DE19803992C2 - Elektromagnetisches Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit ei­ nem Magnetsystem, einem mechanischen Kontakt, Spulen- und Kontaktanschlußelementen und einem elektronischen Kontakt.

Eine Parallelschaltung eines elektromechanischen Relais und eines Halbleiterrelais zur Vermeidung von Kontaktabbrand bei elektromechanischen Kontakten zur Erhöhung der Kontaktlebens­ dauer und Reduzierung des teuren Kontaktmaterials ist als mögliche Lösung bereits bekannt. Ein derartiges hybrides Re­ lais ist beispielsweise in JP 57-54 34 A beschrieben. Dort ist auf der Ansteuerseite parallel zur Erregerspule des elek­ tromechanischen Relais eine lichtemittierende Diode geschal­ tet, welche auf der Lastseite des Halbleiterrelais eine Foto­ zelle ansteuert. Diese Fotozelle dient der Triggerung eines parallel zum durch die Erregerspule betätigten mechanischen Kontakt geschalteten Triacs, welcher den elektronischen Kon­ takt darstellt.

Eine ähnliche Lösung ist aus EP 0 437 447 B1 bekannt. Dort wird ein elektromechanisches Relais durch einen Optokoppler ergänzt. Die Nachteile der genannten Lösungen sind darin zu sehen, daß zur Bereitstellung einer ausreichenden Isolation zwischen Ansteuer- und Lastseite sowohl für das elektromecha­ nische Relais als auch für das Halbleiterrelais hinreichend bemessene Isolationsstrecken vorzusehen sind.

Beim elektromechanischen Relais stellt dies gewöhnlich keine größeren Probleme dar und wird durch den mechanischen Aufbau sichergestellt. Jedoch muß bei einem Halbleiterrelais bei­ spielsweise auf einen aufwendigeren Optokoppler zurückgegrif­ fen werden. Zudem benötigen derartige Koppler des Halbleiter­ relais auf der Ansteuerseite ein zusätzliches Steuerelement. Beim Optokoppler ist dies beispielsweise eine Leuchtdiode. Des weiteren sind zur Entlastung der mechanischen Schaltkon­ takte zusätzliche Zeitglieder vorzusehen. Die Aufgabe dieser Zeitglieder besteht darin, die Ansteuerung des elektromecha­ nischen Kontaktes und des Halbleiterschalters so zu koordi­ nieren, daß beim Einschalten der Halbleiterschalter vor dem elektromechanischen Kontakt schließt und sich beim Ausschalt­ vorgang ein entsprechend umgekehrtes Verhalten ergibt. Derar­ tige Zeitglieder sind vielfach durch elektronische Schalt­ kreise realisiert, welche zusätzliche Kosten verursachen und eine kompakte Gestaltung eines derartigen hybriden Relais er­ schweren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Relais mit ei­ nem kompakten Aufbau und mit kostengünstig zu realisierenden Mitteln zur Vermeidung von Kontaktabbrand an elektromechani­ schen Kontakten während Schaltvorgängen zu schaffen. Außerdem ist bei einem derartigen Relais eine Reduzierung der Verlust­ leistung angestrebt.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch ein elektromagneti­ sches Relais mit

• - einem eine Erregerspule, einen Kern und einen Anker enthal­ tenden Magnetsystem, wobei der Kern und der Anker minde­ stens einen Arbeitsluftspalt bilden,
• - einem aus mindestens einem beweglichen Kontaktelement sowie mindestens einem feststehenden Kontaktelement bestehenden mechanischen Kontakt,
• - Spulenanschlußelementen und Kontaktanschlußelementen,
• - einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement, welches Mittel zur Erzeugung einer vom Magnetfeld der Erregerspule abhän­ gigen Spannung aufweist, und
• - einem durch das Sensorelement angesteuerten elektronischen Kontakt, welcher parallel zum mechanischen Kontakt geschal­ tet ist, erreicht.

