l'aimant permanent que celle pour le relais de la Fig. 5 dans le cas de la fermeture du contact b.
Avec l'alimentation de la bobine d'excitation 36, la boucle magnétique pour le flux électromagnétique du noyau 55 est fermée par les anneaux polaires 7/8, le diaphragme 1, le pôle 5 et la culasse 61. Le même effet pourrait être obtenu si l'aimant permanent 53 de la Fig. 5 était remplacé par une pièce correspondante en matériau ferromagnétique.
Puisque les présents relais ont de très petites dimensions et aucune partie mobile à l'exception des diaphragmes contenus à l'intérieurde pastillesde contact scellées hermétique- ment, ces relais peuvent être moulés dans des unités DIL standard, comme les circuits intégrés, et naturellement, les pastilles de contact et la bobine d'excitation seront connectées à des bornes correspondantes.
Les relais décrits ci-dessus fournissent une famille utilisant tous la même pastille de contact hermétiquement scellée, l'enceinte pouvant être évacuée ou remplie d'un gaz ayant la composition désirée. Des tensions de rupture pour les contacts de plus de lkV peuvent être obtenues. Suite à l'utilisation d'un aimant permanent dont la boucle magnétique est fermée seulement à travers le noyau de la bobine, les relais ne nécessitent qu'une puissance d'excitation d'environ 30 mW de telle sorte qu'une commande directe par les signaux de sortie de circuits
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TTL disponibles commercialement est possible. Des relais à double commutation sont obtenus par un couplage magnétique des contacts.
Des diaphragmes sont les seuls éléments mobiles et ont une très petite masse ce qui conduit à des temps de commutation et de rebondissement courts et à une longue vie.
Les petites dimensions permettant de monter les relais dans des enveloppes DIL standard, permettent un montage du relais ensemble avec des circuits intégrés sur des plaques de circuits imprimés qui ne nécessite que peu d'espace.
Bien que les principes de l'invention aient été décrits ci-dessus en se référant à des exemples particuliers, il est bien entendu que cette description est faite seulement à titre d'exemple et ne constitue aucunement une limitation de la portée de l'invention.