Eine Reduzierung der Verlustleistung wird bei dem erfindungs­ gemäßen Relais durch die Parallelschaltung des mechanischen Kontaktes zum elektronischen Schalter erreicht. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß ein bisher notwendiges zusätzliches Ansteuerelement für den elek­ tronischen Kontakt nun entfällt, woraus sich erhebliche Ko­ stenvorteile ergeben. Die Erregerspule steuert nämlich sowohl den mechanischen Kontakt als auch über das magnetfeldempfind­ liche Sensorelement den elektronischen Kontakt an. Außerdem kann ein Zeitglied zur Koordinierung der Ansteuerung des me­ chanischen Kontaktes und des elektronischen Kontaktes bei ge­ eigneter Dimensionierung und Anordnung der Relaisbauelemente entfallen. Bei Erregung der Relaisspule schaltet der elektro­ nische Kontakt auf der Lastseite schneller ein als der mecha­ nische Kontakt. Während der elektronische Kontakt vergleichs­ weise ohne Verzögerung reagiert, weist der mechanische Kon­ takt gegenüber dem erregenden Magnetfeld eine gewisse Träg­ heit auf, wodurch sich das zeitliche Verhalten erklärt. Der mechanische Kontakt schaltet also mit zeitlicher Verzögerung bei nur minimaler Lastspannung, wodurch der elektronische Kontakt von der Stromführung entlastet wird. Dabei ergibt sich durch die Entlastung des elektronischen Kontaktes eine Reduzierung der Verlustleistung. Beim Abschalten der Erregung ergeben sich genau umgekehrte Verhältnisse. Der durch das Sensorelement angesteuerte elektronische Kontakt bleibt etwas länger geschlossen als der mechanische Kontakt, da das Ma­ gnetfeld über den Zeitpunkt der Öffnung des mechanischen Kon­ taktes erhalten bleibt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann dies insbesondere durch eine parallel zur Erregerspule geschaltete Diode erreicht werden, so daß der Strom durch die Spule auch nach Abschalten der Erregerspannung kurzzeitig aufrechterhalten bleibt.

Für die Realisierung des Sensorelementes wird vorzugsweise eine Hall-Sensor verwendet. Alternativ dazu bietet es sich an, auf einen magnetoresistiven Sensor zurückzugreifen. Der mechanische Kontakt und der elektronische Kontakt können so­ wohl zusammen mit dem Magnetsystem in einem Gehäuse angeord­ net sein als auch durch eine externe Verschaltung miteinander verbunden sein. Bei dem elektronischen Kontakt kann ein npn- Transistor als Schaltelement verwendet werden, da auf diese Weise die Realisierung sehr kurzer Schaltzeiten für den elek­ tronischen Kontakt möglich ist. Die Verwendung sonstiger Bi­ polar-, MOS- oder FET-Transistortypen sowie die Verwendung von Triacs oder Thyristoren als Schaltelement ist ebenfalls möglich. Vorzugsweise ist der elektronische Kontakt über ei­ nen zusätzlichen Verstärker zur Signalaufbereitung an das Sensorelement gekoppelt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Re­ lais und

Fig. 2 einen typischen Verlauf des zeitlichen Ansteuerver­ haltens des erfindungsgemäßen Relais.

Das in Fig. 1 dargestellte Relais weist ein Magnetsystem mit einer Erregerspule 1, mit einem Kern 2 und einem beweglichen Anker 3 auf, welcher mit dem Kern 2 einen Arbeitsluftspalt bildet. Die Übertragung der Ankerbewegung auf einen mechani­ schen Kontakt 5 erfolgt über ein Betätigungselement 7, wel­ ches aus isolierendem Material besteht. Der mechanische Kon­ takt 5 selbst weist ein feststehendes und ein bewegliches Kontaktelement auf, welche jeweils mit Kontaktanschlußelemen­ ten 9 verbunden sind. Die Spule 1 wird durch Anlegen einer Steuerspannung an Spulenanschlußelemente 10 erregt. Ein ma­ gnetfeldempfindliches Sensorelement 4 - hier ein Hall-Sensor - ist an einem ankerseitigen Ende der Spule 1 in der Nähe des Arbeitsluftspaltes angeordnet. Dieses Sensorelement 4 steuert über einen Meßverstärker 8 einen elektronischen Kontakt 6 an, welcher parallel zum mechanischen Kontakt 5 geschaltet ist.

Fig. 2 verdeutlicht das Ansteuerverhalten des mechanischen Kontaktes und des parallel dazu geschalteten elektronischen Kontaktes. Die Kurve A zeigt den zeitlichen Verlauf einer Er­ regerspannung, welche vor Einschalten der Erregung L-Pegel aufweist und während eingeschalteter Erregung H-Pegel an­ nimmt. Die Kurve B skizziert das Schaltverhalten des mechani­ schen Kontaktes, während die Kurve C das Ansprechen des elek­ tronischen Kontaktes widerspiegelt. Der Wert I kennzeichnet dabei den offenen Zustand und der Wert 0 den geschlossenen Zustand eines Kontaktes.

Nach Einschalten der Erregung wird unmittelbar darauf und praktisch ohne zeitliche Verzögerung der elektronische Kon­ takt ebenfalls zum Zeitpunkt T1 geschlossen (Kurve C). Mit einer gewissen zeitlichen Verschiebung schließt der mechani­ sche Kontakt zum Zeitpunkt T2 (Kurve B). Dies ist durch die Trägheit des mechanischen Kontaktes gegenüber dem steuernden Magnetfeld bedingt (Kurve B). Beim Abschalten der Erregung zum Zeitpunkt T3 ergibt sich ein umgekehrtes Bild. Während der mechanische Kontakt nach einer geringen zeitlichen Verzö­ gerung zum Zeitpunkt T4 geöffnet ist (Kurve B), ist der elek­ tronische Kontakt erst nach einer weiteren Zeitverzögerung zum Zeitpunkt T5 geöffnet (Kurve C). Der Grund dafür ist da­ durch gegeben, daß das von der Erregerspule ausgehende Ma­ gnetfeld auch nach Abschalten der Erregerspannung kurzzeitig aufrechterhalten bleibt. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht also darin, daß ein derartiges zeitliches Ver­ halten des mechanischen Kontaktes und des elektronischen Kon­ taktes ohne zusätzliche Zeitglieder erzielt wird.

Claims (7)

1. Elektromagnetisches Relais mit

• 1. einem eine Erregerspule (1), einen Kern (2) und einen Anker (3) enthaltenden Magnetsystem, wobei der Kern (2) und der Anker (3) mindestens einen Arbeitsluftspalt bilden,
• 2. einem aus mindestens einem beweglichen Kontaktelement sowie mindestens einem feststehenden Kontaktelement bestehenden mechanischen Kontakt (5),
• 3. Spulenanschlußelementen (10) und Kontaktanschlußelementen (9),
• 4. einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement (4), welches Mittel zur Erzeugung einer vom Magnetfeld der Erregerspule abhängigen Spannung aufweist, und
• 5. einem durch das Sensorelement (4) angesteuerten elektroni­ schen Kontakt (6), welcher parallel zum mechanischen Kon­ takt (5) geschaltet ist.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode parallel zur Erregerspule (1) geschaltet ist.

3. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor­ element (4) durch einen Hall-Sensor gebildet ist.

4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor­ element (4) ein magnetoresistives Element aufweist, wobei der elektronische Kontakt durch einen Spannungsabfall am magneto­ resistiven Element gesteuert ist.

5. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mechani­ sche Kontakt (5) und der elektronische Kontakt (6) zusammen mit dem Magnetsystem in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

6. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das minde­ stens eine bewegliche Kontaktelement des mechanischen Kontak­ tes (5) über ein Betätigungselement (7) aus isolierendem Ma­ terial an den Anker (3) gekoppelt ist.

7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro­ nische Kontakt (6) über einen Verstärker (8) an das Sensorele­ ment (4) gekoppelt ist.